过控报告

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义
1.1 设计目的
本次课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。

本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。

本次设计的主要任务是通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的液位参数设计其控制系统。

设计中要求学生掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；掌握PID调节器的功能原理，完成液位控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

通过对过程控制系统的组态和调试，使学生对《过程控制仪表》课程的内容有一个全面的感性认识，掌握常用过程控制系统的基本应用，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。

1.2 课程在教学计划中的地位和作用
控制仪表与装置是实现生产自动化的重要工具。

在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合工艺要求。

《过程控制仪表与装置课程设计》作为自动化专业学生选修的一门实验设计基础课程，它为时两周，通过该课程，可以加深自身对现代集散控制系统的全面了解和认识，通过它从而能够深刻的对自己所学理论知识的融会贯通，并学会基本的解决设计中解决一些问题的基本方法。

除此之外，它还能锻炼我们团体合作，共同研究的精神和方法，引导我们查询资料和筛选资料，通过自学掌握一些基本知识的技能。

因此它在教学计划中有着举足轻重的地位和不可替代的作用。

过程控制仪表是与生产实际紧密联系的实践性很强的课程，课程设计在其教学中起着重要的作用。

该实践教学可以提高学生的设计能力、编程组态能力、实践动手能力、分析及解决实际问题的能力，对培养创新型应用人才具有重要意义。

第二章流量控制系统（实验部分）
2.1 控制系统工艺流程
本装置有两个可控制的水流量，一路进夹套，一路进内容器。

一般可以从中任选一路流量为主动量，另一路流量为从动量，以此组成单闭环比值控制系统或双闭环比值控制系统。

图2.1以进内容器的水流量Q1为主动量，进外容器的水流量Q2为从动量的双闭环比值控制系统。

其控制流程工艺图如图2.1所示：
图2.1
图2.2
2.2控制系统的控制要求
该系统的控制要求为利用PID算法双闭环比值控制使得流量Q1，Q2的比值2：1。

并且能够准确的调节流量，以及消除扰动因素的影响。

使得整个系统具备良好的动态和静态性能。

系统的方块图如图2.2所示：
图2.2
2.3系统的实验调试
PID智能调节仪器集成了最新人工思维控制方法，具有控制响应速度快、超调小、稳定性好等优点，控制精度大大优于普通的PID或模糊调节仪。

可适应多种高精度测量控制系统，可根据被控对象自动演算出最佳控制参。

采用多种抗干扰措施，是可靠性进一步提高。

可随意改要仪表的输入信号类型。

采用最新无跳线技术，只需设定仪表内部参数，即可将仪表从一种输入信号改为另一种输入信号。

可分别带有一路控制输出及一路变送输出，适用于各种测量控制场合。

集数字仪表与模拟仪表于一体，可对测量值及控制目标值进行数字量显示，并同时对测量值及控制目标值显示，显示方式为数码显示，使测量值显示更为清晰直观。

特点是使用方便，操作简单。

性能价格比高。

参数整定操作步骤：
1.熟悉调节面板显示、操作。

2.对调节器以及控制参数进行设定：
控制参数的设定只能在自动控制方式下设置，即在仪表PV测量值显示状态下，按压SET键，仪表转入控制参数设定状态。

每按SET键即按照参数设定状态和各参数列表顺序变换参数（一次巡回后随即回至最初项目）。

参数设定完毕后，再次按压SET键，4秒后即将设定的参数锁定。

3.对控制目标值SV设定：
在PV显示测量值，SV显示控制目标值的自动控制状态下，按SET键不放，4秒钟之后，即进入控制目标值SV的设定状态。

仪表一级参数列表见表2.1：
表2.1 仪表一级参数列表控制目标值SV的设定值如表2.2所示：
仪表二级参数设定如表2.3
第三章温度控制系统工艺流程及控制要求
3.1控制系统工艺流程
HPF脱硫工艺流程
HPF法脱硫是国内新开发的技术,它是以氨为碱源液相催化氧化脱硫新工艺,采用的催化剂HPF是一种复合催化剂,它对脱硫和再生过程均有催化作用。

所产废液完全可以回兑到炼焦煤中,从而大大简化了工艺流程。

脱硫、脱氰效率较高,一般可达到塔后煤气含H2S≤100mg/m3，含HCN≤300mg/m3。

HPF法脱硫的工艺流程是:鼓风机后的煤气进入预冷塔与塔顶喷洒的冷却水逆向接触,被冷却为30℃，冷却水从塔下部用泵抽出,送外冷器被低温水冷至28℃送回塔顶循环喷洒。

采取部分剩余氨水更新循环冷却水,多余循环水返回机械化氨水澄清槽。

预冷后的焦炉煤气经过两台并联的脱硫塔,从塔顶喷淋脱硫液以吸收煤气中的H2S、HCN(同时吸收氨,以补充脱硫脱氰过程中消耗的氨)。

脱H2S后的煤气送入洗涤工段。

两台并联的脱硫塔都有自己独立的再生系统，吸收了H2S、HCN的溶液从塔溜出，经液封槽进入各自独立的反应槽，再经溶液循环泵送入再生塔。

同时由空气压缩机送来的压缩空气鼓入再生塔底部,溶液在塔内即得到再生。

再生后溶液经液位调节器返回各自对应的脱硫塔循环使用。

浮于再生塔顶的硫泡沫利用位差流入泡沫槽,硫泡沫经泡沫泵送入戈尔膜过滤器分离,清液流入反应槽,硫膏经压缩空气压榨成硫饼装袋外销。

为避免脱硫液盐类积累影响脱硫效果,排出少量废液送往配煤。

脱硫工艺的流程如图1所示。

图中L表示液位；P表示压力；T表示温度；F表示流量；I表示指示；C表示控制；V 表示阀门；Q表示累计。

3.2 设计内容及要求
本设计要求对温度进行控制，控制的对象为：
1．预冷塔中煤气的温度，控制目标30℃。

2．冷却水温度，控制目标为28℃。

温度控制范围：20℃～35℃,控制精度≤0.5℃.
第四章总体设计方案
4.1设计思想
本设计中对温度的控制可以转化为对进出冷却塔冷水流量的控制，整个计过程采用PID控制算法，结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。

下面对PID算法进行简要介绍：工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。

PID 控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。

不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。

通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

P称为调节器的比例带（或称比例度），它是输入相对变化量和输出相对变化量的比值，它表示输出变化范围所对应的输入变化范围。

比例调节的作用是能够迅速反应误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差，Kp的增大还会引起系统的不稳定。

积分作用的特点是：调节器的输出与偏差的存在时间有关。

只要变差处在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不会变化。

因此，积分作用能消除静差。

但是，积分作用动作缓慢，在偏差出现时，调节器的作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调节参数的动态偏差增大，调解过程拖长。

微分作用的特点是：输出只能反应偏差输入的速度，对于一个固定不变的偏差，不管他的数值多大，根本不会有微分作用输出，因此它不能克服静差。

当偏差变化很慢，但经长时间积累达到很大的数值时，微分作用也无能为力。

最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。

它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。

当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。

只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。

PID控制器调试方法如下：
比例系数的调节：
比例系数P的调节范围一般是：0.1--100. 如果增益值取 0.1，PI D 调节器输出变化为十分之一的偏差值。

如果增益值取 100，PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。

可见该值越大，比例产生的增益作用越大。

初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。

过大的P
值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。

合适
的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。

积分系数的调节:
积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。

积分时间设为1秒，则输出变化100%所需时间为 1 秒。

初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。

微分系数的调节:
微分值是偏差值的变化率。

例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。

大部分控制系统不需要调节微分时间。

因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。

如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。

如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。

初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。

在一般的PID控制中，当较大的扰动或大幅度的改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在微分作用下会产生较大的超调和长时间的波动。

特别是对温度这一变化缓慢的过程，该现象就会更加的严重。

为此可以采用积分分离的措施，即偏差e（k）较大时，取消积分作用，当偏差较小时才将积分作用投入使用，即：
|e(k)|≥ε，使用PD算法；
|e(k)|<ε，使用PID算法。

4.2 总体设计流程框图
图4.1
第五章硬件设计
5.1硬件设计概要
本系统的任务是对煤气和水的温度进行实时检测和控制，单片机定时对温度进行检测，通过温度传感器把温度值转换成微弱的电信号，该电压经变送器变成4——20mA标准信号，后通过A/D转换得到相应的数字量，再经数字滤波和查表程序得到当前的采样温度T X通过串行通讯送给计算机。

将采样温度与设定温度进行比较，如果T X≠T，则按照设计好的PID算法对偏差（采样温度—设定温度）进行运算、处理，得到一个调节量。

利用这各调节量对冷却塔中冷却水阀门开度和外冷器的执行机构进行控制，从而达到对煤气温度和冷却水温度控制的要求。

整个控制系统电路由 CPU模块，人机交互模块，采集变送模块和执行机构模块组成。

其中，CPU实现温度信号的采集、滤波、算法控制、控制量输出、电源保护以及报警输出等功能；人机交互模块主要是由各种信号灯、控制按键、功能指示和显示器件组成。

采集变送模块主要负责对温度信号进行采集，通过温度传感器把温度值转换成微弱的电信号，该电经变送器变成4——20mA标准信号，后通过A/D转换得到相应的数字量，送CPU进行处理。

执行机构利用来自CPU 的控制信号对调节阀进行控制，从而实现温度控制。

5.2 硬件选型
5.2.1 CPU的选择
主机选用ATMEL公司的89C51单片机来实现，利用单片机软件编程灵活自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。

本系统选用的89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。

其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。

5.2.2 采集变送电路设计
数据采集电路主要由AD590，MCl403，0P07，74LS373组成。

因为温度信号为低电平缓变信号，对A／D转换速度要求不高，为此，选用实效价廉的ADC0809，而且，还可以根据需要扩展测量8路温度信号。

本系统采用铂电阻Pt100做为温度传感器。

铂电阻 Pt100在温度为0℃时输出的阻值为100欧，温度为 100℃时输出的阻值为138.5欧。

在0~100℃之间线性变化时输出的阻值也在100~138.5之间几乎线性变化，能够很好地满足系统的要求。

由铂电阻 Pt100测量到的电阻信号在输入 A/D口之前，必须经过信号调理电路转换成标准电压信号，信号调理电路如图5.1所示：
图5.1
变送器选用XTR101芯片，它是美国BURR－BROW公司生产的变送器通用电路芯片。

1．组成：由仪用放大器，双匹配电流源和输出驱动电路等三部分组成。

2．性能指标：偏置电压≤30μV，电压漂移≤0.75μV/℃，非线性≤0.01％工作电压：11.6～40VDC，一般采用24VDC温度：－40～＋85℃。

采用小型14引脚双列直插式封装。

它构成热电阻温度变送器的原理图如图5.2所示：
图5.2
本系统采用单片机的I/O线去控制冷却器的通或断，由于要经常地接通和断开，而这些被测控动作都要和强电联系在一起，为避免强电控制电路可能对单片机系统产生严重的干扰，故必须在单片机输出口和驱动电路之间采用光电隔离器，使输入与输出完全绝缘。

具体电路如图5.3所示，图中的R0为LED限流电阻，当89C51的P1.0脚为高电平经非门为低电平时，光耦导通，经驱动器后就能驱动加热工作；反之，当89C51的P1.0脚为高电平时，光耦断开，因此不能驱动加热器工作。

图5.3
5.2.3 人机交互模块硬件电路
人机交互的部分主要是键盘和显示电路，键盘和显示器是人/机对话的接口。

89C51单片机具有4个8位的I/O，即P0、P1、P2、P3。

从原理上说，这4 个口均可用作双向并行I/O接口，但在实际应用中，P0口和P2口常被用作扩展总线，P3口的某些位又常被用作它的第二功能，特别是无ROM型的单片机。

所以若一个89C51应用系统需要连接较多的并行输入输出外围设备（如打印机、键盘、显示器等），就必需扩展并行接口。

故采用8279芯片进行扩展。

INTEL8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，可直接与INTEL微型单片机接口，在我们设计的闭环PID 水温控制系统中就采用8279来实现系统的键盘/显示器扩展功能，降低了电路的复杂度，提高了稳定性及可靠性。

8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码。

8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其内部有一个168的显示缓冲器，能对4位或8位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在LED上显示出来。

8279通过74LS164译码器扩展2×2键盘、4位显示器。

由3—8译码器对SL0﹀SL2译出键扫描线，由另一3—6译码器译出显示器的位扫描线，并采用了编码扫描方式。

电路图如图5.4所示：
图5.4
5.2.4 执行机构调节阀的选择
根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。

调节阀的尺寸通常用公称直径D g 和阀座直径d g 表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。

确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa 、流体重度为1g/cm 3时，每小时通过阀门的流体流量（m 3或kg ）。

可见流通能力直接代表了调节阀的容量。

由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为：
式中，α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A 0为调节阀接管截面积；g 为重力加速度；r 为流体重度。

依据流通能力的定义，则有
流通能力C 与调节阀的结构参数有确定的对应关系。

这就是确定调节阀尺寸的理论依据
调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量qmax ，r 流体重度 ，以及
调节阀的前后压差
p
∆，先由式求得最大的流通能力
max
C ，然后选取大于
max
C 的
最低级别的C 值，即可依据表5.1确定出D g 和d g 的大小。

表5.1
对于执行器的选择选用智能电动执行器，智能电动执行器按控制电源划分有单相和三相两大类。

与传统的电动执行器相比主要有如下特点：
①主要技术指标先进，超过国内现有的DDZ-Ⅱ、Ⅲ型电动执行器，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到很高水平。

②采用了微处理器技术和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器。

它具有功能强，使用方
便，具有自诊断、自调整和PI调节功能。

③增加了流量特性软件修正。

使一种固有特性的调节器可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正（蝶阀）的阀也可改变流量特性，可以使非标准特性修正为标准特性。

该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正特性的现状。

④在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。

主要技术指标
输入信号：0～10mA；4～20mA；RS-232
位置发送信号：0～10mA；4～20mA；1K 电位器
输入通道：2个（电隔离）
基本误差：≤士1％（单相）；≤士2.5％（三相）
死区：≤0.5％
特性修正：固有特性→标准直线
固有特性→等百分比
主要功能：工作方式选择、故障诊断与报警，电制动、PI调节。

第六章软件设计
在数字控制系统中PID参数值是很重要的，系统参数整定的好坏直接影响调节品质。

利用PID温度控制曲线可以方便地实现PID参数的整定。

曲线反映了系统对温度控制的状况。

通过该曲线可以很方便地输入或修改P参数、I参数、D 参数和T参数。

表中“上限、正常和下限”指示当前温度范围。

当测得温度大于上限温度设定值理，表中上限指示灯闪烁，测得温度小于等于温度下限设定值时，下限指示灯闪烁；反之，温度在上限温度和下限温度之间时正常指示灯亮，同时，当温度越上限或下限时，单片机硬件部分也会发出报警信号。

本软件具备与硬件实时通讯，实时显示系统状态的特点。

单片机系统的键盘对参数的任何修改，也会影响本软件的参数。

另外通过本软件也可很方便对串行通讯波特率进行修改。

系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

T0定时器用作采样周期的定时中断，每隔15秒种中断一次。

在中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波，上下限报警处理，PID计算，然后调节T1输出控制脉冲信号，启动定时器T1，返回主程序。

脉冲的宽度由T1计数器溢出中断决定。

在等待T1中断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序；从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。

6.1 程序说明及流程图
6.1．1主程序
在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器T0为5秒定时，在无键盘响应时每隔5秒响应一次，以用来采集经过A／D转换的温度信号；设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断，初值由PID算法子程序提供，以用来执行机构的控制。

主程序流程图如图6.1。

图6.1
6.1.2 采样子程序
流程图如图6.2所示：
图6.2 6.1.3 T0中断子程序
该中断是单片机内部5s 定时中断，优先级设为最低，但却是最重要的子程序。

在该中断响应中，单片机要完成A ／D 数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前温度、与设定值进行比较，调用PID 算法子程序并输出控制信号等功能。

6.1.4 T1中断子程序
T1定时中断嵌套在T0中断之中，优先级高于T0中断，其定时初值由PID 算法子程序提供，T1中断响应的时间用于输出执行器的控制信号。

6.1.5 温度查表子程序
为解决铂热电阻温度/电压变换电路中的非线性，采用模拟数据拟合法，利用已调好的硬件电路，用电压表产生模拟的热电势信号。

该信号经放大及A/D 转换后，由单片单板机读出对应该热电势的数字量，这个数字量与模拟的温度标准值构成一个数据对，在使用的温度范围内逐点获得全部数据对后再采用曲线拟合法的方法建立A/D 值与温度之间的函数关系式，由此得到A/D 转换值与温度值的对应关系，由这些一一对应关系制成表格存贮在ROM 中，供实际测试与程序运行过程中查表用。

6.1.6 标度转换子程序
该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值，以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。

所用线形标度变换公式为：
式中，Ax：实际测量的温度值；Nx：经过A／D转换的温度量；
Am＝90；Ao=40；Nm＝FEH；No＝01H
单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。

6.1.7 PID算法子程序
系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了变速积分PID—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。

该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。

实现思想：u i(k)为第k次采样温度值，Ur为设定值。

u i(k)-u r=e(k)
|e(k)|≥ε，使用PD算法；
|e(k)|<ε，使用PID算法；。