計算機控制技術(shù)課程設(shè)計95725

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計評語：考勤10分守紀(jì)10分過程30分設(shè)計報告30分答辯20分總成績(100分)專 業(yè)： 自動化 班 級： 動201xxx 姓 名： xxx 學(xué) 號： 2013xxxxxx 指導(dǎo)教師： xxx 蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院2016 年 07 月 15 日水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計1設(shè)計目的通過課程設(shè)計使學(xué)生掌握如何應(yīng)用微型計算機結(jié)合自動控制理論中的各種控制算法構(gòu)成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和方法；掌握工業(yè)控制中典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件部分的構(gòu)成、工作原理及其設(shè)計方法；掌握控制系統(tǒng)中典型算法的程序設(shè)計方法；掌握測控對象參數(shù)檢測方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀

2、表的PID控制參數(shù)整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應(yīng)用能力，進而提高解決實際工程問題的能力。2 設(shè)計要求 設(shè)計雙容水箱液位控制系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。設(shè)計串級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定，雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖如下圖1所示。圖1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3 設(shè)計方法為保持水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對象是單水箱時，通

3、過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。4設(shè)計方案及原理3.1系統(tǒng)功能介紹整個過程控制系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，測量變送，被控對象組成，

4、在本次控制系統(tǒng)中控制器為單片機，采用算法為PID控制規(guī)律，執(zhí)行器為電磁閥，采樣采用A/D芯片,測量變送器為A，被控對象為流量B。整個控制過程，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過檢測變送儀表得到其測量值；控制器接受液位測量變送器送來的信號，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運算規(guī)律進行運算并輸出控制信號；控制閥接受控制器的控制信號，按其大小改變閥門的開度，調(diào)整給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達到水箱液位的恒定。3.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)水箱液位控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖2 計算機控制的系統(tǒng)框圖3.3水箱液位控制的實現(xiàn)首先由液位傳感器檢測出水箱液位，液位的實際值通過

5、A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，輸入到計算機中，最后，在計算機中根據(jù)液位的給定值與實際值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機中。最后，由單片機的輸出模擬信號控制電動閥門的開度，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水箱液位的自動控制。4硬件設(shè)計水箱液位控制系統(tǒng)硬件原理如圖3所示。圖3 水箱液位控制系統(tǒng)硬件原理圖4.1主控芯片AT89C51本設(shè)計中的微控制器選用ATMAL公司生產(chǎn)的AT89C51，該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)易用，貨源充足，價格便宜等特點。AT89C51單片機是ATMAL公司89系列單片機的一種具有8位Flash 存儲器的單片機，是眾多由8051單片機加強改進演變而來的系列單片機中最具代

6、表性的一款。它最大特點是片內(nèi)含有Flash 存儲器，用途十分廣泛，特別是在生產(chǎn)便攜式商品，手提式儀器等方面，有著十分廣泛的應(yīng)用。4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。4.3液位檢測傳感器的選擇 傳感器使用SY一9411LD型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的5552型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標(biāo)定(O70)，

7、傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖4所示。1腳為信號輸出(一)；2腳為信號輸出(一)；3腳為激勵電壓；4腳為地；5腳為信號 輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號（20100kPa）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號（15VDC），輸送到AD轉(zhuǎn)換器。圖4 SY-9411L-D型變送器引腳結(jié)構(gòu)圖4.4閥門的選擇電磁調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進行調(diào)節(jié)。采用德國PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需陪伺服放大器，驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電

8、機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高，控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高，操作方便。4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。A/D轉(zhuǎn)換電路在控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制系統(tǒng)采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A/D轉(zhuǎn)換程序。圖

9、5是A/D轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時先經(jīng)過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖4.6液位顯示電路的設(shè)計液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。圖6 顯示電路原理圖5 PID算法及軟件設(shè)計5.1 PID算

10、法分析數(shù)字PID控制是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。常規(guī)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖7所示。圖7 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖根據(jù)給定液位值r(t)與實際輸出液位值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后將偏差按比例、積分、微分，通過線性組合構(gòu)成控制量，控制被控對象，控制規(guī)律為：其中，Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時間，Td是微分時間。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié)用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2、積分環(huán)節(jié)主要用來

11、消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但Ti過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。對于水箱液位來說，采用單片機來控制，因此其PID控制規(guī)律采用增量式差分方程： 其中，K為采樣信號，u(k)是第K次時計算機輸出值，e(k)是第K次采用輸入差值，e(k-1)為第K-1次采用輸出偏差值。把測得的液位與設(shè)定值相比，便可得到兩者的偏差，然后經(jīng)過PID的運算，得到控制器的輸出量，驅(qū)動變頻器改變執(zhí)行機構(gòu)功率，來改變液位高度。5.2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計已

12、知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：Gp1(s)=1/(3s+1),Gp2(s)=1/(5s+1)串級控制系統(tǒng)框圖如圖7所示：圖7 串級控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（無噪聲）如圖8所示：圖8 串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（無干擾） 此時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)：K1=25，Ti=3.2，TD=0.8，K2=0.1系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（無噪聲）如圖9所示：圖9 串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（有干擾）此時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)：K1=35，Ti=1.8，TD=0.5，K2=0.17總結(jié) 根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制（簡稱PID控制），是

13、控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經(jīng)驗和理論的分析都表明。這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能達到滿意的效果。不過，用計算機實現(xiàn)PID控制不是簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活。在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、用后相差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。在控制系統(tǒng)中，如果執(zhí)行機構(gòu)采用調(diào)節(jié)閥，則控制量對應(yīng)閥門的開度，表征了執(zhí)行機構(gòu)的位置，此時控制器應(yīng)用數(shù)字PID位置是控制算法。如執(zhí)行機構(gòu)采用步進電機，每個采樣周期，控制器輸出的控制量，是相對于上次控制量的增加，此時控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量式控制算法。通過此次設(shè)計，我掌握了液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成，知道它最基本的部分有控制器、調(diào)節(jié)器、被控對