反应釜温控系统的积分分离PID 算法及仿真

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1、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日计算机控制技术课程设计报告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

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

3、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。温度给定值控制器执行器被控对象温度传感器+—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PID7计算机控制技术课程设

4、计报告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

5、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

6、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：键盘LCDSTC89C52电源继电器加热电阻丝D/A温度传感器图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；7计算机控制技术课程设计报告(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

7、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7计算机控制技术课程设计报告5系统仿真及实际调试单回路控制系统仿真系统是使用MATLAB中的Simulink仿真工具来实现，由模拟PID控制器和被控对象组成，被控对象的仿真传递函数为：本次仿真用先采用常规的PID控制，在相同PID的参数下使用积分分离的PID控制搭建仿真模型，仿真得到两种算法的优劣比较。使用积分分