反应釜温控系统的积分分离PID算法及仿真..doc

计算机控制技术课程设计 评语： 考勤10分 守纪10分 过程30分 设计报告30分 答辩20分 总成绩(100分) 专 业： 自动化 班 级： 动201302 姓 名： 邓 笛 学 号： 201309352 指导教师： 姜香菊 兰州交通大学自动化与电气工程学院 2016 年 07 月 15 日 化工车间反应釜的温度控制系统设计 1课程设计目的 反应釜内的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定质量和控制要求。由于温度能较好地测量与分析，并且能够一定程度上反映出釜内反应过程，所以选用温度为间接参数是最有效的方法。针对本次设计要求，是以实现小型实用反应釜的控制系统为目标，主要目的就是要实现温度的智能控制。 2设计方案及原理 2.1反应釜温度控制原理 反应釜主要是在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。在进行化学之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜底部通过电阻丝加热，进而提高反应釜内的温度（升温阶段），通过搅拌使物料温度均匀，当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行（恒温阶段）。 2.2 总体方案设计 本次设计的要求是系统的测温范围为0~100℃，升温结束阶段向恒温阶段切换时的超调量不超过5℃。恒温阶段的控制精度要求绝对误差不超过±2℃。通过研究反应釜的结构和工作原理，选用温度作为控制参量，在工业生产过程中，为了保证生产正常进行，工艺要求釜底温度维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，所以直接选取釜底温度为被控参数。 单回路控制系统原理框图如图1所示： 图1 单回路控制系统原理框图 单闭环基本控制原理为: 传感器将实时测量的反应釜的温度值传送到控制器的中央控制单元, 采样值与温度设定值同时送入算法子程序进行运算得到输出控制量, 输出控制量通过固态继电器( 执行器) 作用到加热电阻丝上,通过控制一个时间段内加热电阻丝的通断时间来控制加热功率。对于工业生产中的温度控制有较大的时间延迟，采用常规的PID算法控制往往不能得到理想的控制效果，通常系统伴有较大的超调以及较长的调整时间，所以本次设计采用积分分离式PID控制算法对系统进行控制，它除了具有常规PID 控制的优点外, 还能克服对象的容量滞后, 减小动态偏差, 提高系统的稳定性, 并显著降低被调量的超调量和调整时间, 使调节过程性能得以改善。 3系统硬件设计 本次设计的控制系统硬件电路主要由主控制器、温度传感器、键盘、显示电路、电源、D/A数模转换器、固态继电器及加热电阻丝等组成。其中主控制器采用STC89C52单片机最小系统；温度传感器采用DS18B20温度传感器，不需要A/D转换电路，其测温速度快，精度高；键盘采用普通3X4矩阵键盘用来输入给定参数；显示电路选用LCD1602液晶显示，进行数据的实时显示；D/A数模转换器采用8位数字量输入和2通道模拟量输出的数模转换器DAC0832。电源模块功能为把220V交流电转为5V直流电，选择AMS1117电源芯片，其具有完善的保护电路，包括过流、过压、电压反接保护，它具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电源获得相对更长的使用时间，可以为单片机及片外D/A等模块提供很稳定的工作电压；加热元件选择功率为2000W，额定电压为220V的加热电阻丝；继电器选用交流固态继电器，是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。 硬件结构原理图如图2所示： 图2 硬件结构原理图 4系统软件设计 主程序工作流程同方案设计，不过多赘述，这里主要讨论控制算法子程序， 控制算法采用的是积分分离的PID控制算法，基本思路是： (1)根据实际情况，设定一阈值; (2)当偏差时，也就是当比较大时，切除积分环节，改用PD控制，这样可以避免过大的超调，又能使系统有较快的响应； (3)当时，也就是当比较小时，加入积分环节，成为PID控制，保证系统的控制精度。 根据设计要求及所选硬件，软件主程序流程图如图3所示： 图3 软件程序流程图 控制系统工作之前都需要给出相应的给定温度和阈值。控制算法流程图如图4所示： 图4 控制算法流程图 5系统仿真及实际调试 单回路控制系