計算機控制技術課程設計

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201xxx 姓 名： xxx 學 號： 2013xxxxxx 指導教師： xxx 蘭州交通大學自動化與電氣工程學院2016 年 07 月 15 日精品.水箱液位控制系統(tǒng)設計1設計目的通過課程設計使學生掌握如何應用微型計算機結合自動控制理論中的各種控制算法構成一個完整的閉環(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)的硬件部分的構成、工作原理及其設計方法；掌握控制系統(tǒng)中典型算法的程序設計方法；掌握測控對象參數檢測方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調節(jié)閥的功能、過

2、程控制儀表的pid控制參數整定方法，進一步加強對課堂理論知識的理解與綜合應用能力，進而提高解決實際工程問題的能力。2 設計要求 設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，在支路一中設置調節(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 設計方法為保持水箱液位的穩(wěn)定，設計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經水位檢測器送至控制器（pid），控制器將實際水位與設定值相比較，產生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調節(jié)水位。當對象是單水

3、箱時，通過不斷調整pid參數，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)，當上水箱有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進而使控制器響應滯后，影響控制效果，在實際生產中，如果干擾頻繁出現，無論如何調整pid參數，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，及早控制，在內環(huán)引入負反饋，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。精品.4設計方案及原理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，

4、被控對象組成，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，調整給水量，以克服擾動的影響，使被控變量回到設定值，最終達到水箱液位的恒定。3.2系統(tǒng)組成總體結構水箱液位控制系統(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首先由液位傳感器檢測出水箱液位，液

5、位的實際值通過a/d轉換，變成數字信號后，輸入到計算機中，最后，在計算機中根據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)，實現水箱液位的自動控制。4硬件設計水箱液位控制系統(tǒng)硬件原理如圖3所示。精品.圖3 水箱液位控制系統(tǒng)硬件原理圖4.1主控芯片at89c51本設計中的微控制器選用atmal公司生產的at89c51，該芯片具有標準易用，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

6、的系列單片機中最具代表性的一款。它最大特點是片內含有flash 存儲器，用途十分廣泛，特別是在生產便攜式商品，手提式儀器等方面，有著十分廣泛的應用。4.2 a/d轉換器的選擇 adc0809是美國國家半導體公司生產的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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轉換。是目前國內應用最廣泛的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，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國sm公司生產的5552型oem壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補

7、償及標定(o70)，傳感器經過特殊加工處理，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，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把標準氣壓信號（20100kpa）轉換成標準電壓信號（15vdc），輸送到ad轉換器。精品.圖4 sy-9411l-d型變送器引腳結構圖4.4閥門的選擇電磁調節(jié)閥對控制回路流量進行調節(jié)。采用德國psl202型智能電動調節(jié)閥，無需陪伺服放大器，驅動電機采用高性

8、能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高，控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高，操作方便。4.5 a/d轉換電路adc0809是美國國家半導體公司生產的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d模數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用a/d芯片。a/d轉換電路在控制系統(tǒng)中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制系統(tǒng)采用cmos工藝制造的逐步逼近式8位a/d轉換器芯片adc0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種

9、方式編制a/d轉換程序。圖5是a/d轉換部分原理圖，在接線時先經過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，然后輸入到a/d轉換器。圖5 a/d轉換電路原理圖4.6液位顯示電路的設計精品.液位顯示采用數碼管動態(tài)顯示，范圍從0999(單位可自定)，選擇的數碼管是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)中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的led的驅動器件，由于單獨使用hef4511b七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74ls373在這里只用作擴展的緩沖。圖6 顯示電路原理圖5 pi

10、d算法及軟件設計5.1 pid算法分析數字pid控制是在實驗研究和生產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)原理框圖根據給定液位值r(t)與實際輸出液位值c(t)構成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后將偏差按比例、積分、微分，通過線性組合構成控制量，控制被控對象，控制規(guī)律為：精品.其中，kp是比例系數，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)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。kp越大，系統(tǒng)的響應速度越快系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至

11、會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。2、積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(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，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。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。把測得的液位與設定值相比，便可得到兩者的偏差，然后經過pid的運算，得到控制器的輸出量，驅動變頻器改變執(zhí)行機構功率，來改變

12、液位高度。5.2 串級控制系統(tǒng)的設計已知上下水箱的傳遞函數分別為：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：精品.圖8 串級控制系統(tǒng)的matlab仿真框圖（無干擾） 此時，系統(tǒng)的階躍響應如下圖所示：參數：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)的階躍響應如下圖所示：參數：k1=35，ti=1.8，td=0.5，k2=0.1精品.7總結 根據偏差的比例（p）、積

13、分（i）、微分（d）進行控制（簡稱pid控制），是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行的經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pid控制不是簡單地把pid控制規(guī)律數字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能結合，使pid控制更加靈活。在計算機控制系統(tǒng)中，pid控制規(guī)律的實現必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，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)行機構采用調節(jié)閥，則控制量對應閥門的開度，表征了執(zhí)行機構的位置，此時控制器應用數字pid位置是控制算法。如執(zhí)行機構采用步進電機，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，此時控制器應采用數字pid增量式控制算法。通過此次設計，我掌握了液位單回路控制系統(tǒng)的構成，知道它最基本的部分有控制器、調節(jié)器、被控對象和測量變送組成。并且學會了如何去設計