武汉理工大学《过程控制系统》课程设计说明书

为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。

2.2 系统控制量和被控量的选择

制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。

2.3 系统主副控制器的选择

在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同考虑。

副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，面且副参数则并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可以采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，而效果并不很大。在一般情况下，采用P调节器就足够了。如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。

隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副环的频率相差不大，副调节器选用P调节器即可达到设计要求。

主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，就可以考虑采用PID调节器。

隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C，为了达到精准的控制，所以在系统本设计中主调节器选用PID调节器。

2.4 系统各部分正反作用方式的确定

与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。

(1)副控制器正、反作用的选择

串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控

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制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为

（副控制器±）×（调节阀±）×（副对象±）=（-）

其中，调节阀的“±”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“±”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。

(2)主控制器正、反作用的选择

串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。

由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。

这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号，主控制器正反作用方式选择的判别式为

（主控制器±）× (主对象±）=（-）

由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；而当主对象为负作用时，主控制器选正作用。

在隔焰式隧道窑串级控制系统中，考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式，根据主、副控制器的正反选择规律分析，两个控制器都选择“反”作用方式。

2.5 隔焰式隧道窑系统的调节过程

（1)只存在二次干扰

假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度θ2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度θ1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作

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用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。

(2)只存在一次干扰

假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度θ1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量（燃烧室的温度θ2）没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度θ2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。

(3)一次干扰和二次干扰同时存在

两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。

①一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。 假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量（烧成带温度）θ1升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃烧室温度）θ2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的“反’作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据副控制器的“反”作用关系，上述两种干扰都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。

②一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。 假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量（烧成带温度）θ1下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃烧室温度）θ2升高。对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号——偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。

如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰

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还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。

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3 系统硬件电路设计

3.1 硬件设计总体思路

硬件设计主要是单片机系统设计，外围功能模块选择，I/O端口分配，通信线路选择，模拟I/O通道电路设计等，具体包括传感器、变送器的选择、控制器芯片、A/D、D/A转换，线路的连接，隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块如图5所示进行设计。

键盘 显示报警 单片机D/A伺服放大器 燃料供给阀燃烧室烧成带变送器A/D变送器传感器 传感器 图5 隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块图

3.2 单片机系统的设计

为了获得键盘输入、实时显示的功能，这里扩展使用两片单片机进行控制。 每一个单片机分别执行不同的功能，它完成了对整个系统的温度的控制及显示温度的测量值。设计中不再需要扩展I/O接口，而是用单片机取代I/O接口。一来可以减少系统复杂程度，有利于增加系统的反应速度，同时又增强了其精度，并在正常或意外停电时数据不易丢失，增强人机交互能力，且结构简单，易于安装和实现。

在本系统中，由于需要实现功能的功能相对简单，所以选择89C52型单片机，其特点是运算功能强，片内含有256KBROM，不需片外扩展ROM。其中A/D转换器采用ADC0809，满足两路采样通道的要求，D/A转换器选择DAC0832，显示采用8段数码显示管。

串级控制中，对于输入的两路信号，采用两路输入的A/D转换器转换为数字信号直接传给两片单片机。在二号单片机中通过检测温度的输入和键盘的输人的不同来控制电机的运转，检测温度的输入是存放在PA中的，键盘的输入是放在PB中的，这样可以通过两路采样，构成串级控制系统，从而实现调节温度的需求。一号单片机用来显示测量温度和存储数据，单片机系统的结构设计如图6所示。

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