新版计算机专业课程设计.doc

计算机控制技术课程设计

评语：

考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100分)

专 业： 自动化
班 级： 动03
姓 名： xxx
学 号： 092xx
指引教师： 侯涛

兰州交通大学自动化与电气工程学院
年 07 月 15 日

基于PID算法流量控制系统设计
1设计规定
按照生产规定，普通设立成定值系统。对于液体流量控制系统，即需要用阀门控制开度来控制液体进入液体槽，以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在误差容许范畴内稳定值，以满足生产规定。设计原理图如图1所示：

图1 设计原理图
2设计方案
液体流量控制普通采用电动调节阀实现，系统上位机通过单片机传递实时流量值与给定流量进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量送给单片机，再通过单片机I/O口输出控制信号，经驱动器来控制电动调节阀阀门，实现阀门开度变化，进而对液体流量进行恒值控制。
3硬件设计
3.1硬件构造图

图2 硬件构造图
3.2硬件选型
该流量控制系统硬件选型某些有：控制器、D/A转换器、A/D转换器、电动调节阀、流量变送器。
3.2.1控制器
控制器分为上位机和下位机。
(1)上位机为控制计算机，通过反馈流量值与给定流量进行对比，通过预先设定PID算法计算出控制量，传递给单片机。
(2)下位机为AT89C51即单片机，接受由上位机所给出控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具备如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口等。
3.2.2 D/A转换器
D/A转换器采用DAC0832，8位D/A转换器，与微解决器完全兼容，是20引脚双列直插式芯片。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换电路及转换控制电路构成。重要参数：辨别率为8位；电流稳定期间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW；只需在满量程下调节其线性度。
DAC0832将输入数字量转换成差动电流输出，为了使其能变成电压输出，因此又通过运算放大器，将形成单极性电压输出0~5V。为了保证输出电流线性度，两个电流输出端电位应尽量接近0电位，这样，数字量转换后得到输出电流将通过内部反馈电阻流到放大器输出端，否则放大器两输入端微小电位差，将导致很大线性误差。
3.3.3 A/D转换器
A/D转换器采用ADC0809，8位逐次逼近式A/D模数转换器，是28脚双列直插式芯片。其内部有一种8通道多路开关，它可以依照地址码锁存译码后信号，只选通8路模仿输入信号中一种进行A/D转换。
重要特性有：8路输入通道，8位A/D转换器，即辨别率为8位；具备转换起停控制端；转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs（时钟为500KHz时）；单个+5V电源供电；模仿输入电压范畴0～+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范畴为-40～+85摄氏度；低功耗，约15mW。
ADC0809与AT89C51单片机连接重要涉及两个问题：一是8路模仿信号通道选取，二是A/D转换完毕后转换数据传送。转换数据传送有定期传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。ADC0809三态输出锁存，可与系统总线直接相连，为便于或简化接口电路设计，也常通过通用并行接口芯片（8255A）实现与系统接口。
3.3.4 电动调节阀
在该流量控制系统中，选用电动调节阀做执行机构。电动调节阀是通过接受工业自动化控制系统信号（如：4-20mA）来驱动阀门变化阀芯和阀座之间截面积大小控制管道介质流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。
新型电动调节阀执行器内含饲服功能，接受统一4-20mA或1-5VDC原则信号，将电流信号转变成相相应直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体压力、流量、温度、液位等工艺参数持续调节。
该系统中电动调节阀采用上海明精公司ZAJQ型智能电动球阀。产品特点： ZAJQ型智能电动球阀采用一体化构造，有输入控制信号（4~20mADC或1-5VDC）及单相电源即可控制运转，具备功能强、体积小、轻便宜人、性能可靠、配套简朴、流通能力大、特别适合于介质是粘稠，含颗粒，纤维性质场合。当前明精阀门广泛应用于食品、环保、轻工、石油、造纸、化工、教学和科研设备、电力等行业工业自动控制系统中。
电动调节阀在安装使用时要注意如下几方面：
(1)调节阀属于现场仪表，规定环境温度应在－25～60℃范畴，相对湿度≤95%。如果是安装在露天或高温场合，应采用防水、降温办法。在有震源地方要远离振源或增长防振办法。
(2)调节阀普通应垂直安装，特殊状况下可以倾斜，如倾斜角度很大或者阀自身自重太大时对阀应增长支承件保护。
(3)安装调节阀管道普通不要离地面或地板太高，在管道高度不不大于2 m时应尽量设立平台，以利于操作手轮和便于进行维修。
(4)调节阀安装前应对管路进行清洗，排除污物和焊渣。安装后，为保证不使杂质残留在阀体内，还应再次对阀门进行清洗，即通入介质时应使所有阀门启动，以免杂质卡住。在使用手轮机构后，应恢复到本来空档位置。
(5)为了使调节阀在发生故障或维修状况下使生产过程能继续进行，调节阀应加旁通管路。
同步还应特别注意，调节阀安装位置与否符合工艺过程规定。
3.3.5 流量变送器
流量变送器又称流量传感器，简称为流量计。本次系统设计采用天津讯尔仪表公司生产LDG一体式电磁流量计，它由由传感器和转换器两某些构成，供电电源24VDC。它是基于法拉第电磁感应定律工作用来测量导电率不不大于5μS/cm导电液体体积流量，是一种测量导电介质体积流量感应式仪表。除可测量普通导电液体体积流量外，还可用于测量强酸强碱等强腐蚀液体和泥浆、矿浆、纸浆等均匀液固两相悬浮液体体积流量。广泛应用于石油、化工、冶金、轻纺、造纸、环保、食品等工业部门及市政管理，水利建设、河流疏浚等领域流量计量 柴油、润滑油、重油等无杂质油性液体高精度测量。
LDG产品特点测量不受流体密度、粘度、温度、压力和导电率变化影响。测量管内无阻流部件，无压损，直管段规定低。对浆液测量有独特适应性。合理选用电极和衬里材料，即具备良好耐腐蚀性和耐磨损性。全数字量数量，抗干扰能力强，测量可靠，精度高，流量测量范畴可达150:1 超低EMI开关电源，合用电源电压变化范畴大，抗EMI性能好。采用16位嵌入式微解决器，运算速度快，精度高，可编程频率低频矩形波砺磁，提高了流量测量稳定性，功耗低。采用SMD器件和表面贴装（SMT）技术，电路可靠性高。管道内无可动部件，无阻流部件，测量中几乎没有附加压力损失。在现场可依照顾客实际需要在线修改量程。测量成果与流速分布，流体压力，温度、密度、粘度等物理参数无关。高清晰度背光LCD显示，全中文菜单操作，使用以便，操作简朴，易学易懂。
该一体式电磁流量计输出信号4-20mA，通过I/V变换对原则电流信号进行解决，使其变成原则电压信号。惯用I/V变换有两种：无源I/V变换和有源I/V变换。通过信号与解决后原则电压信号（0-5V），再通过采样保持器和A/D转换器即可与单片机直接相连。
4模型建立
由于流量控制系统控制对象具备惯性大特点，液体在容器内流动或传递都存在一定阻力，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节。经查资料，即可将被控对象传递函数表达为。
经查资料得，电动调节阀和流量变送器也均可以近似等效为一种惯性环节，传递函数分别为和。
5数字PID控制算法
本设计是闭环控制系统，可以采用PID控制。PID控制是按偏差比例、积分和微分进行控制一种控制规律，在持续系统中得到广泛应用，在计算机进入控制领域后，用计算机实现数字PID算法代替了模仿PID调节器。
数字PID位置型控制算法：
数字PID增量型控制算法：

(1) ——比例增益。加大比例系数可以减小静差，但比例系数过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。
(2) =——积分系数。比例积分调节器中积分环节加入有助于消除系统静差但是会使调节时间变长。时间常数大则积分作用弱，反之积分作用强。增大时间常数将减慢消除静差过程，但可减小超调，提高稳定性。
(3) =——微分系数。微分作用加入将减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统动作速度减小调节时间，从而改进系统动态性能。

6运用MATLAB仿真
流量控制系统仿真图如图3所示。

图3 MATLAB仿真
系统PID算法参数整定采用试凑法，仿真调试图见附录。
5心得体会
通过这段时间学习，我理解到许多课上所无法学到知识和内容。也正是这一周时间实践，自己更加理解和掌握MATLAB使用。
在自己完毕课设过程中遇到了某些问题，例如对系统各某些功能和原理不熟悉，对元器件使用不够合理等，在完善过程中逐个排除问题，也对D/A转换器、A/D转换器、流量变送器等等有了较为深刻结识和理解。
虽然这次课设实践时间短，但是却通俗易懂，实用性较强，我相信对自己此后工作和生活中都会有所协助。也感谢在这次课设中教师同窗们悉心指引和解答，我才干在做课设过程中，收获更多知识和高兴。

参照文献
[1] 曹承志著. 《微型计算机控制新技术》北京：北京机械工业出版社,  
[2] 赵景波著.《MATLAB控制系统仿真与设计》北京：北京机械工业出版社. 
[3] 黄忠霖著.《控制系统MATLAB计算及仿真实训》北京：国防工业出版社.

附录
运用凑试法得到PID参数：
当取 =10， =0， =0时，仿真图如下图所示。

仿真成果：

分析：由仿真成果可以看出系统存在静差，加入积分环节消除静差。
当取 =10， =1/1.6， =0时，仿真图如下图所示。

仿真成果：

分析：加入积分环节，系统消除静差，但是反映时间变长了，且超调量较大。因而加入微分环节改进调节过程。
当取 =10， =1/1.6， =1.8时，仿真图如下图所示。

仿真成果：

分析：此时超调量小，响应时间快，且稳态无静差，符合实际规定。