水塔温度过程控制系统。
学号：b11040924
姓名：刘华。
本次设计采用串级控制系统对水塔温度进行控制。
过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
串级控制系统工程应用场合如下：
1）应用于容量滞后较大的过程。
2）应用于纯时延较大的过程。
3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。
4）应用于参数互相关联的过程。
5）应用于非线性过程。
采用单片机作为主控制器，水塔温度为主被控对象，上水的流量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用ad590传感器检测水塔温度，利用流量传感器检测上水流量。水塔温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图1.
2所示。
图1.1水塔温度串级控制系统框图。
图1.2 水塔温度串级控制系统原理图。
水塔温度串级控制系统**，积分环节 initial=0，两个检测变送环节参数设定时间常数t=0.01s，扰动通道传函为时间常数t=2s。输入信号和扰动信号皆为单位阶跃信号。
扰动作用时间f1为step time=50s，**波形如图1.2所示。
图1.2 串级控制系统**波形。
水塔温度串级控制系统选择水塔温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。
主被控对象：水塔温度。
副被控对象：上水流量。
主控、副控回路检测环节传感器选择。
主控对象检测元件选择为温度传感器ad590。
ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： ma/k式中：—流过器件（ad590）的电流，单位为ma； t—热力学温度，单位为k。
2、ad590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、ad590的电源电压范围为4v～30v。电源电压可在4v~6v范围变化，电流变化1ma，相当于温度变化1k。ad590可以承受44v正向电压和20v反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710mw。
5、精度高。
副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体粘度的影响。
由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。测量范围宽，测量精度高。
为了达到测量高精度的要求，选用温度传感器ad590,ad590具有较高精度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0p07将温度一电压信号进行放大，便于a/d进行转换，以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。
图2.1采样检测电路。
a/d转换电路采用adc0809转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号eoc经反相器接单片机的p3.2口，a/d转换电路如图2.2所示。
图2.2 a/d转换电路。
选用单片机作为控制器，对水塔温度进行控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
2.3.1 cpu选择。
单片机接受a/d 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的单片机选用atmel 公司的at89c51 单片机，采用双列直插封装（dip），有40个引脚与mcs—51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。
at89c51引脚图，如图2.3所示。
图2.3 at89c51引脚图。
由10v交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12v的直流电压，12v的直流电压与mc7805t芯片，以及电容相接，产生+5v电压，给系统供电。
图 2.6 电源电路。
5.参数整定。
控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。因为本设计中主控制器采用控制规律，故仅对控制器的参数进行整定。
参数整定的一般步骤：
1）确定比例系数。
确定比例系数时，首先去掉的积分项，首先令，使为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%～70%，由0逐渐加大比例系数，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数，设定的比例系数为当前值的60%～70%。比例系数调试完成。
2）确定积分时间常数。
比例系数p确定后，设定一个较大的积分时间常数ti的初值，然后逐渐减小ti，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大ti，直至系统振荡消失。记录此时的ti，设定pi的积分时间常数ti为当前值的150%～180%。积分时间常数ti调试完成。
3）再对pi参数进行微调，直至满足要求。
执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。
故有时气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。
故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。
当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。
本次设计采用增量式pid控制算法，来实现温度控制。
增量式pid控制算法公式如下：
程序流程图如图3.2所示。
温度控制算法程序如下：
*pid function
the pid (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.
pidcalc performs one iteration of the pid algorithm.
while the pid function works, main is just a dummy program showing a typical usage. *
typedef struct pid { int setpoint; /设定目标 desired value
long sumerror; /误差累计
double proportion; /比例常数 proportional const
double integral; /积分常数 integral const
double derivative; /微分常数 derivative const
int lasterror; /error[-1]
int preverror; /error[-2]
pid;static pid spid;
static pid *sptr = spid;
void incpidinit(void)
sptr->sumerror = 0;
sptr->lasterror = 0; /error[-1]
sptr->preverror = 0; /error[-2]
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