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

2、通過單片機傳遞的實時流量值與給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硬件結構圖圖2 硬件結構圖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轉換器、A/D轉換器、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。AT8

3、9C51具有如下特點：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轉換器 D/A轉換器采用DAC0832，8位D/A轉換器，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轉換電路及轉換電路及轉換控制電路構成。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)字量轉換成差動的電流輸出，為了

4、使其能變成電壓輸出，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轉換器A/D轉換器采用ADC0809，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器，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轉換。主要特性有：8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位；具有轉換起?？刂贫?；轉換時間為100s(時鐘為640KHz

5、時)，130s（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轉換完成后轉換數(shù)據(jù)的傳送。轉換數(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)自動化控制系統(tǒng)的信號（如：4

6、-20mA）來驅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構，有輸入控制信號（420mADC或1-5VDC）及單相電源即可控制運轉，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、特別適合于介質(zhì)是粘稠，含顆粒，纖維性質(zhì)的場

7、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2560范圍，相對濕度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)閥安裝前應對管路進行清洗，排除污物和焊渣。安裝后，為保證不

8、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一體式電磁流量計，它由由傳感器和轉換器兩部分構成，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5S/cm導電液體的體積流量，是一種測量導電介質(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

9、，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，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

10、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。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轉換器即可與單片機

11、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。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)分別為和。5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)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：數(shù)字PID增量型控制算法：(1) 比例增益。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但比例系

12、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。(2) =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。 (3) =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，

13、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轉換器、A/D轉換器、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)： 當