《基于根轨迹德水箱温度控制系统-毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于根轨迹德水箱温度控制系统-毕业设计（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、xxx学 院 毕 业 设 计引言在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理
2、论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。本次水箱控制采用理论分析和实验测定两种方法相结合的方法来进行设计。理论知识与实验数据相配合改进恒温水箱的设计过程，使得设计即符合理论又拥有实际意义。1控制系统方案选择、设计1.1控制理论与过程控制系统的发展状况控制理论与其他学科一样源于社会实践和科学实践。20实际40年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一”。在人类社会的各个方面有着深远的影响。到第二次世界大战前后，控制理论有了很大发展。电信事业的发展导致了Nyquist频率域分析技术和稳定盘踞的产生。1948年，Evans提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方程根
3、的简单求解方法根轨迹法。至此，自动化控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础的，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理念，这就是今天所谓的经典控制理论。20世纪60年代，控制理论发展迅速，这是以状态空间方法为基础，以极小值原理和动态规划方法等最优控制理论为特征的，而以采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统为标志性系统的理论体系已基本建立。从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论的相结合，逐步发展形成了大系统理论。其核心思想是系统的分解与协调，多阶梯阶优化与控制正式应用大系统理论的典范。20世纪80年代发展起来智能控制，对于
4、含有大量不确定性和难遇建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊系统、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用，成为自动控制的前沿学科之一。20世纪80年代以后出现优化与控制二层结构，在DCS的基础上实现先进控制和操作优化。在硬件上采用上位机和DCS或自动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。随着计算机及网络技术的发展，DCS出现了开放式系统，实现多层次计算机网络构成的管控制一体化系统，即综合自动化系统。1.2 PID控制的概述目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制
5、理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口。执行机构，加到被控系统上，控制系统的被控量，经过传感器、变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。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（i
6、ntelligent 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。1.3 PID控制的基本概念、控制原理及其特点所谓PID调节，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
7、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年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数字模型时，控制理论的其他技术难以采用时，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，或不能通过有效地测量手段来获得系统参数时，最适合PID控制技术。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、微分计算控制量进行控制的。比例
8、（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 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
9、，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）或有滞后(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
10、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节过程中的动态特性。2 过程控制系统2.1过程控制系统概述 在生产过程中，对各个工艺过程的物理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，否则将影响后一阶段的效果；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
11、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在沸腾器，在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好极为困难；中间贮槽的液位高度与其柜压力，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，不允许超出规定多限度，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。2.2 过程控制系统的特点过程控制系统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
12、的。若控制动作在时间上是离散的，但是其被控量需定量控制，也归纳入过程控制。 二、过程控制系统由过程检测、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最佳控制在现代工业生产工程中，工业过程
13、很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程市多种多样的。诸如石油化工过程中的精馏塔、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。有些机理负责（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
14、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、成分的等）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 随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半数多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系
15、统。六、定值控制是过程控制的一种形式 在石油、化工、电力、冶金、轻工、环保和原子能等现代工业生产工程中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量稳定在给定值上，是工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。定值控制仍是目前过程控制的一种常用形式。3 系统结构设计3.1系统结构原理图实验装置的结构如图3-1所示。温度控制系统由以下几个环节组成：1、被控水箱 2、电加热器 3、晶闸管电路 4、电压调节器 5、开放器KD 6、温度调节器TC 7、温度检测TT 8、液位调节器LC 9、执行器MLCZKDJKTC给定给定Q1Q2 220V图3 -1 水箱温度控制系统原理图系统要求：1.水箱规格：长宽高=0.250.20.4cm32.电加热器功率：2.5kw23.性能指标：液位：L=0.3m 稳态误差：ess5mm过滤时间：ts4分钟衰减比：n4:1温度：T=50稳态误差：ess0.2过滤时间：ts4分钟衰减比：n=10:13.2 装置的仪表选择采用DDZ-II单元组合仪表，统一信号0 10
