课程设计内容(单片机原理及接口技术).docx

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1、辽宁工业大学过程限制系统 课程设计（论文）题目： 工业废液中和过程限制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化112学 号： 110302058学生姓名：李旻轩指导老师： （签字）起止时间：3. 2执行器的选型4. 2.1执行器简介执行器是在工业生产过程自动限制系统中，以调整仪表或其他限制装置的信 号为输入信号，按肯定调整规律调整被控对象输入量的装置。它是一种工业自动 化仪表，如调整阀、挡板和电磁阀等均属此类。最常见的执行器是限制阀，也称调整阀。限制阀由执行机构和调整机构两部 分组成。执行机构可分解为两部分：将限制器输出信号转换为限制阀的推力或力 矩的部件称为力或力矩转换部件，将推力或

2、力矩转换为直线或角位移的部件称为 转换部件。调整机构将位移信号转换为流通面积的变更，变更操纵变量的数值。5. 2. 2执行器的选型依据所运用的能源，执行机构分为气动、电动和液动三类。气动类型执行机 构具有本质平安性，价格低结构简洁，应用最广泛；电动类型执行机构可干脆与 电动仪表或计算机连接，不须要电动转换环节，但价格稍贵结构困难，需考虑防 爆问题；液动类型执行机构的推力大，但体积较大，管路困难。由于是对废液中 和限制，所以选择电动调整阀作为执行器，由于考虑到平安、经济、限制效果好 等一些问题所以两个执行器都选择气开阀。综上我选择罗托克仪表限制科技有限公司旗下的IQM系列智能型电动执行 机构。I

3、QM系列电动执行机构采纳图形点阵式液晶显示器，以中文、数字、图形 等形式显示执行机构的转矩、阀门开度、限位设定等工作状态和报警。该执行机 构具有自动爱护功能和自诊断功能，由于具有隔爆功能，即使在危急区域也无需 打开正在工作中的执行机构电气箱盖就可以进行调整、参数检查、故障诊断。采 纳现场总线通讯卡，可以构成全分布式计算机协同工作系统，实现远程数据采集、 远程通讯和远程诊断与维护。IQM系列电动执行机的技术指标： 输入信号：4mA 20mA； 1VDC-5VDC； 供电电源：38（八小。5（旧2以及22（）丫人。5（旧2 基本误差限：1% 死区：0.1 %9.9%可调防爆型：防爆标记：Exd I

4、I BT4环境温度：30+90IQM系列电动执行机图片如下图所示:图3. 2IQM系列电动执行机图3. 3变送器的选型3. 3.1变送器介绍变送器是把传感器的输出信号转变为可被限制器识别的信号（或将传感器输 入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和限制的信号源）的转换器。 在模拟仪表中，标准信号通常采纳420mA, 15V, 010mA电流或电压信号， 20lOOkPa气压信号。传感器和变送器一同构成自动限制的监测信号源。不同的 物理量须要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上 面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变 送器等等。变送器

5、在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。与传 感器不同的是，变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，一般还具有肯定 的放大作用。3. 3. 2变送器的选型本次课设是废液中和过程限制目的是为了限制废液排放的pH值，但事实上 我们是通过限制加入碱的流量的多少，从而实现限制废液pH值为7的，所以此 次课设我们需选用流量变送器。现选择的是西森公司旗下的FLDC系列污水流量 变送器。对于其它厂家的变送器来说它有很大优势： 杂物、纤维不影响测量抗菌防粘型电极 :正反计量累计流量。智能自我诊断功能除此之外FLDC系列污水流量变送器还有很多特点： :测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变更的

6、影响 转换器采纳新奇励磁方式，功耗低、零点稳定、精确度高。流量范围大转换器可与传感器组成一体型或分别型转换器采纳表面安装技术，具有自检和自诊断功能FLDC系列污水流量变送器如下图所示：图3. 3FLDC系列污水流量变送器图3. 4传感器的选型传感器介绍传感器是一种检测装置，由敏感元件和转换元件组成，它能感受到被测量的 信息，并能将检测感受到的信息，按肯定规律变换成为电信号或其他所需形式的 信息输出，以满意信息的传输、处理、存储、显示、记录和限制等要求。它是实 现自动检测和自动限制的首要环节。传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各 个领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术

7、、资源 开发、海洋探测、环境监测、平安保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。几 乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感潜。3. 4. 2传感器的选型传感器选择的是上海精密公司旗下的PHS-3CT精密酸度计，仪器广泛适用 于工业、农业、科研、环保和教学等很多学科和领域。用于精密测量各种溶液的 酸度（pH值），当配上相应的离子选择电极时，能测量多种相对应的离子浓度（选择 电极之电极电位mA值），可以用作电位滴定测量显示仪，仪器具有温度测量功能。 仪器温度补偿：有自动补偿和手动补偿。它的技术参数如下：pH值范围：014.00电流范围：（）40mA温度范围：0100精确度：温度误差。0.5C； p

8、H值误差00.01供电电源：AC 220V 10%；50/60HzPHS-3CT精密酸度计图如下图所示：4.1主程序流程图4. 1. 14. 1.24.24. 2. 14. 2. 24.3第4章软件设计第5章 系统测试与分析/试验数据及分析第6章课程设计总结对所设计内容、方法、取得的效果、问题的解决方案等方面作技术方面的总 结。留意：表格内容用五号宋体或更小字号，选定某种样式后，全文应统一。参考文献1徐亲知，陈淑华.石油经济学.其次版.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1988:38-1352米契尔卡特，罗德尼马多克.合理预期理论.余永定译.北京：中国金融出版 社，1988：43-853张文中.论石油

9、价格与石油工业发展.世界石油经济，1990 (2) :14-214齐中英，叶元煦.对我国能源问题的回顾与思索.邱大雄.市场经济与中国能源发 展战略论文集.北京:原子能出版社，1992：53-58F5黄良君.大庆地区经济发展战略探讨.哈尔滨工业高校硕士学位论文.1994：23-306李欣.世界石油市场发展趋势预料.国务院发展探讨中心信息网： ： drcnet /, 2000, 217 Allamaraju SubrahmanyarrhRwfessional Java Server Programming J2EE Edition.Wrox Press, 20018 Harvard, Gareth

10、. Thematic Network in tbaQher education in Europe. XXXJJournal of Education for leaching, Vol.23, No.1,1997 小 4号宋体，折行后与文字对齐留意：中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman。参考文献不少于15篇，近5年不少于5篇，期刊占1()篇以上。附录电路图程序清单工业废水指工艺生产过程中排出的废水和废液，其中含有随水流失的工业生 产用料、中间产物、副产品以及生产过程中产生的污染物，是造成环境污染，特 殊是水污染的重要缘由。而废水往往呈酸性或者碱性，这样既污染了环境，又会

11、对水的回收利用、人们饮水带来很多危害。pH值是溶液酸度的标度单位，pH值 的限制对于提高化工产品、生物产品的质量及产量是特别重要的，同时对于提高 生产设备的平安防护及环境爱护也有及其重要的影响。然而，酸碱中和反应中 pH值呈现严峻的非线性，加之反应大多发生在容器和循环管路中，使得系统存 在较大时滞，给pH值限制不仅带来极大困难，而且奢侈大量的中和剂。针对以上特性，一般的单闭环流量限制系统不能很好地对pH值变更做出精 确、刚好的限制，所以本次课设采纳分程限制。分程限制是通过一个限制器同时 限制两个执行器，刚起先时先将小阀全开，看pH值是否满意7,当pH值不等 于7时，即pH值小于7时，开动大阀接

12、着调整，直到pH值等于7或接近于7 时停止。限制算法选择PI限制算法，对于非线性以及纯滞后系统来说PI限制器 是一种最便利也最常用的限制方法。最终设计限制器、执行器、被控对象以及变 送器的传递函数，并用MATLAB仿真，得到不同的波形图。关键词：废水处理；pH中和；分程限制；PI限制；MATLAB仿真第1章绪论01.1 课题探讨背景及探讨意义01.2 PH中和过程限制的探讨现状0第2章 课程设计的方案22.1 概述22.2 分程限制系统设计22. 2. 1分程限制概述.23. 2.2分程限制系统的设计.24. 2. 3系统总体结构框图设计.35. 2. 4系统组成总体结构设计.3第3章 系统各

13、部分的硬件选型43.1限制器的选型43. 1. 1限制器的PI限制算法.43. 1. 2限制器的选型.43.2执行器的选型53. 2. 1执行器简介53. 2. 2执行器的选型.53. 3变送器的选型63. 3. 1变送器介绍.63. 3.2变送器的选型.63.4传感器的选型73. 4. 1传感器介绍.76. 4. 2传感器的选型.7第4章软件设计94.1主程序流程图94. 1. 194. 1.294. 297. 2. 198. 2.294.39第5章 系统测试与分析/试验数据及分析10第6章 课程设计总结11参考文献12附录13第1章绪论1.1 课题探讨背景及探讨意义水是人类生命中必不行少的

14、物质，是组成生命最重要的化合物，并且在生产 生活中水也是必不行少的。pH值，亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离 子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。通常状况下 （25、298K左右），当pH7的时候，溶液呈 碱性，当pH=7的时候，溶液为中性，而我们所说的水一般指pH=7时的水。工业废水指工艺生产过程中排出的废水和废液，其中含有随水流失的工业生 产用料、中间产物、副产品以及生产过程中产生的污染物，是造成环境污染，特 殊是水污染的重要缘由。现在的工业废水的酸碱离子浓度总是达不到平衡，所以 pH值总是略高或略低，也总是会呈碱性或者是酸性，不能实现pH值=7。工业废水做好

15、处理，意义很重要。有毒废水的排放不仅会带来严峻的环境污 染并威逼着人们的身体健康。水质污染进入人体，会引起中毒。工业废水干脆流 入，会导致水生动植物的死亡，污染地下水。假如渗入土壤，会影响植物的生长。 废水的处理方法有很多，可以用物理、化学和生物的方法对废水进行处理，使废 水净化，削减污染，以至达到废水回收、复用，充分利用水资源，并且保证环境 不受到破坏。随着的发展，城市水资源短缺的压力越来越大，追究城市水危机的根本缘由， 人们越来越相识到，是水的社会循环超出了水的自然循环可承载的范围。因此， 只有充分敬重水的自然运动规律，合理地运用水资源，使上游地区的用水循环不 影响下游水域的水体功能、社会

16、循环不损害自然循环的客观规律，从而维系或复 原城市乃至流域的良好水环境，才是水资源可持续利用的有效途径。这就要求我 们从“取水一输水一用户一排放”的单向开放型的用水模式转变为“节制地取水 一输水一用户一再生水”的反馈式循环流程，提高水的利用效率。实现这一重大 用水模式的转变，加强污水再生利用是关键。随着科学技术的进步，城市污水已 不再是废水，而是一种珍贵的资源。既然是一种资源，就要最大程度的利用。提 高城市污水的再生利用率，一是可以削减污染物排放，二是节约了有限的水资源。1.2 pH中和过程限制的探讨现状酸碱中和反应是反应过程中常见的一类反应。但由于酸碱中和反应中pH值 呈现严峻的非线性，加之

17、反应大多发生在容器和循环管路中，使得系统存在较大 时滞，给pH值限制不仅带来极大困难，而且奢侈大量的中和剂。pH值滴定曲线 是非线性曲线，在中和反应过程中，不同的工作点增益相差很大，并且在实际反 应过程中还存在着混合、测量等纯滞后因素，增加了限制过程的难度。为此pH 值被公认为最难的限制变量之一。并且pH值过程滴定曲线的非线性主要表现在 中和终点旁边，此处滴定曲线的增益很大，此时添加的中和剂略有变更，就能引 起pH值较大幅度的变更；而当pH值远离中和终点时滴定曲线的增益小，只有加 入大量的中和剂，才能造成pH值的少量变更。因此pH值的限制，被认为是一个典型的非线性严峻的限制系统。由于这些 特点

18、，pH值限制系统的设计始终是过程限制界的难点和探讨热点。弄清pH中和 限制过程的原理，并在计算机上模拟其限制过程及参数扰动的影响,对限制系统的 分析与设计具有重要的指导作用。随着电子技术的发展，很好地提高了仪器的性能和自动化程度。但是pH值 的限制由于其高度非线性而依旧存在很多困难。目前，pH中和过程的限制方法主 要包括早期的传统PID限制方法和后期的现代限制方法与智能限制方法。由于传 统限制主要是基于模型的限制，而被控对象越来越困难，很多不确定性难以用精 确的数学方法加以描述。第2章课程设计的方案2.1概述PH计时用来测量费也氢离子浓度的一种仪器。氢离子浓度越大，PH值越小, 但PH计输出的

19、电流就越大。当液体为酸性时，加入适量碱液使废液中和，此时 加酸的阀门关闭。当废液呈碱性时，此时加入适量酸使废液呈中性，此时加碱的 阀门关闭。现假设废液为酸性的，则用两个电动调整阀，一个粗调，一个细调从 而限制加入碱的量。故此系统采纳的是同向分程限制。本试验的要求如下：1 .测量范围:0-80C；测量范围：0-10pH；2 .限制点：70.5 pH ；3 .最大偏差：2 pH；1. 2分程限制系统设计2. 2.1分程限制概述一般来说，一台调整器的输出仅操纵一只调整阀，若一只调整器去限制两个 以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种限制方式习惯上 称为分程限制。分程限制系统中，依据

20、执行器的气开、气关类型和分程工作范围 的不同，分程限制系统可分为四种不同的结构类型。分为：气开气开、气关气关 同向分程；气开气关、气关气开异向分程。现选择气开气开同向分程系统。一般 调整阀分程动作采纳同向规律的是为了满意工艺上扩大可调比的要求；反向规律 的选择是为了满意工艺的特殊要求。3. 2. 2分程限制系统的设计(1)不同工况须要不同限制手段：就废液中和处理来说，刚起先时先将小阀全 开，看pH值是否满意7,当pH值不等于7时，即pH值小于7时，开动大阀接 着调整，直到pH值等于7或接近于7时停止。同一个流量限制器须要限制粗调 阀和细调阀两个限制阀，因此须要分程限制。(2)扩大限制阀的可调范

21、围:为了使限制系统在小流量和大流量时都能够精确 限制，应扩大限制阀的可调范围R,黠雪舞g,也称为可调比。控制阀最小可倜节流量(3)分程限制系统中限制阀的泄漏量：当压力为O.IMPa时定义流量为最大流量；当压力为0.02MPa时定义流量为最小流量；当压力为OMPa时定义流量为泄 漏量；(4)分程限制系统工作范围：一般限制阀工作范闱为().O2().lMPa,而分程限 制系统的两个限制阀分别为：0.020.06MPa对应V2阀和0.060.1 MPa对应VI 阀，为此，可采纳阀门定位器或选择不同的限制阀弹簧使限制阀分别工作在不同 工作范围。2. 2. 3系统总体结构框图设计分程系统总体结构框图如图

22、2.1所示:图2.1分程系统总体结构框图R(s)3. 2. 4系统组成总体结构设计废液中和过程限制系统的总体结构设计如图2.2所示:图2. 2废液中和过程限制系统的总体结构设计图第3章系统各部分硬件的选型3.1 限制器的选型3.1.1 限制器的PI限制算法在过程限制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行限制的PID 限制器（亦称P1D调整器）是应用最为广泛的一种自动限制器。而PI限制算法它 具有原理简洁，易于实现，适用面广，限制参数相互独立，参数的选定比较简洁 等优点；而且在理论上可以证明，对于过程限制的典型对象一“一阶滞后+纯 滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的限制对象，PI限制是一

23、种最简洁便利的限制算 法。4. 1.2限制器的选型在废液中和过程限制系统中pH值为被控参数，以加碱的多少为限制变量的分 程限制系统，依据：KmKvKpKc0,执行器都为气开阀，所以限制器应当为正作用， 从而使主限制回路、副限制回路构成一个负反馈系统。我选择的限制器是上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调整 仪表，其中SA-12智能调整仪限制挂件为AI-818型，SA-13智能位式调整仪为AI-708 型。AI-818型仪表为PID限制型，输出为420mADC信号；而AI-708型仪表为位式 限制型，输出为继电器触点开关量信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上 位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。AI系列全通用人工智能调整仪表如下图所示：图3.1AI系列全通用人工智能调整仪表图