計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）：發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）：發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)遼寧工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)(論文)題目:發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)院(系):電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí):自動(dòng)化072學(xué)號(hào):學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:(簽字)起止時(shí)間:2013.8.5-2013.10.9課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評(píng)語院(系):電氣工程學(xué)院教研室:自動(dòng)化學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化072課程設(shè)計(jì)(論文)題目 發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù) 本課程設(shè)計(jì)要求以發(fā)電廠凝結(jié)泵流量大小作為被控對(duì)象,采用8位單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制核心,通過輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制,具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包含:(1)凝結(jié)泵電機(jī)為6KV/1000KW,輸出管道直徑0.5米。(2)流量對(duì)象模型為,其中,,(3)輸入通道設(shè)計(jì):包括流量傳感器、變送器4-20mA、I/V變換0-5V、A/D轉(zhuǎn)換。(4)單片機(jī)最小工作系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)流量誤差的PID調(diào)節(jié)算法。(5)輸出通道設(shè)計(jì):D/A轉(zhuǎn)換、電動(dòng)閥門。針對(duì)上述設(shè)計(jì)內(nèi)容,要求繪制相應(yīng)的控制原理框圖、硬件電路圖、軟件流程圖及PID部分算法程序,同時(shí)做相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,要求給定流量0.1m3/s。進(jìn)度計(jì)劃 (1)布置任務(wù),查閱資料,確定系統(tǒng)的組成(1天)(2)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析(1天)(3)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)(3天)(4)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究(3天)(5)撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書(2天)指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 平時(shí):論文質(zhì)量:答辯:總成績(jī):指導(dǎo)教師簽字:年月日注:成績(jī):平時(shí)20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算摘要本文介紹了一種數(shù)字PID算法在液體流量變量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案,系統(tǒng)以51單片機(jī)AT89C51為核心,以比例電動(dòng)閥為控制對(duì)象,采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液體流速閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明采用數(shù)字PID控制液體流速具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性,從而證明了這種設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性。本文介紹了運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液體流量控制的方案,并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了仿真,證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡(jiǎn)便,系統(tǒng)設(shè)置靈活。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的液體流量控制中,也可用于液壓系統(tǒng)的電動(dòng)閥控制。本課程設(shè)計(jì)以發(fā)電廠凝結(jié)泵流量大小作為被控對(duì)象,采用AT89C51單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制核心,通過輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制。關(guān)鍵詞:流量;AT89C51;PID;Matlab目錄第1章緒論 1第2章課程設(shè)計(jì)的方案 22.1概述 22.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 2第3章硬件設(shè)計(jì) 33.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33.2輸入通道的設(shè)計(jì) 43.2.1流量檢測(cè)計(jì) 43.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路 53.3輸出通道的設(shè)計(jì) 63.3.1D/A轉(zhuǎn)換電路 63.3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6第4章軟件設(shè)計(jì) 74.1系統(tǒng)的總體流程圖 74.2數(shù)字PID算法設(shè)計(jì) 74.3數(shù)字PID控制程序 9第5章系統(tǒng)測(cè)試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 11第6章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 14緒論液體流量控制通常采用電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn),近年來,電動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變化,隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域,以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn),使采用全控制的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制pulsewidthmodulation,簡(jiǎn)稱PWM控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制方式很容易在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn),從而為電動(dòng)閥的控制數(shù)字化提供了契機(jī)。將偏差的比例proportion、積分integral、微分differential通過線性組合構(gòu)成控制量,用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,這樣的控制器稱PID控制器。PID控制器最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件電子元件、氣動(dòng)和液壓元件來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),把它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來,將原來的硬件實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替,因此稱作數(shù)字PID控制器,所形成的一整套算法則稱作數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比,具有非常強(qiáng)的靈活性,可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù),因此可以得到更好的控制性能。本文介紹了一種數(shù)字PID算法在液體流量變量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案,系統(tǒng)以51單片機(jī)AT89C51為核心,以比例電動(dòng)閥為控制對(duì)象,采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液體流速閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明采用數(shù)字PID控制液體流速具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性,從而證明了這種設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性。本文介紹了運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液體流量控制的方案,并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了仿真,證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡(jiǎn)便,系統(tǒng)設(shè)置靈活。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的液體流量控制中,也可用于液壓系統(tǒng)的電動(dòng)閥控制。課程設(shè)計(jì)的方案概述本文介紹了運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液體流量控制的方案,并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了仿真,證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡(jiǎn)便,系統(tǒng)設(shè)置靈活。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的液體流量控制中,也可用于液壓系統(tǒng)的電動(dòng)閥控制。本課程設(shè)計(jì)以發(fā)電廠凝結(jié)泵流量大小作為被控對(duì)象,采用AT89C51單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制核心,通過輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制。系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2.1。圖2.1發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)框圖硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖3.1?？刂破鞑捎肁T89C51。圖3.1發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖輸入通道的設(shè)計(jì)流量檢測(cè)計(jì)流量監(jiān)測(cè)電路中的流量檢測(cè)計(jì)采用渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì),渦輪流量計(jì)是以動(dòng)量矩守恒原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的流量測(cè)量?jī)x表,是速度式流量計(jì)中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子渦輪感受流體平均流速,從而推導(dǎo)出流量或總量。渦輪流量計(jì)由渦輪流量變送器和顯示儀表組成。渦輪流量變送器包括渦輪、導(dǎo)流器、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器、外殼及前置放大器等部分。圖3.2渦輪流量計(jì)圖3.2為渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖,渦輪是用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制成,葉輪芯上裝有螺旋形葉片,流體作用于葉片上使之旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)流器用以穩(wěn)定流體的流向和支撐葉輪。磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器由線圈和磁鐵組成,用以將葉輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。渦輪流量計(jì)的外殼由非導(dǎo)磁不銹鋼制成,用以固定和保護(hù)內(nèi)部零件,并與流體管道連接。前置放大器用以放大磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器輸出的微弱電信號(hào),進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。渦輪流量計(jì)的工作原理:當(dāng)流體通過安裝有渦輪的管路時(shí),流體的動(dòng)能沖擊渦輪發(fā)生旋轉(zhuǎn),流體的流速愈高,動(dòng)能越大,渦輪轉(zhuǎn)速也就愈高。在一定的流量范圍和流體粘度下,渦輪的轉(zhuǎn)速和流速成正比。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測(cè)線圈所產(chǎn)生的磁力線,使檢測(cè)線圈磁電路上的磁阻周期性變化,線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化,檢測(cè)線圈產(chǎn)生脈沖信號(hào),即脈沖數(shù)。其值與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比,也即與流量成正比。這個(gè)電訊號(hào)經(jīng)前置放大器放大后,即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀,以累積和指示流量。其優(yōu)點(diǎn)有:1測(cè)量精度高,其精度可以達(dá)到0.5級(jí)以上,在狹小范圍內(nèi)甚至可達(dá)0.1%,故可作為校驗(yàn)1.5~2.5級(jí)普通流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x表;2對(duì)被測(cè)信號(hào)變化的反應(yīng)快,若被測(cè)介質(zhì)為水,渦輪流量計(jì)的時(shí)間常數(shù)一般只有幾毫秒到幾十毫秒,因此特別適用于對(duì)脈動(dòng)流量的測(cè)量;3重復(fù)性好;4無零點(diǎn)漂移,抗干擾能力好;5范圍度寬;6結(jié)構(gòu)緊湊。A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809芯片。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轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)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(hào),只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。首先輸入3位地址,并使ALE1,將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,之后EOC輸出信號(hào)變低,指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成,EOC變?yōu)楦唠娖?指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí),輸出三態(tài)門打開,轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成,因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后,才能進(jìn)行傳送。圖3.3為A/D轉(zhuǎn)換電路。圖3.3A/D轉(zhuǎn)換電路輸出通道的設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832芯片。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn),在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。圖3.4為D/A轉(zhuǎn)換電路。圖3.4D/A轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)閥,通過輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體流程圖圖4.1為系統(tǒng)的總體流程圖,通過流量監(jiān)測(cè)反饋至單片機(jī),進(jìn)而控制輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制。圖4.1系統(tǒng)的總體流程圖數(shù)字PID算法設(shè)計(jì)控制量流量的時(shí)延很小,所以不用滯后超前校正環(huán)節(jié),直接根據(jù)偏差來進(jìn)行調(diào)節(jié),采用閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)closed-loopcontrolsystem的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出被控制量會(huì)被反送回來影響控制器的輸出,形成一個(gè)或者多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋之分,若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反,則稱為負(fù)反饋NegativeFeedback,若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋,因此又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。圖4.2為PID流程框圖。圖4.2PID流程框圖在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,使用的是數(shù)字PID控制器,數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式HD控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量,故對(duì)積分和微分項(xiàng)不能直接使用,需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式,現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t,以和式代替積分,以增量代替微分,則可以作如下的近似變換:顯然,上述離散化過程中,采樣周期T必須足夠短,才能保證有足夠的精度。為了書寫方便,將ekT簡(jiǎn)化表示成ek等,即省去T。轉(zhuǎn)換成離散化的PID算式為,即:式中,k?采樣序列號(hào);uk?第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;ek?第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;ek-1?第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;K?積分系數(shù),K=KT/TK?微分系數(shù),KT/T。進(jìn)而可得到增量型表達(dá)式,數(shù)字PID控制程序圖4.3為增量型數(shù)字PID控制算法流程圖。圖4.3增量型數(shù)字PID控制算法流程其PID控制算法程序如下:voidPIDdoublee0,e1,e2;uchardu,out1;ucharkp16,kd0,ki0;//ts1;e0e1;e1e2;e2sc-uuu;///10;//設(shè)定值-采集量ife20direction1;//設(shè)定值-采集量0,電機(jī)正轉(zhuǎn),開大閥門。ife220//測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率正轉(zhuǎn)。TR00;PWM1;elsedu10*e2;//e2-e1+ki*e2+kd*e2-2*e1+e0;//PID算法out1du;//+out0;TR01;//若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序,進(jìn)行有效功率轉(zhuǎn)動(dòng)elseife20direction0;//設(shè)定值-采集量0,電機(jī)反轉(zhuǎn),關(guān)小閥門。ife2-20//測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn)。TR00;PWM1;elsedu10*e2;//e2-e1+ki*e2+kd*e2-2*e1+e0;//PID算法out1-du;//+out0;TR01;//若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序,進(jìn)行有效功率運(yùn)轉(zhuǎn)。out0out1;系統(tǒng)測(cè)試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析本系統(tǒng)的流量對(duì)象模型為,其中,,。給定流量0.1m3/s,進(jìn)行Matlab仿真,采用simulink仿真,其仿真圖如圖5.1。圖5.1simulink仿真圖仿真得到圖5.2的仿真曲線。圖5.2仿真曲線課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì),我學(xué)習(xí)了很多,受益匪淺。此次課程設(shè)計(jì)中,我做的課題是《發(fā)電廠凝結(jié)泵流量監(jiān)控系統(tǒng)》。系統(tǒng)以51單片機(jī)AT89C51為核心,以比例電動(dòng)閥為控制對(duì)象,采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液體流速閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明采用數(shù)字PID控制液體流速具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性,從而證明了這種設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性。本文介紹了運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液體流量控制的方案,并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行了仿真,證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡(jiǎn)便,系統(tǒng)設(shè)置靈活。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的液體流量控制中,也可用于液壓系統(tǒng)的電動(dòng)閥控制。本課程設(shè)計(jì)以發(fā)電廠凝結(jié)泵流量大小作為被控對(duì)象,采用AT89C51單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制核心,通過輸出管道上的電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量大小的控制。流量是衡量設(shè)備的效率