計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)95725

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)：考勤10分守紀(jì)10分過(guò)程30分設(shè)計(jì)報(bào)告30分答辯20分總成績(jī)(100分)專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 動(dòng)201xxx 姓 名： xxx 學(xué) 號(hào)： 2013xxxxxx 指導(dǎo)教師： xxx 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)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(jì)1設(shè)計(jì)目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握如何應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)結(jié)合自動(dòng)控制理論中的各種控制算法構(gòu)成一個(gè)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(jì)方法；掌握控制系統(tǒng)中典型算法的程序設(shè)計(jì)方法；掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀

2、表的PID控制參數(shù)整定方法，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與綜合應(yīng)用能力，進(jìn)而提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過(guò)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(guò)變頻器對(duì)下水箱液位施加干擾。設(shè)計(jì)串級(jí)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(jì)方法為保持水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至控制器（PID），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)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(duì)象是單水箱時(shí)，通

3、過(guò)不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)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(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長(zhǎng)，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無(wú)法得到滿意的效果?？紤]到串級(jí)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(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)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(jì)方案及原理3.1系統(tǒng)功能介紹整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，測(cè)量變送，被控對(duì)象組成，

4、在本次控制系統(tǒng)中控制器為單片機(jī)，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(cè)量變送器為A，被控對(duì)象為流量B。整個(gè)控制過(guò)程，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值；控制器接受液位測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)；控制閥接受控制器的控制信號(hào)，按其大小改變閥門(mén)的開(kāi)度，調(diào)整給水量，以克服擾動(dòng)的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達(dá)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(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)框圖3.3水箱液位控制的實(shí)現(xiàn)首先由液位傳感器檢測(cè)出水箱液位，液位的實(shí)際值通過(guò)

5、A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后，輸入到計(jì)算機(jī)中，最后，在計(jì)算機(jī)中根據(jù)液位的給定值與實(shí)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(jī)中。最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號(hào)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動(dòng)控制。4硬件設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)格便宜等特點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)是ATMAL公司89系列單片機(jī)的一種具有8位Flash 存儲(chǔ)器的單片機(jī)，是眾多由8051單片機(jī)加強(qiáng)改進(jìn)演變而來(lái)的系列單片機(jī)中最具代

6、表性的一款。它最大特點(diǎn)是片內(nèi)含有Flash 存儲(chǔ)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(guó)國(guó)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(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。4.3液位檢測(cè)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(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國(guó)SM公司生產(chǎn)的5552型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O70)，

7、傳感器經(jīng)過(guò)特殊加工處理，用堅(jiān)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(hào)輸出(一)；2腳為信號(hào)輸出(一)；3腳為激勵(lì)電壓；4腳為地；5腳為信號(hào) 輸出(+)；6腳為信號(hào)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(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)（20100kPa）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（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(mén)的選擇電磁調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國(guó)PSL202型智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，無(wú)需陪伺服放大器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電

8、機(jī)，運(yùn)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(dòng)執(zhí)行機(jī)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(guó)國(guó)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(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)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(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)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(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)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(shí)先經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，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(jì)液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)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(hào)是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來(lái)完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。圖6 顯示電路原理圖5 PID算法及軟件設(shè)計(jì)5.1 PID算

10、法分析數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(guò)線性組合構(gòu)成控制量，控制被控對(duì)象，控制規(guī)律為：其中，Kp是比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)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(lái)

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(guò)小，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。對(duì)于水箱液位來(lái)說(shuō)，采用單片機(jī)來(lái)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(hào)，u(k)是第K次時(shí)計(jì)算機(jī)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(cè)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(guò)PID的運(yùn)算，得到控制器的輸出量，驅(qū)動(dòng)變頻器改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率，來(lái)改變液位高度。5.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖7所示：圖7 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（無(wú)噪聲）如圖8所示：圖8 串級(jí)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（無(wú)干擾） 此時(shí)，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(wú)噪聲）如圖9所示：圖9 串級(jí)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖（有干擾）此時(shí)，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(jìn)行控制（簡(jiǎn)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(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明。這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能達(dá)到滿意的效果。不過(guò)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制不是簡(jiǎn)單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，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(jī)構(gòu)采用調(diào)節(jié)閥，則控制量對(duì)應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)度，表征了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，此時(shí)控制器應(yīng)用數(shù)字PID位置是控制算法。如執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)采樣周期，控制器輸出的控制量，是相對(duì)于上次控制量的增加，此時(shí)控制器應(yīng)采用數(shù)字PID增量式控制算法。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，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(duì)