基于化学反应釜过程控制系统-水温控制 - 图文 -(2)

为了对釜内温度进行较为精确的控制，有必要将反应过程分成釜内物料升温过程和化学反应开始两个阶段，其每个过程中釜内温度的变化情况有较大的差异。下面将对这两个过程加以分析。

（1）升温过程

一般的化学反应在常温条件下基本上可以忽略其反应速率，所以需要采用加热装置对釜内物料进行加热。其结构框图如下所示：

图 2 釜内升温过程结构示意图 图2 反应釜系统调节框图

此升温过程类似于工业中较为成熟的电加热炉问题，类比两者可得出反应釜内温度变化量对控制热蒸汽变化量之间的传递函数形式为：

G(s)?为一阶惯性环节。 （2）反应过程

KmTm?1

一旦化学反应开始，由于反应过程中会自动放热，所以釜内温度会升高的越来越快。当内部温度达到催化剂最适宜的温度时，化学反应达到最快。当温度超过给定值时，催化剂的活性被抑制，从而使化学反应的速率迅速下降，所以为了将釜内温度控制在某一适宜的温度范围内，所以采用对釜内进行冷剂喷雾来平衡釜内的温度，从而使釜内的化学反应始终保持在最适宜的状态下。其过程的结构框图如下所示：

图 3 反应过程中结构框图

四、系统硬件电路设计

4.1 系统硬件构成

本作品设计的控制系统硬件电路主要由主控制器、DS18B20数字温度计、输出控制电路、键盘、LCD显示电路及电源等组成，系统的硬件组成下图所示：

图4 系统硬件设计框图

主控制器采用AT89C52单片机，温度采集采用DS18B20温度传感器，不需要A/D转换电路。其测温速度快，精度高，互换性好。总体硬件电路图如下图所示：

图5 硬件电路总体电路图

4.2电源模块

电源模块功能为把220V交流电转为5V直流电，以此给电机供电。电源模块我们选择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。使用

这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。与LM2940稳压器件相比，AMS11117具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电池获得相对更长的使用时间。由于热损失小，因此无需专门考虑散热问题。而且其纹波很小，又为线性稳压芯片，可以为单片机及片外AD模块提供很稳定的工作电压！电源模块电路图如下：

图6 电源模块原理图

4.3LCD显示模块

方案一：数码管显示，由于本题要求实时的显示输出给定转速、实际速度以及PWM的占空比，数码管只能显示数字不能显示英文字符。

方案二：LED点阵显示，LED点阵显示虽然能够显示数字和字符，但是显示的效果不好，而且不易编程。

方案三：LCD液晶显示，LCD液晶显示不但能显示字符和数字，而且效果较好，且容易实现。

综上，我们选用LCD1602液晶显示，进行数据的实时显示。

图7 LCD显示电路

五、系统仿真

5.1 MATLAB仿真如下：

图8 Simulink仿真模块

图9 PID电路模块

图10 比例控制仿真效果

只有比例环节，且比例系数为1，增大KP时，可以减小系统稳态误差，加快系统响应速度，系统的超调量也随之增大，以后的峰值呈现较大振荡。

图 11 比例积分仿真效果

加上积分环节之后K=1;Ti=100，在原有的P调节上加入一个积分环节，可以改善系统的稳态性能，消除或减小系统稳态误差，产生较好的效果，最终趋于设定值。

图12 比例积分微分仿真效果

再加上微分环节，Td=50，PID调节器是常规调解中性能最好的一种调节器，加入的微分环节有降低超调量减少调节时间和上升时间的作用，改善系统的动态性能，在PID调节的作用下，兼顾快速性与无静差的特点，曲线跟快速的趋于稳定，且达到较高的调节质量。

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