計算機課程設計

1、計算機控制技術課程設計評語：考勤10分守紀10分過程30分設計報告30分答辯20分總成績（100分）專業(yè)：自動化班級：動201303姓名：xxx學號：2013092XX指導教師：侯濤蘭州交通大學自動化與電氣工程學院2016 年 07 月 15 日基于PID算法的流量控制系統(tǒng)設計1設計要求按照生產(chǎn)的要求，一般設置成定值系統(tǒng)。對于液體流量控制系統(tǒng)，即需要用 閥門控制開度來控制液體進入液體槽，以備下一道工藝生產(chǎn)需要，進行設計將流 量控制在誤差允許范圍內(nèi)的穩(wěn)定值，以滿足生產(chǎn)要求。設計原理圖如圖1所示:圖1設計原理圖2設計方案液體流量控制通常采用電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)，系統(tǒng)上位機通過單片機傳遞的實時 流量值與給

2、定流量進行比較得到誤差，通過PID算法得到控制量送給單片機，再通過單片機I/O 口輸出控制信號，經(jīng)驅(qū)動器來控制電動調(diào)節(jié)閥的閥門， 實現(xiàn)閥門開 度變化，進而對液體流量進行恒值控制。3硬件設計3.1硬件結(jié)構圖圖2硬件結(jié)構圖3.2硬件選型該流量控制系統(tǒng)硬件的選型部分有：控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、電動調(diào)節(jié)閥、流量變送器。3.2.1控制器控制器分為上位機和下位機。(1) 上位機為控制計算機，通過反饋的流量值與給定的流量進行對比，通過預 先設定的PID算法計算出控制量，傳遞給單片機。(2) 下位機為AT89C51即單片機，接收由上位機所給出的控制量，對執(zhí)行機構 進行控制。AT89C51具有如下特

3、點：4kB Flash片內(nèi)內(nèi)存儲器，128 byte RAM，32 個外部雙向輸入輸出口， 5個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程計數(shù)器，2個全雙工串 行通信口等。3.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容，是 20 引腳的雙列直插式芯片。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位 D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構成。主要參數(shù)：分辨率為 8位；電流 穩(wěn)定時間1微秒；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；可單一電源供電(5V-15V)； 低功耗，20mW;只需在滿量程下調(diào)整其線性度。DAC0832將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成差動的電流輸出，為了使

4、其能變成電壓輸出， 所以又經(jīng)過運算放大器，將形成單極性電壓輸出05V。為了保證輸出電流的線性度，兩個電流輸出端的電位應盡可能接近0電位，這樣，數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流將通過內(nèi)部的反饋電阻流到放大器的輸出端，否則放大器兩輸入端微小的 電位差，將導致很大的線性誤差。3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是28腳雙列直 插式芯片。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號， 只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性有：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；具有轉(zhuǎn)換起 ?？刂贫?；轉(zhuǎn)換時間為 100卩S時鐘為6

5、40KHZ時），130ys（時鐘為500KHz時）； 單個+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準；工作溫 度范圍為-40+85攝氏度；低功耗，約15mW。ADC0809與AT89C51單片機的連接主要涉及兩個問題：一是8路模擬信號通 道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送有定時傳送方 式、查詢方式、中斷方式這三種方式。ADC0809三態(tài)輸出鎖存，可與系統(tǒng)總線直接相連，為便于或簡化接口電路的設計，也常通過通用并行接口芯片（8255A ）實現(xiàn)與系統(tǒng)的接口。3.3.4電動調(diào)節(jié)閥在該流量控制系統(tǒng)中，選用電動調(diào)節(jié)閥做執(zhí)行機構。電動調(diào)節(jié)閥是通過接收 工業(yè)自動化

6、控制系統(tǒng)的信號（如：4-20mA ）來驅(qū)動閥門改變閥芯和閥座之間的截 面積大小控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)。實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)功能。新型電動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器內(nèi)含飼服功能， 接受統(tǒng)一的4-20mA或1-5VDC的標準 信號，將電流信號轉(zhuǎn)變成相對應的直線位移，自動地控制調(diào)節(jié)閥開度，達到對管 道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)中的電動調(diào)節(jié)閥采用上海明精公司的ZAJQ型智能電動球閥。產(chǎn)品特點：ZAJQ型智能電動球閥采用一體化結(jié)構，有輸入控制信號（ 420mADC或 1-5VDC ）及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)，具有功能強、體積小、輕便宜人、性能可靠、 配套簡單、流通能力大、特別

7、適合于介質(zhì)是粘稠，含顆粒，纖維性質(zhì)的場合。目 前明精閥門廣泛應用于食品、環(huán)保、輕工、石油、造紙、化工、教學和科研設備、 電力等行業(yè)的工業(yè)自動控制系統(tǒng)中。電動調(diào)節(jié)閥在安裝使用時要注意以下幾方面：（1）調(diào)節(jié)閥屬于現(xiàn)場儀表，要求環(huán)境溫度應在2560C范圍，相對濕度w 95% 如果是安裝在露天或高溫場合，應采取防水、降溫措施。在有震源的地方要遠離振源或增加防振措施。（2）調(diào)節(jié)閥一般應垂直安裝，特殊情況下可以傾斜，如傾斜角度很大或者閥本 身自重太大時對閥應增加支承件保護。（3）安裝調(diào)節(jié)閥的管道一般不要離地面或地板太高，在管道高度大于2 m時應盡量設置平臺，以利于操作手輪和便于進行維修。（4）調(diào)節(jié)閥安裝前

8、應對管路進行清洗，排除污物和焊渣。安裝后，為保證不使 雜質(zhì)殘留在閥體內(nèi)，還應再次對閥門進行清洗，即通入介質(zhì)時應使所有閥門開啟， 以免雜質(zhì)卡住。在使用手輪機構后，應恢復到原來的空檔位置。（5）為了使調(diào)節(jié)閥在發(fā)生故障或維修的情況下使生產(chǎn)過程能繼續(xù)進行，調(diào)節(jié)閥 應加旁通管路。同時還應特別注意，調(diào)節(jié)閥的安裝位置是否符合工藝過程的要求。3.3.5流量變送器流量變送器又稱流量傳感器，簡稱為流量計。本次系統(tǒng)設計采用天津訊爾儀 表公司生產(chǎn)的LDG 體式電磁流量計，它由由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分構成，供電 電源24VDC。它是基于法拉第電磁感應定律工作的用來測量導電率大于5卩S/cm導電液體的體積流量，是一種測量導

9、電介質(zhì)體積流量的感應式儀表。除可測量一 般導電液體的體積流量外，還可用于測量強酸強堿等強腐蝕液體和泥漿、礦漿、 紙漿等均勻的液固兩相懸浮液體的體積流量。廣泛應用于石油、化工、冶金、輕 紡、造紙、環(huán)保、食品等工業(yè)部門及市政管理，水利建設、河流疏浚等領域的流 量計量 柴油、潤滑油、重油等無雜質(zhì)油性液體的高精度測量。LDG產(chǎn)品特點測量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和導電率變化的影響。 測量管內(nèi)無阻流部件，無壓損，直管段要求低。對漿液測量有獨特的適應性。合 理選用電極和襯里材料，即具有良好的耐腐蝕性和耐磨損性。全數(shù)字量數(shù)量，抗 干擾能力強，測量可靠，精度高，流量測量范圍可達150:1超低EMI開關電源

10、，適用電源電壓變化范圍大，抗EMI性能好。采用16位嵌入式微處理器，運算速度 快，精度高，可編程頻率低頻矩形波礪磁，提高了流量測量的穩(wěn)定性，功耗低。 采用SMD器件和表面貼裝（SMT）技術，電路可靠性高。管道內(nèi)無可動部件，無 阻流部件，測量中幾乎沒有附加壓力損失。在現(xiàn)場可根據(jù)用戶實際需要在線修改 量程。測量結(jié)果與流速分布，流體壓力，溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無關。高 清晰度背光LCD顯示，全中文菜單操作，使用方便，操作簡單，易學易懂。該一體式電磁流量計輸出信號 4-20mA，通過I/V變換對標準電流信號進行處 理，使其變成標準電壓信號。常用的I/V變換有兩種：無源I/V變換和有源I/V變 換。

11、經(jīng)過信號與處理后的標準電壓信號（0-5V），再通過采樣保持器和 A/D轉(zhuǎn)換 器即可與單片機直接相連。4模型的建立由于流量控制系統(tǒng)的控制對象具有慣性大的特點，液體在容器內(nèi)流動或傳遞 都存在一定的阻力，因而可以將被控對象歸于一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)查資料，即可將 被控對象的傳遞函數(shù)表示為S +1經(jīng)查資料得，電動調(diào)節(jié)閥和流量變送器也均可以近似等效為一個慣性環(huán)節(jié)， 傳遞函數(shù)分別為一1一和 1。10s+10.1s + 15數(shù)字PID控制算法本設計是閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以采用PID控制。PID控制是按偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制規(guī)律，在連續(xù)系統(tǒng)中的得到廣泛的應用，在計算機 進入控制領域后，用計算機實現(xiàn)的數(shù)

12、字 PID算法代替了模擬PID調(diào)節(jié)器。數(shù)字 PID 位置型控制算法：u(k) =Kpe(k)e(j) Td e(k)e(k") . u0Ti j=oT數(shù)字PID增量型控制算法：(1) Kp 比例增益。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但比例系數(shù)過大會使動態(tài) 質(zhì)量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環(huán)不穩(wěn)定。Ki (2)=Kp-積分系數(shù)。比例積分調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的加入有Ti助于消除系統(tǒng)靜差但是會使調(diào)整時間變長。時間常數(shù)大則積分作用弱，反之積分 作用強。增大時間常數(shù)將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。Kd (3)=KpTd 微分系數(shù)。微分作用的加入將減小超調(diào)，克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快

13、了系統(tǒng)的動作速度減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)動態(tài)性 能。6利用MATLAB仿真流量控制系統(tǒng)仿真圖如圖3所示。圖3 MATLAB仿真系統(tǒng)PID算法的參數(shù)整定采用試湊法，仿真調(diào)試圖見附錄。5心得體會經(jīng)過這段時間的學習，我了解到許多課上所無法學到的知識和內(nèi)容。也正是 這一周時間的實踐，自己更加了解和掌握MATLAB的使用。在自己完成課設的過程中遇到了一些問題，比如對系統(tǒng)各部分的功能和原理不熟悉，對元器件的使用不夠合理等，在完善的過程中逐一排除問題，也對D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、流量變送器等等有了較為深刻的認識和了解。雖然這次課設實踐時間短，但是卻通俗易懂，實用性較強，我相信對自己今 后的工作和生活中都會有所幫助。也感謝在這次課設中老師同學們的悉心指導和 解答，我才能在做課設的過程中，收獲更多的知識和快樂。參考文獻1 ?曹承志著.?微型計算機控制新技術北京：北京機械工業(yè)出版社，?2007?2 ?趙景波著.MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計北京：北京機械工業(yè)出版社.2010?3 ?黃忠霖著.控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真實訓北京：國防工業(yè)出版社.2006附錄利用湊試法得到PID參數(shù):Kp Ki Kd當取