课程设计任务书
中北大学
课程设计说明书
学院：机械与动力工程学院
专业：过程装备与控制工程
题目：夹套式反应器温度串级控制系统设计指导教师：吕海峰职称: 副教授
中北大学课程设计说明书
目录
1、概述 (1)
1.1化学反应器基本介绍 (1)
1.2夹套式反应器控制要求 (2)
2、被控对象特性研究 (3)
2.1建立动态数学模型 (3)
2.2被控变量与控制变量的选择 (6)
2.3夹套式反应器扰动变量 (6)
3、控制系统方案确定 (7)
3.1主回路的设计 (8)
3.2副回路的设计 (8)
4、过程检测仪表的选型 (9)
4.1测温检测元件及变送器 (9)
4.2主、副控制器正、反作用的选择 (12)
4.3控制系统方框图 (13)
5、系统仿真，分析系统性能 (13)
5.1各个环节传函及参数确定 (13)
5.2控制系统的仿真及参数整定 (14)
5.3 系统性能分析 (17)
6、课程设计总结 (18)
7、参考文献 (19)
1 概述
1.1化学反应器的基本介绍
反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。
化学反应器可以按进出物料状况、流程的进行方式、结构形式、传热情况四
个方面分类：
一、按反应器进出物料状况可分为间歇式和连续式反应器
通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。间歇式反应器是将反应物
料分次获一次加入反应器中，经过一定反应时间后取出反应中所有的物料，然后重新加料在进行反应。间歇式反应器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反应时间长活对反应过程的反应温度有严格程序要求。
连续反应器则是物料连续加入，化学反应连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形式。
二、从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类
物料在通过反应器后不再进行循环的流程称为单程，当反应的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。如果反应速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反应器转化不完全，则必须在产品进行分离后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送送入反应器进行反应。这种流程称为循环流程。
三、从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。
四、从传热情况可分为绝热式反应器和非绝热式反应器[1]。
绝热式反应器与外界不进行热量交换，非绝热式反应器与外界进行热量交换。一般当反应过程的热效应大时，必须对反应器进行换热，其换热方式有夹套式、蛇管式、列管式等。如今用的最广泛的是夹套传热方式，且采用最普通的夹套结构居多。随着化学工业的发展，单套生产装置的产量越来越大，促使了反应设备的大型化。也大大促进了夹套反应器的反展。
夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比
较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。
化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。
设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。
1.2 夹套式反应器的控制要求
1 质量指标
夹套式反应器的质量指标一般是反应转化率或反应生成物的浓度。转化率是
直接质量指标，如果转化率不能直接测量可选取与它相关的变量来计算间接反映出转化率的大小。如出口温度与转化率的关系为：0()/i i y C x H γθθ=-式中y 是转化率，0θ、i θ分别是进料温度和出料温度，γ是进料重度，C 是物料的比热容，i x 是进料浓度，H 是单位质量进料的反应热。因为成分分析仪表价格高，维护困难等原因。通常采用温度作为间接质量指标，有时辅以夹套式反应器的压力和处理量（流量）等控制系统，满足夹套式反应器正常操作的控
2 物料平衡和能量平衡
为使反应正常操作，反应转化率高，需要保持进入夹套式反应器各种物料量
份额或物料的配比符合要求。为此对进入夹套式反应器的物料常采用流量的定值控制或比值控制。此外部分物料循环的反应的过程中为保持原料的浓度和物料平衡需设置辅助控制系统。
由于反应过程有热效应，因此应该设置相应的热量平衡控制系统。能量平衡控制要保持化学反应器的热量平衡。应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反应器来说是重要的，它关系到安全生产，也间接的保证了化学反应器的产品质量达到了生产工艺要求。
3 约束条件
约束条件防止夹套式反应器的过程变量进入危险工作区或不正常工况。必须设置相应的参数反应到控制系统中。假设本设计是在一般条件下的反应器装置，没有爆炸危险，因此只
涉及了反应液液位报警系统，在反应器内反应液液位过高或过低时系统将发出报警信号[1]。
2 被控对象特性研究
2.1建立动态数学模型
绝大部分被控工业对象都是具有稳定性，是一个开环稳定的对象。通常，化学反应过程伴有强烈的热效应。有的是吸热，也有的是放热。然而本反应器的反应设置为放热反应。对于具有放热效应的对象，因外干扰式反应器温度升高，随着反应速度的加快，释放的热量也迅速增多，最终导致温度不断上升。因此对于这种具有正负反馈性质的放热器，在外扰作用下，温度的变化将向两个极端方向发展：一种是温度一直上升，最终使反应器急速终了；另一种是若外扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止。不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反应过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳定的对象。
化学反应过程涉及物料、能量平衡、反应动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。以夹套式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。其中夹套式液相反应器装置如图1所示：
图1 夹套式反应器
1 基本动态方程式 （1）基本假设
①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；
②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同； ③传热系数U 和比热Ca 、Cb 恒定不变； ④管壁热容忽略不计；
⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。 （2）系统基本方程式的建立
对内管流体A 列写微元d τ的热量衡算式：
式中：
同理可得外管流体B 的热量衡算式： 式中：
（3）偏微分方程的求解：
在化工过程中，有很多典型操作单元如套管式和列管式换热器、填充式精馏塔和吸收塔、管式和固定床式反应器等都属于分布参数对象，它们的动态方程为偏微分方程。
偏微分方程的求解方法主要有传递函数法、分段集总化处理方法、正交配置法和数值解法。
对于较简单的（自变量不大于两个，线性定常）偏微分方程，一般可以通过传递函数法
求解。
(,)[(,)(,)](,)(,)(,)?=-+???
?-+?????
A a a
B A a a A A a a A T t M
C d UAd T t T t C T t t T t C T t d τττττωττωτττ11(,)(,)[(,)(,)]???+=-??A A B A T t T t T a T t T t t τττττ11==a a a a
M UA
T a C ωω22(,)(,)[(,)(,)]
??+=-??B B A B T t T t T a T t T t t τττττ
22=
=
b
b
b b
M UA
T a C ωω
①首先进行由时间域t 到复域S 的拉氏变换，在TA 、TB 取增量形式时，初始条件为0，由式可得：
②进行由距离域τ到复域Ｐ的拉氏变换，边界条件如下：
令AP=(Φ1-Φ2)2+4a1a2，则式(4.42)右端分母可写为： TA0对TA1 、TB1的传递函数,以及TB0对TA1 、TB1的传递函数可以表示成矩阵的形式：
2 模型的简化：
有上式整理得被控对象传函为：
111()1p
s
P P P K e G s T s τ=
+;
222()1D D D K G s T s =+
1122(,)
(,)[(,)(,)](,)
(,)[(,)(,)]
+
=-+=-A A B A B B A B dT S T ST S a T S T S d dT S T ST S a T S T S d ττττττττττ01100110(,)()(,)()(,)()
(,)()
========A A A A B B B B T S T S T S T S T S T S T S T S ττττττττ111212(,)(,)()[(,)(,)](,)(,)()[(,)(,)]
+-=-+-=-A A A B A B B B A B T ST P S PT P S T S a T P S T P S T ST P S PT P S T S a T P S T P
S 2121212
222
22
121212121212
2
2
12()2242244
2+Φ+Φ+ΦΦ-Φ+ΦΦ+Φ+ΦΦΦ+Φ-ΦΦ+=+?+-
Φ+Φ?
?=+- ?????
P P a a a a P P
P 12()22110101212()sinh 2()()()()2sinh
(-Φ+Φ?
+Φ-Φ?????=????????+Φ-Φ?A A B B a T S T S T S T S a
2.2 被控变量和控制变量的选择
1 被控变量的选择
（1）主被控变量的选择
根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。
（2）副被控变量的选择
从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，把对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时冷却水温度变化是主要扰动，包括水温变化、水量变化等许多的扰动。因此采用夹套水温度作为副被控变量。这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。
2 控制变量的选择
控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。在夹套式反应器中反应温度和夹套水温度构成的T-T串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。
2.3 夹套式反应器的扰动变量
夹套式反应器的扰动变量有进料口反应液的流量、出料口生成液的流量、夹套中冷水的流量、冷却水温度变化、反应器内压力等多个扰动变量，其中冷却水温度的变化是主要扰动。这些扰动变量有可控的和不可控的。
当扰动变量作用下反应转化率或反应生成物组分与温度、压力等参数之间不出现单值函数关系时，需要根据工况变化补偿温度控制系统的给定值。
3 控制系统方案确定
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。它的主要特点是如下：
（1）能迅速克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力； （2）改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高；
（3）串级系统可以消除副过程的非线性特性和由于调节阀流量特性不适合而造成的对控制质量的影响；
（4）串级控制系统可以兼顾两个变量，更精确控制操纵变量； （5）串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要时可切除副调节器。
根据设计题目为夹套式反应器温度串级控制控制系统设计，假设该反应器用于常态常压反应，因此选择控制方案为夹套式反应器反应温度与夹套水温度构成的T-T 串级控制方案。
图2 串级系统控制流程图
如图2所示；被控过程有三个热容器：即夹套中的冷却水、反应器壁和反应器中的物料。由于从干扰引起反应温度1T 下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要经过三个热容过程。控制通道的时间常数和容量滞后较大，最终使1T 调节不及时而出现较大的偏差。图中控制器
2T C 用于克服干扰2F 对夹套水温度2T 的影响通过稳定夹套水温度来及时抑制干扰2F 对反应温度1T 产生的影响。但是控制器2T C 不能克服干扰1F 对1T 的影响.因而也就不能保证1T 符合工艺
要求。为此要根据反应器内的情况，适当改变2T C的设定值2r T。确定夹套水温度能使1T稳定在工艺要求的数值上，即有控制器1c T根据1T与1r T的偏差来自动改变2T C设定值2r T[3]。
3.1 主回路的设计
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，主回路的设计可用单回路控制系统的设计原则进行。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。如图3所示；
图3 串级控制系统主回路
3.2 副回路的设计
副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择副参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此可设计出系统的副回路。如图4所示；
图4 串级控制系统副回路
4 过程检测仪表的选型
4.1 测温检测元件及变送器
1 温度检测元件
图5热电偶的分度规格及特性表
由于主、副回路的温度变送器的温度范围相差不大可以忽略，因此两个热电偶可以选择相同的。假设该夹套式反应器用于普通常压的情况下100℃条件下的反应。由此可选镍铬-铜镍（GB/T4993-1998）的热电极代号为EP 。在温度测量环节可用以下的一节化解来近似：
1()()()1m TM
TM s T s K
G s T s T ==+式中，TM K 与测量仪表的量程有关。10T >为温度测量环节的时间常数，
单位为分，min.在实际过沉重这些参数基本不变。这里假设，主温度仪表量程为50~150℃，副温度仪表量程为0~500℃，测量环节的时间常数11min T =。而各仪表输出经归一化后均为
0~100%，因而有
1,max1,min
1
1,max1,min
1%/
M M
TM
T T
K C
T T
-
==?
-,
2
5%/
TM
K C
=?。可选出上述的热电偶[4]。
在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图6所示：
图6 补偿导线作用
用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。
2 温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。
如图7所示；给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。
电量
图7 温度变送器原理方框图
图8 智能温度变送器
本设计采用镍铬-铜镍EP-II型热电偶温度变送器。
3 执行器
。
图9 气动球阀
内螺纹连接球阀及对焊连接球阀分为整体式、两段式及三段式。阀体铸造，结构合理、造型美观。阀座采用弹性密封结构，密封可靠，启闭轻松。可设置90°开关定位机构，根据需要加锁以防止误操作。内螺纹连接不堪阀及对焊连接球阀适用于PN1.0～4.0MPa,工作温度-29～180℃（密封圈为增强聚四氟乙烯）或-29～300℃（密封圈为对位聚苯）的各种管路上，用于截断或接通管路中的介质，选用不同的材质，可分别适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋
酸、氨盐水、中和水等多种介质。
假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且
()
()()v v V
f s G s K u s =
=式中v f 为调节
阀的流通面积，V K 通常在一定范围内变化，这里假设(0.5~1.0)%/%V K =（即控制器的输出变化1%，调节阀的相对流通面积变化0.5%~1.0%）[5]。 4 调节器
图10 智能温度变送器
选择SK －808/900系列智能PID 调节仪
智能PID 调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID 调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID 调节和控制、报警控制、数据采集、记录。
4.2 主、副控制器正、反作用的选择
假设夹套式反应器中反应为放热反应。则选择如下： （1）控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀0v k <； （2）副控制对象（2T T ）：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此20
p k <；
（3）副控制器（2T C ）：为保证负反馈，应满足
2220
c v p m k k k k >，因此20m k >，应选20c k >，
即选用反作用控制器；
（4）主被控对象（1TT ）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因此
10
p k >；
（5）主控制器（1T C ）：为保证负反馈，应满足
1110
c p m k k k >，因此10m k >，应选10c k >，
即选用反作用控制器。[3]
4.3 控制系统方框图
图11 反应温度与夹套水温度串级控制系统方框图
如图11所示；反应温度与夹套温度构成串级控制系统，反应温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量。反应温度控制器的输出作为夹套温度控制的设定值。
此温度串级控制系统的具体工作过程为：当工况稳定时，物料的流量和温度不变，冷却水的压力和温度稳定。反应温度和夹套水温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定开度，1T
F会影响夹套水的温度，副控也稳定在设定值上。如果工况平衡被破坏，一方面冷却水干扰2
制器动作，控制调节阀改变冷却水流量，以克服其对夹套水温度的影响。如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不会影响反应温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反应温度，此时再通过主控制器的进一步调节，就可以完全克服上述扰动。若
F使反应温度变化，通过主回路即可抑制其影响。显然由于副回路的存在加快了控进料干扰1
制作用，使扰动对反应温度的影响比单回路要小[5]。
5 系统仿真及性能分析
5.1 各个环节传函及参数确定
由于被控变量的选择中可知主被控变量为反应器内的反应温度，副被控变量为夹套内冷
却水的温度。由设计可知；主扰动为进料口进料流量，副扰动为冷却水流量。
依据文献资料[2]可做以下假设：
1）夹套式反应器反应温度对象，控制通道与扰动通道：111()1p
s
P P P K e G s T s τ=
+， 111()1D s D D D K e G s T s τ=+。
2）夹套冷却水温度对象，控制通道与扰动通道： 222()1P P P K G s T s =
+，2
22()1D D D K G s T s =
+。
3）测量变送环节：1()1QM
LM K G s T s =
+，
式中K QM 与测量仪表的量程有关，T 1>=0为流量测量环节
的时间常数 ，单位为分钟，在实际过程中这些参数基本不变。
4）执行器/控制阀：其流量特性为线性或等百分比，动态滞后可忽略不计
1
)()
()(===v v v K s u s f s G
假设值为：
25/(/)P K C T hr =?，22min P T =，21/(/)D K C T hr =? 24min D T =，15/(/)P K C T hr =?，14min p T =，3min P τ= 12/(/)D K C T hr =?，13min D T =,2min
D τ=
根据夹套式反应器的工艺指标及工艺要求，该系统设计的控制算法选择PID 算法。
5.2 控制系统的仿真及参数整定
1 控制系统的SIMULINK 仿真
得到串级控制系统SIMILINK 仿真模型，如图12所示；
图12 夹套式反应器温度串级控制系统SIMULINK模型
2 串级控制系统PID参数整定方法
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法。
1）本次串级设计的副回路参数整定采用经验法[4]
步骤一：首先设定温度控制器PID参数的初始值
K
c =2， T
i
=1.5min， T
d
=0min
步骤二：再根据设定值跟踪速度快慢，调整控制器增益K
c
直至满意。可得到系统副回路输出图如图13所示。
调整后系统副回路输出图如图14所示。
目录 第一章课程设计要求及电路说明 (3) 1.1课程设计要求与技术指标 (3) 1.2课程设计电路说明 (4) 第二章课程设计及结果分析 (6) 2.1课程设计思想 (6) 2.2课程设计问题及解决办法 (6) 2.3调试结果分析 (7) 第三章课程设计方案特点及体会 (8) 3.1 课程设计方案特点 (8) 3.2 课程设计心得体会 (9) 参考文献 (9) 附录 (9)
第一章课程设计要求及电路说明 1.1课程设计要求与技术指标 温度控制器的设计 设计要求与技术指标： 1、设计要求 （1）设计一个温度控制器电路； （2）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图； （3）撰写设计报告。 2、技术指标 温度测量范围0—99℃，精度误差为0.1℃；LED数码管直读显示；温度报警指示灯。
1.2课程设计电路说明 1.2.1系统单元电路组成 温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。 1.2.2设计电路说明 主控制器：CPU是整个控制部分的核心,由STC89C52芯片连同附加电路构成的单片机最小系统作为数据处理及控制模块. 显示电路：显示电路采用4个共阳LED数码管，用于显示温度计的数值。报警电路：报警电路由蜂鸣器和三极管组成，当测量温度超过设计的温度时，该电路就会发出报警。 温度传感器：主要由DS18B20芯片组成，用于温度的采集。 时钟振荡：时钟振荡电路由晶振和电容组成，为STC89C52芯片提供稳定的时钟频率。
第二章课程设计及结果分析 2.1课程设计 2.1.1设计方案论证与比较 显示电路方案 方案一：采用数码管动态显示 使用一个七段LED数码管，采用动态显示的方法来显示各项指标，此方法价格成本低，而且自己也比较熟悉，实验室也常备有此元件。 方案二：采用LCD液晶显示 采用1602 LCD液晶显示，此方案显示内容相对丰富，且布线较为简单。 综合上述原因，采用方案一，使用数码管作为显示电路。 测温电路方案 方案一：采用模拟温度传感器测温 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 方案二：采用数字温度传感器 经过查询相关的资料，发现在单片机电路设计中，大多数都是使用传感器，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 综合考虑，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。 2.1.2设计总体方案 根据上述方案比较，结合题目要可以将系统分为主控模块，显示模块，温度采集模块和报警模块，其框图如下：
计算机控制课程设计 报告 设计题目：电阻炉温度控制系统设计 年级专业：09级测控技术与仪器 化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产
生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。 1.1电阻炉组成及其加热方式 电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加
热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件， （4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性; （5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃; （6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
简易水温控制器设计报告 目录 一．设计要求 (2) 二．设计作用、目的 (2) 三.设计的具体实现 (3) 1.系统概述 (3) 2.单元电路设计、仿真与分析 (4) 四.心得体会及建议 (21) 五.附录 (23) 六.参考文献 (25)
简易水温控制器设计报告 一．设计要求 设计一个简易的水温控制器，在市电的情况下，能够检测容器内水的温度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内。 （1）.当温度小于t1时，两个电阻丝同时通电加热，将容器内的水加热； （2）.当水温大于t2，但小于t1时，仅一根电阻丝通电加热； （3）.当水温大于t2时，两根电阻丝都不通电； （4）.用显示电路显示出开关通断情况； （5）.电源：220V/50HZ的工频交流电供电； （6）.根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程； （7）.利用Multisim软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单。 二．设计作用、目的 模拟电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过课程设计，要求达到以下目的。 （1）.通过水温控制器的设计，使我们能够巩固和加深对模拟电子电路基本知识的理解，了解日常电子产品的设计与应用； （2）.培养学生根据课题需要选学参考书籍，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。 （3）.通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元
器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。 （4）.了解与课题有关的电子电路及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。 三.设计的具体实现 1.系统概述 水温控制器电路的总体框图如图所示。它由水温检测电路、比较电路、电阻丝开关电路，显示电路和电源电路5部分组成。 图1 简易水温控制电路的总体框图 水温检测电路的功能是利用温度传感器的特性检测水温的变化，在这里利用可变电阻代替热敏电阻，同时将温度信号转化为电信号。比较电路的功能是利用比较器的原理实现水温范围的确定，同时利用滞回比较器的迟滞特性来避免跳闸现象。电阻丝开关电路的功能是完成控制电路和对水温的加热。显示电路的功能是利用发光二极管将电阻丝通电与否显示出来。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。
nd impr ove idl e land of utilizati on, real a chi eved envir onme nt improved a nd productivity development mut ual prom oting total wi n. Five, firmly implement, promoti ng work ahead, to create hig hlights. T hird depl oyment, impl ementation of seve n, the n it is imperative to stre ngthe n responsibility a nd impr ove the mechanisms and impleme ntation. All localities a nd departments m ust be convi nce d that goal s, goi ng all out, mustering spirit, w ork together t o ensure that thi s year's obje ctives carry out tasks, at the forefront. First, we m ust strengthen the leader shi p to implement. Departments at all level s shoul d always w ork and rural "five water treatment", "three to split" in a n important position, and carry the mai n responsibi lity, main lea der personally, leaders arre sted and layers of responsi bility rank transmissi on pre ssure e stabli she d hierarchical a ccountabilit y, and work together to pr omote the w ork of the mechani sm, a concerted effort pay attention to impleme ntation. County nong ban, flood, three to one dow n to further play a leadi ng catch total, integrate d and coordi nated role of all kinds is "long", "Sheriff" "Inspector" to 0.95m 3 夹套反应釜设计计算说明书 一、罐体和夹套设计计算 1.1 罐体几何尺寸计算 1.1.1 选择筒体和封头的形式 选择圆柱筒体及椭圆形封头。 1.1.2 确定筒体内径 已知设备容积要求0.95m 3 ，按式（4-1）初选筒体内径： 式中，V=0.95m 3 ，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i =H 1/D 1=1～1.3，取 i =1.3，代入上式，计算得 3 31440.95==1.032i 3.14 1.1V D π?? ? 将D 1的估算值圆整到公称直径系列，取D 1=1100mm ， 1.1.3 确定封头尺寸 标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm ，选取直边高度h 2=25mm 。 1.1.4 确定筒体高度 当D 1=1100mm, h 2=25mm 时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V 封=0.1980 m 3 ，由附表D-1查得 筒体1m 高的容积V 1m =0.950 m 3 ，按式（4-2）: H 1=(V-V 封)/V 1m =（0.950-0.198）/0.95=0.7916m 考虑到安装的方便，取H 1=0.9m ，则实际容积为 V= V 1m ×H 1+ V 封=0.950×0.9+0.198=1.053 m 3 1.2 夹套几何尺寸计算 1. 2.1 选择夹套结构 选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 1.2.2 确定夹套直径 查【2】表4-3, D 2= D 1+100=1100+100=1200mm 。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。 1.2.3 确定夹套高度 装料系数η=操作容积/全容积=0.9/0.95=0.85 按式4-4计算夹套高度： H 2≥(ηV- V 封)/ V 1m =(0.85×1.053-0.198)/0.95=0.734 m 取H 2=750mm 。选取直边高度h 2=25mm 。 1.2.4 校核传热面积 查【2】附表D-2，由D 1=1100mm ，得罐体封头表面积F 1封=1.3980 m 2 查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F 1m =3.46 m 2 31 4i V D π ?罐体结构示意图
学号 天津城建大学 过程控制课程设计 设计说明书 某加热炉温度控制 起止日期：2014 年6 月23 日至2014 年6 月27 日 学生姓名 班级 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2014年6月27 日
天津城建大学 课程设计任务书 2013 -2014学年第2学期 控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级13电气11班 姓名学号 课程设计名称：过程控制 设计题目：某加热炉温度控制 完成期限：自2014 年6 月23 日至2014 年 6 月27 日共1 周设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务 某温度过程在阶跃扰动1/ ?=作用下，其温度变化的数据如下： q t h 试根据实验数据设计一个超调量25% δ≤的无差控制系统。具体要求如下： p （1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表； （4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 二、设计要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下结果： （1）超调量 （2）峰值时间 （3）过渡过程时间 （4）余差 （5）第一个波峰值 （6）第二个波峰值 （7）衰减比 （8）衰减率 （9）振荡频率 （10）全部P、I、D的参数 （11）PID的模型 （12）设计思路
三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。 四、参考资料 [1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期：年月日
基于单片机的温度控制器设计 内容摘要：该温度报警系统以AT89C51单片机为核心控制芯片，实现温度检测报警功能的方案。该系统能实时采集周围的温度信息，程序内部设定有报警上下限，根据应用环境不同可设定不同的报警上下限。该系统实现了对温度的自动监测和自动调温功能。 关键词：AT89C51ADC0808 温度检测报警自动调温 Abstract：The temperature alarm system AT89C51 control chip, realize temperature detection alarm function scheme. The system can collect real-time temperature information around that internal procedures set alarm equipped, according to different application environment can be set different alarm upper. The system realizes the automatic monitoring of temperature. The instrument can achieve the automatic thermostat function. Keywords：AT89C51 ADC0808Temperature detectingalarmautomatic thermostat 引言：本课题是基于单片机的温度控制器设计，经过对对相关书籍资料的查阅确定应用单片机为主控模块通过外围设备来实现对温度的控制。实现高低温报警、指示和低温自加热功能（加热功能未在仿真中体现）。 1．设计方案及原理 1.1设计任务 基于单片机设计温度检测报警，可以实时采集周围的温度信息进行显示，并且可以根据应用环境不同设定不同的报警上下限。 1.2设计要求 (1)实时温度检测。 (2)具有温度报警功能。 (3)可以设报警置温度上下限。 (4)低于下限时启动加热装置。 1.3总体设计方案及论证
单片机课程设计 说明书 专业：机械设计制造及其自动化 设计题目：智能温控器 设计者： 指导老师： 设计时间：
一、课题名称：一个基于51单片机的智能温控器课程 设计 二、主要技术指标及工作内容和要求：本设计以MCS-51系列单片机为核心，采用常用电子 器件设计，一个电源开关，两个控制温度设定按键（增大/减小），四位数码管分别显示设 定温度和实际温度，量程为0~99度，打开电源开关后设定温度初始化为26度。 1，按键输入采用中断方式，两个按键分别接INT0和INT1。 2，采用铂电阻（Pt100)温度传感器进行温度测量，模数转换采用ADC0809。 3，单片机根据设定温度S和实测温度P控制继电器R的动作，死区设为2度：当P<=S-1时，控制R接通电加热回路; 当P>S+1时，控制R断开电加热回路； 当S-1 有搅拌装置的夹套反应釜 前言 《化工设备机械基础》化学工程、制药工程类专业以及其他相近的非机械类专业，对化下设备的机械知识和设计能力的要求而编写的。通过此课程的学习，是通过学习使同学掌握基本的设计理论并具有设计钢制的、典型的中、低、常压化工容器的设计和必要的机械基础知识。 化工设备机械基础课程设计是《化工设备机械基础》课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学生体察工程实际问题复杂性，学习初次尝试化工机械设计。化工设计不同于平时的作业，在设计中需要同学独立自主的解决所遇到的问题、自己做出决策，根据老师给定的设计要求自己选择方案、查取数据、进行过程和设备的设计计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的比较分析，择优选定最理想的方案和合理的设计。 化工设备课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节。在教师指导下，通过裸程设计，培养学生独立地运用所学到的基本理论并结合生产实际的知识，综合地分析和解决生产实际问题的能力。因此，当学生首次完成该课程设计后，应达到一下几个目的： ⑴熟练掌握查阅文献资料、收集相关数据、正确选择公式，当缺乏必要的数据时，尚需要自己通过实验测定或到生产现场进行实际查定。 ⑵在兼顾技术先进性、可行性、经济合理的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全可 行所需的检测和计量参数，同时还要考虑改善劳动条件和环境保护的有效措施。 ⑶准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设计计算及选型。 ⑷用精炼的语言、简洁的文字、清晰地图表来表达自己的设计思想和计算结果。 化工设备机械基础课程设计是一项很繁琐的设计工作，而且在设计中除了要考虑经济因素外，环保也是一项不得不考虑的问题。除此之外，还要考虑诸多的政策、法规，因此在课程设计中要有耐心，注意多专业、多学科的综合和相互协调。 前言 温度是一种最基本的环境参数,日常生活和工农业生产中经常要检测温度。传统的方式是采用热电偶或热电阻,但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过AD 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口,使得硬件电路结构复杂,制作成本较高。近年来，美国DALLAS公司生产的DSI18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中。 随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中.其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等. 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE_）的结晶.目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路.有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU),并且可通过软件来实现测试功能,即智能化取决于软件的开发水平。 为了准确获取现场的温度和方便现场控制，本系统采用了软硬件结合的方式进行设计，利用LED数码管显示温度,利用DS18B20检测当前的温度值，通过和设定的参数进行比较，若实测温度高于设定温度，则通过555定时器产生频率可变的报警信号，若实测温度低于设定温度，则加热电路自动启动，到达设定温度后停止。在软件部分，主要是设计系统的控制流程和实现过程，以及各个芯片的底层驱动设计已达到所要求的功能。在近端与远端通信过程中，采用串行MAX232标准，实现PC机与单片机间的数据传输。 郑州科技学院 《模拟电子技术》课程设计 题目温度控制器 学生姓名 专业班级 学号 院（系）信息工程学院 指导教师 完成时间 2015年12月31日 郑州科技学院 模拟电子技术课程设计任务书 专业 14级通信工程班级 2班学号姓名 一、设计题目温度控制器 二、设计任务与要求 1、当温度低于设定温度时，两个加热丝同时通电加热，指示灯发光； 2、当水温高于设定温度时，两根加热丝都不通电，指示灯熄灭； 3、根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，并写出详细的设计过程； 4、利用Multisim软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单； 5、安装调试并按规定格式写出课程设计报告书. 三、参考文献 [1]吴友宇.模拟电子技术基础[M]. 清华大学出版社,2009.52~55. [2]孙梅生.电子技术基础课程设计[M]. 高等教育出版社,2005.25~28. [3]徐国华.电子技能实训教程[M]. 北京航空航天大学出版社,2006.13 ~15. [4]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2008.22~25. [5]翟玉文等.电子设计与实践[M].北京:北京中国电力出版社,2005.11~13. [6]万嘉若,林康运.电子线路基础[M]. 高等教育出版社,2006.27 ~29. 四、设计时间 2015 年12月21 日至2015 年12 月31 日 指导教师签名： 年月日 本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长、具有一定的实用性等优点的温度控制电路。本文设计了一种温度控制器电路，该系统采用模拟技术进行温度的采集与控制。主要由电源模块，温度采集模块，继电器模块组成。 现代社会科学技术的发展可以说是突飞猛进，很多传统的东西都被成本更低、功能更多、使用更方便的电子产品所替代，本课程设计是一个以温度传感器采用LM35的环境温度简易测控系统，用于替代传统的低精度、不易读数的温度计。但系统预留了足够的扩展空间，并提供了简单的扩展方式供参考，实际使用中可根据需要改成多路转换，既可以增加湿度等测控对象，也能减少外界因素对系统的干扰。 首先温度传感器把温度信号转换为电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入两个反向输入的运算放大器组成的比较器电路，让电位器来改变温度范围的取值，最后信号送入比较器电路，通过比较来判断控制电路是否需要工作。此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定是否加热。 关键词：温度传感器比较器继电器 夹套反应釜设计计算说明书 一、罐体和夹套设计计算 罐体几何尺寸计算 选择筒体和封头的形式 选择圆柱筒体及椭圆形封头。 确定筒体内径 已知设备容积要求，按式（4-1）初选筒体内径： 式中，V=，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i =H 1/D 1=1～，取 i =，代入上式，计算得 1D ? 将D 1的估算值圆整到公称直径系列，取D 1=1100mm ， 确定封头尺寸 标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm ，选取直边高度h 2=25mm 。 确定筒体高度 当D 1=1100mm, h 2=25mm 时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V 封= m 3，由附表D-1查得筒体1m 高的容积V 1m = m 3，按式（4-2）: H 1=(V-V 封)/V 1m =（）/= 考虑到安装的方便，取H 1=，则实际容积为 V= V 1m ×H 1+ V 封=×+= m 3 夹套几何尺寸计算 3 14i V D π ?罐体结构示意图 选择夹套结构 选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 确定夹套直径 查【2】表4-3, D 2= D 1+100=1100+100=1200mm 。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。 确定夹套高度 装料系数η=操作容积/全容积== 按式4-4计算夹套高度： H 2≥(ηV- V 封)/ V 1m =× m 取H 2=750mm 。选取直边高度h 2=25mm 。 校核传热面积 查【2】附表D-2，由D 1=1100mm ，得罐体封头表面积F 1封= m 2 查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F 1m = m 2 校核传热面积： 实际总传热面积F=F 筒+ F 1封=F 1m ×H 2 +F 1封=×+= m 2> m 2，可用。 罐体及夹套的强度计算 确定计算压力 按工艺条件，罐体内设计压力P 1=；夹套内设计压力P 2= 液体静压力P 1H =ρgH 2×10-6=1000×××10-6=，取P 1H = 计算压力P 1c =P 1+P 1H =+= 夹套无液体静压，忽略P 2H ，故P 2c =P 2。 选择设备材料 分析工艺要求和腐蚀因素，决定选用Q235-A 热轧钢板，其中100℃-150℃下的许用应力为：[ó]t =113Mpa 。 罐体筒体及封头壁厚计算 罐体筒体壁厚的设计厚度为 []2 2c i d t c p D C p δσ?= +- 过程控制系统课程设计 课题：反应釜温度控制系统 系别：电气与控制工程学院 专业：自动化 姓名：彭俊峰 学号：092413238 指导教师：李晓辉 河南城建学院 2016年6月15日 引言 (1) 1系统工艺过程及被控对象特性选取 (2) 1.1 被控对象的工艺过程 (2) 1.2 被控对象特性描述 (4) 2 仪表的选取 (5) 2.1过程检测与变送器的选取 (5) 2.2执行器的选取 (6) 2.2.1执行器的选型 (7) 2.2.2调节阀尺寸的选取 (7) 2.2.3调节阀流量特性选取 (7) 2.3控制器仪表的选择 (8) 3.控制方案的整体设定 (10) 3.1控制方式的选择 (10) 3.2阀门特性及控制器选择 (10) 3.3 控制系统仿真 (12) 3.4 控制参数整定 (13) 4 报警和紧急停车设计 (14) 5 结论 (15) 6 体会 (16) 参考文献 (17) 反应器是任何化学品生产过程中的关键设备，决定了化工产品的品质、品种和生产能力。釜式反应器是一种最为常见的反应器，广泛的应用于化工生产的各个领域。釜式反应器有一些非常重要的过程参数，如：进料流量（进料流量比）、液体反应物液位、反应压力、反应温度等等。对于这些参数的控制至关重要，其不但决定着产品的质量和生产的效率，也很大程度上决定了生产过程的安全性。 由于非线性和温度滞后因素很多，使得常规方法对釜式反应器的控制效果不是很理想。本文以带搅拌釜式反应器的温度作为工业生产被控对象，结合PID 控制方式，选用FX2N-PLC温度调节模块，同时为了提高系统安全性，设计了报警和紧急停车系统，最终设计了一套反应釜氏的温度过程控制系统。 课程设计任务书 学生姓名：张亚男专业班级：通信1104班 指导教师：李政颖 工作单位：信息工程学院 题目: 温度控制系统的设计 初始条件：TEC半导体制冷器、UA741 运算放大器、LM339N电压比较器、稳压管、LM35温度传感器、继电器 要求完成的主要任务: 一、设计任务：利用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler， 即半导体致冷器)等设计一个温度控制器。 二、设计要求：（1）控制密闭容器内空气温度 （2）控制容器容积>5cm*5cm*5cm （3）测温和控温范围0℃~室温 （4）控温精度±1℃ 三、发挥部分：测温和控温范围：0℃~（室温+10℃） 时间安排：19周准备课设所需资料，弄清各元件的原理并设计电路。 20周在仿真软件multisim上画出电路图并进行仿真。 21周周五前进行电路的焊接与调试，周五答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 温度控制系统的设计 1.温度控制系统原理电路的设计 (3) 1.1 温度控制系统工作原理总述 (3) 1.2 方案设计 (3) 2.单元电路设计 (4) 2.1 温度信号的采集与转化单元——温度传感器 (4) 2.2 电压信号的处理单元——运算放大器 (5) 2.3 电压值表征温度单元——万用表 (7) 2.4 电压控制单元——迟滞比较器 (8) 2.5 驱动单元——继电器 (10) 2.6 TEC装置 (11) 2.7 整体电路图 (12) 3.电路仿真 (12) 3.1 multisim仿真 (12) 3.2 仿真分析 (14) 4.实物焊接 (15) 5.总结及体会 (16) 6.元件清单 (18) 7.参考文献 (19) 单片机课程设计实验报告 ——温度控制器 班级：学号： 电气0806 姓名： 08291174 老师： 李长城 合作者： 姜久春 李志鹏 一、实验要求和目的 本课程设计的课题是温度控制器。 ●用电压输入的变化来模拟温度的变化，对输入的模拟电压通过 ADC0832转换成数字量输出。输入的电压为0.00V——5.00V， 在三位数码显示管中显示范围为00.0——99.9。其中0V对应00.0，5V对应99.9 ●单片机的控制目标是风机和加热器。分别由两个继电器工作来 模拟。系统加了一个滞环。适合温度为60度。 ◆当显示为00.0-50.0时，继电器A闭合，灯A亮，模拟加热 器工作。 ◆当显示为为50.0-55.0时，保持继电器AB的动作。 ◆当显示为55.0-65.0时，继电器A断开，灯A熄灭，模拟加 热器停止工作。 ◆当显示为65.0-70.0时，保持继电器AB的动作 ◆当显示为70.0-99.9时，继电器B闭合，灯B亮，模拟风机的 工作。 二、实验电路涉及原件及电路图 由于硬件系统电路已经给定，只需要了解它的功能，使用proteus 画出原理图就可以了。 实验设计的电路硬件有： 1、AT89S52 本温度控制器采用AT89C52单片机作为CPU,12MHZ晶振 AT89C52的引脚结构图： AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置 热交换器温度控制系统 一．控制系统组成 由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。 图1换热器出口温度控制系统流程图 控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。 二、设计控制系统选取方案 根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。 换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由便频器来控制。 换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。 图2换热器的温度控制系统工艺流程图 引起换热器出口温度变化的扰动因素有很多，简要概括起来主要有： （1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉加热温度和管路散热的影响。 （2 ）冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速 温湿度控制器设计报告 本设计研究单片机数字温湿度控制器，通过全数字型温湿度传感器测量宽范围的温湿度数据，用来满足恒温湿车间控制、大棚温湿度控制等工农业生产领域需要，要求温湿度测量响应时间快、长期稳定性好，抗干扰能力强，具有较高的应用价值。 一、性能特点 ●配用全数字型温湿度传感器DHT11，温度测量范围0℃--100℃，湿度测 量范围0%RH—90%RH，可以满足一般需要。若要求更宽测量范围，只需 更换温湿度传感器型号，硬件电路及软件程序全兼容。 ●温湿度测量响应时间快、长期稳定性好。 ●采用先进的专用微处理器芯片STC89C52，可靠性高，抗干扰能力强。 ●配用EEPROM芯片A T24C04，使存储的温度上下限和湿度上下限可以 掉电永久保存。 ●可以通过四个按键方便地实现温湿度上下限的调整。 ●当温度或湿度超限后，报警信号点亮相应报警灯。 ●配用三极管和继电器，可以通过驱动继电器打开或切断风机、加热器等 外部设备。 二、功能说明 1、实时测量当前温度值和湿度值，在液晶屏动态显示。 2、可以显示当前允许温度范围，在液晶屏显示，如“20-45”表示允许温度范围为20摄氏度至45摄氏度。 3、可以显示当前允许湿度范围，在液晶屏显示，如“15-60”表示允许湿度范围为15%至60%。 4、当温度低于温度下限时，低温报警灯亮，控制继电器动作。 5、当温度高于温度上限时，高温报警灯亮，控制继电器动作。 6、当湿度低于湿度下限时，低湿报警灯亮，控制继电器动作。 7、当湿度高于湿度上限时，高湿报警灯亮，控制继电器动作。 8、可以通过键盘调整温度上下限和湿度上下限，具体方法是连续按设置键直至温度下限、温度上限、湿度下限、湿度上限相应的位置闪烁，再通过Up键和Down键调整数值，调整完毕继续按设置键进入正常状态。 9、可以保存设置参数至EEPROM中，具体方法是按保存键，此时当前设置参数存盘，重新上电显示新的设置值。如果不按保存键，所调整的设置参数只在此次运行有效，关电后恢复原先设定值。 三、硬件设计 1、设计框图 本研究设计的温湿度控制器框图如图1所示。 图1 温湿度控制器方框图 图中STC89C52单片机每2秒钟从DHT11温湿度传感器中读入温度和湿度，在液晶屏上即时显示。 液晶屏上同时可以显示温湿度上下限值，该上下限设置值保存外外部EEPROM存储器中，掉电不失，并且可以通过四只按键上调或下调。 当温度或湿度值超过上下限值时，报警信号点亮相应报警灯。同时该报警信号通过三极管驱动继电器，以控制外部风机或加热器。 0.95m 3 夹套反应釜设计计算说明书 一、罐体和夹套设计计算 1.1 罐体几何尺寸计算 1.1.1 选择筒体和封头的形式 选择圆柱筒体及椭圆形封头。 1.1.2 确定筒体内径 已知设备容积要求0.95m 3 ，按式（4-1）初选筒体内径： 式中，V=0.95m 3 ，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i =H 1/D 1=1～1.3，取 i =1.3，代入上式，计算得 3 31440.95==1.032i 3.14 1.1V D π?? ? 将D 1的估算值圆整到公称直径系列，取D 1=1100mm ， 1.1.3 确定封头尺寸 标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm ，选取直边高度h 2=25mm 。 1.1.4 确定筒体高度 当D 1=1100mm, h 2=25mm 时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V 封=0.1980 m 3 ，由附表D-1查得 筒体1m 高的容积V 1m =0.950 m 3 ，按式（4-2）: H 1=(V-V 封)/V 1m =（0.950-0.198）/0.95=0.7916m 考虑到安装的方便，取H 1=0.9m ，则实际容积为 V= V 1m ×H 1+ V 封=0.950×0.9+0.198=1.053 m 3 1.2 夹套几何尺寸计算 1. 2.1 选择夹套结构 选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 1.2.2 确定夹套直径 查【2】表4-3, D 2= D 1+100=1100+100=1200mm 。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。 1.2.3 确定夹套高度 装料系数η=操作容积/全容积=0.9/0.95=0.85 按式4-4计算夹套高度： H 2≥(ηV- V 封)/ V 1m =(0.85×1.053-0.198)/0.95=0.734 m 取H 2=750mm 。选取直边高度h 2=25mm 。 1.2.4 校核传热面积 查【2】附表D-2，由D 1=1100mm ，得罐体封头表面积F 1封=1.3980 m 2 查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F 1m =3.46 m 2 31 4i V D π ?罐体结构示意图 温度控制系统设计报告TEMPERATURE AUTOCONTROL SYSTEM 中国· 王文涛、志超、喻伟 2009-8-8 摘要 本系统主要基于DS18B20和51单片机为核心来实现系统的温度自动 化控制，通过使用PID算法和PWM脉宽调制实现温度的精确控制，由温度 传感器返回温度值后与设定温度比较，经过单片机的处理后发出相应的控 制信号使一定空间围的温度保持基本恒定，通过实际应用加深对系统设计 和PID算法的理解，提高应用能力。 关键词：PID算法 DS18B20 温度控制 51单片机 Abstract:This system mainly based on DS18B20 and 51 single-chip microcomputer as the core to realize automation control system of temperature, through the use of PID algorithm and PWM pulse width modulation realize accurate temperature control of the temperature sensor, the temperature and the temperature returned after comparison, through the processing chip out the corresponding control signal after that certain space within the scope of the temperature is kept constant, through the actual application of the basic of system design and PID algorithm of understanding, improve application ability. Keyword：PID algorithm DS18B20 temperature control 51-series microcomputer 设计要求： 1、基本要求 ①容器环境温度设定围：，最小区分度为1℃； ②当容器环境温度降低时（例如用电风扇降温），温度控制的静态误差≤1℃； ③显示容器环境的实际温度。 2、发挥部分 ①采用适当的控制方法，当设定容器环境温度突变（由30℃提高到50℃）时，减小系统的调节时间 和超调量，同时自动打印其温度随时间变化的曲线； ②温度控制的静态误差≤0.2℃； 《 夹套反应釜设计计算说明书 一、罐体和夹套设计计算 罐体几何尺寸计算 选择筒体和封头的形式 选择圆柱筒体及椭圆形封头。 确定筒体内径 * 已知设备容积要求，按式（4-1）初选筒体内径： 式中，V=，根据【2】38页表4-2，常反应物料为液-液类型， i =H 1/D 1=1～，取 i =，代入上式，计算得 1D ? ( 将D 1的估算值圆整到公称直径系列，取D 1=1100mm ， 确定封头尺寸 标准椭圆形封头尺寸查附表4-2，DN=1100mm ，选取直边高度h 2=25mm 。 确定筒体高度 当D 1=1100mm, h 2=25mm 时，由【2】附表D-2查得椭圆形封头的容积V 封= m 3 ，由附表D-1查得筒体1m 高的容积V 1m = m 3 ，按式（4-2）: H 1=(V-V 封)/V 1m =（）/= 考虑到安装的方便，取H 1=，则实际容积为 V= V 1m ×H 1+ V 封=×+= m 3 【 夹套几何尺寸计算 选择夹套结构 选择【2】39页图4-4 (b)所示结构。 确定夹套直径 查【2】表4-3, D 2= D 1+100=1100+100=1200mm 。套封头也采用椭圆形并与夹套筒体取相同直径。 确定夹套高度 装料系数η=操作容积/全容积== · 按式4-4计算夹套高度： 31 4i V D π ?罐体结构示意图 H 2≥(ηV- V 封)/ V 1m =× m 取H 2=750mm 。选取直边高度h 2=25mm 。 校核传热面积 查【2】附表D-2，由D 1=1100mm ，得罐体封头表面积F 1封= m 2 查【2】附表D-1，一米高筒体内表面积F 1m = m 2 校核传热面积： 实际总传热面积F=F 筒+ F 1封=F 1m ×H 2 +F 1封=×+= m 2> m 2 ，可用。 : 罐体及夹套的强度计算 确定计算压力 按工艺条件，罐体内设计压力P 1=；夹套内设计压力P 2= 液体静压力P 1H =ρgH 2×10-6=1000×××10-6 =，取P 1H = 计算压力P 1c =P 1+P 1H =+= 夹套无液体静压，忽略P 2H ，故P 2c =P 2。 选择设备材料 " 分析工艺要求和腐蚀因素，决定选用Q235-A 热轧钢板，其中100℃-150℃下的许用应力为：[ó]t =113Mpa 。 罐体筒体及封头壁厚计算 罐体筒体壁厚的设计厚度为 采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按教材表10-9，取焊缝系数φ=，C 2=2mm ，则 []1c 1d1210.191100 = 2 1.092 3.09 21130.850.19 2t c p D C p δσ??+= +=+=??-- % 查教材表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1+C 1=，考虑到最小厚度 mim δ为3mm ，取名义厚度δn =5mm 罐体封头壁厚的设计厚度为 []11 d110.191100 = 2 1.092 3.09 21130.850.50.19 20.5c t c P D P δσ??= +=+=??-?-‘ 查教材表10-10，取钢板负偏差C 1=，则δd1’+C 1=，考虑到最小厚度 mim δ为3mm ，取名义厚度δn ’=5mm 夹套筒体及封头壁厚计算 夹套筒体壁厚的设计厚度为 - 采用双面焊缝，进行局部无损探伤检查，按【1】161页表10-9，取焊缝系数φ=（夹套封头用钢板拼焊），C 2=2mm ，则 []2 2c i d t c p D C p δσ?=+-[]2 2c i d t c p D C p δσ?= +-夹套反应釜课程设计
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