水箱温度控制系统毕业设计

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1、水 箱 的 温 度 控 制 系 统0前言工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。随着科学技术的不断发展，技术领域在探索中不断创新，如今采用自动化控制已成为企业获取更大利润的有利手段，在当今时代，自动控制技术的应用已随处可见，小到家用电器，大到工业生产，航天事业，科技发展使人们生活水平有了大大的提高。自动化控制的引入提高了企业生产的经济效益，从而对推进我国工业的节能减排，增加产量起到重大的推动作用。但在控制过程中

2、常常会受到各种因素的干扰使控制仪表无法运行在最佳状态。在我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。工业生产中采用的控制方法有很多，例如，PLC 控制技术，单片机控制技术，PID 调节控制等等。为了提高生产的经济效益，本文采用理论联系实际设计了水箱温度控制系统，是工业联系生产过程控制系统的真实模拟与缩影。本装置可进行温度、压力、液位等多种系统以及调节器、调节阀、检测等单元的试验。文章中对水箱的温度控制系统的动特性在理论上进行深入

3、的分析，并通过实验给于验证。青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计11 控制理论与过程控制系统的概述 概括地说，控制论发展经过了三个时期：第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期，着重研究单机自动化，解决单输入单输出（SISO-Single Input Single Output）系统的控制问题；它的主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数；主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法；主要问题是控制系统的快速性、稳定性及其精度。第二阶段是六十年代的现代控制理论时期，着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系统的控制问题；主

4、要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、状态空间法等等；主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等；重点是最优控制、随机控制和自适应控制；核心控制装置是电子计算机。第三阶段是七十年代的大系统理论时期，着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题；方法是时域法为主；重点是大系统多级递阶控制；核心装置是网络化的电子计算机。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20 世纪 50 年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60 年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70 年代，出现了过

5、程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80 年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。 在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪 30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中

6、控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。 目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过水 箱 的 温 度 控 制 系 统2程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。1.1 PID 控制的概述和现实意

7、义 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为 u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)d

8、t+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是 0 和 t 。因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) 其中 kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数目前，PID 控制机器控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器（intelligent regulator）,其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 空盒子实现的压力、温度、流量、液位控

9、制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器（PLC） ，还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。可编程控制器（PLC）是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。1.2 PID 控制的基本概念，控制原理及其特点所谓 PID 控制，就是在一个闭环控制系统中，使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年之一。

10、青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计3当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state

11、 error） 。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误

12、差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调

13、节过程中的动态特性。水 箱 的 温 度 控 制 系 统01.3 过程控制系统1.3.1 概述生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量和质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作压力不变的情况下，必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一工段的效果化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的数量和质量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如，用蒸汽加热反应器或再沸腾器，在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔

14、釜温度控制好将极为困难；中间贮槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素，例如，锅炉锅筒的液位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产的安全。对以上各种类型的变量，在生产过程中，都必须加以必要的控制。1.3.2 过程控制的特点过程控制的特点是与其它自动控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：一、 连续生产过程的自动控制过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的（如采样控制系统等） ，但是其被控量需定量控制，也归如过程控制。二、 过程控制系统

15、由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模 拟仪表和智能仪表）和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机） 、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过 PID 参数的整定，实现对生产的最佳控制。三、 被控过程是多种多样的、非电量的在现代工业生产过程中，工业过程很复杂。由于生产规模大小不同，工艺求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程是

16、多种多样的。诸如石油化工过程中的精馏塔、青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计5化学反应、流体设备、热工过程中的锅炉、热交换器；冶金过程中的转炉、平炉；机械工业中的热处理炉等。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线性特性。有些机理复杂（如发酵、生化过程等）的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立其精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制系统并非易事。四、 过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。另外，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、制药等工业生产过程中，往往采用一些物理和化学量（如温度、压力、流量、液位、成分、PH 等）来表征其生产过程是否正常，因此需要对上述过程参数进行自动检测和自动控制，故过程控制多半为参量控制。五、 过程控制方案十分丰富随着现代工业生成的迅速发展，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求越来越高过程控制系统的