計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)

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)201303姓名：xxx學(xué)號(hào)：2013092XX指導(dǎo)教師：侯濤蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2016 年 07 月 15 日基于PID算法的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)要求按照生產(chǎn)的要求，一般設(shè)置成定值系統(tǒng)。對(duì)于液體流量控制系統(tǒng)，即需要用 閥門控制開(kāi)度來(lái)控制液體進(jìn)入液體槽，以備下一道工藝生產(chǎn)需要，進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理圖如圖1所示:圖1設(shè)計(jì)原理圖2設(shè)計(jì)方案液體流量控制通常采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)單片機(jī)傳遞的實(shí)時(shí) 流量值與給

2、定流量進(jìn)行比較得到誤差，通過(guò)PID算法得到控制量送給單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)I/O 口輸出控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門， 實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi) 度變化，進(jìn)而對(duì)液體流量進(jìn)行恒值控制。3硬件設(shè)計(jì)3.1硬件結(jié)構(gòu)圖圖2硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量變送器。3.2.1控制器控制器分為上位機(jī)和下位機(jī)。(1) 上位機(jī)為控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)反饋的流量值與給定的流量進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)預(yù) 先設(shè)定的PID算法計(jì)算出控制量，傳遞給單片機(jī)。(2) 下位機(jī)為AT89C51即單片機(jī)，接收由上位機(jī)所給出的控制量，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 進(jìn)行控制。AT89C51具有如下特

3、點(diǎn)：4kB Flash片內(nèi)內(nèi)存儲(chǔ)器，128 byte RAM，32 個(gè)外部雙向輸入輸出口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串 行通信口等。3.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，8位D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要參數(shù)：分辨率為 8位；電流 穩(wěn)定時(shí)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(zhuǎn)換成差動(dòng)的電流輸出，為了使

4、其能變成電壓輸出， 所以又經(jīng)過(guò)運(yùn)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(gè)電流輸出端的電位應(yīng)盡可能接近0電位，這樣，數(shù)字量轉(zhuǎn)換后得到的輸出電流將通過(guò)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(dǎo)致很大的線性誤差。3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是28腳雙列直 插式芯片。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)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性有：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；具有轉(zhuǎn)換起 ?？刂贫?；轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100卩S時(shí)鐘為6

5、40KHZ時(shí)），130ys（時(shí)鐘為500KHz時(shí)）； 單個(gè)+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)；工作溫 度范圍為-40+85攝氏度；低功耗，約15mW。ADC0809與AT89C51單片機(jī)的連接主要涉及兩個(gè)問(wèn)題：一是8路模擬信號(hào)通 道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送有定時(shí)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(jiǎn)化接口電路的設(shè)計(jì)，也常通過(guò)通用并行接口芯片（8255A ）實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的接口。3.3.4電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在該流量控制系統(tǒng)中，選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是通過(guò)接收 工業(yè)自動(dòng)化

6、控制系統(tǒng)的信號(hào)（如：4-20mA ）來(lái)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。新型電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的直線位移，自動(dòng)地控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)閥采用上海明精公司的ZAJQ型智能電動(dòng)球閥。產(chǎn)品特點(diǎn)：ZAJQ型智能電動(dòng)球閥采用一體化結(jié)構(gòu)，有輸入控制信號(hào)（ 420mADC或 1-5VDC ）及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)，具有功能強(qiáng)、體積小、輕便宜人、性能可靠、 配套簡(jiǎn)單、流通能力大、特別

7、適合于介質(zhì)是粘稠，含顆粒，纖維性質(zhì)的場(chǎng)合。目 前明精閥門廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)保、輕工、石油、造紙、化工、教學(xué)和科研設(shè)備、 電力等行業(yè)的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在安裝使用時(shí)要注意以下幾方面：（1）調(diào)節(jié)閥屬于現(xiàn)場(chǎng)儀表，要求環(huán)境溫度應(yīng)在2560C范圍，相對(duì)濕度w 95% 如果是安裝在露天或高溫場(chǎng)合，應(yīng)采取防水、降溫措施。在有震源的地方要遠(yuǎn)離振源或增加防振措施。（2）調(diào)節(jié)閥一般應(yīng)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(shí)對(duì)閥應(yīng)增加支承件保護(hù)。（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(shí)應(yīng)盡量設(shè)置平臺(tái)，以利于操作手輪和便于進(jìn)行維修。（4）調(diào)節(jié)閥安裝前

8、應(yīng)對(duì)管路進(jìn)行清洗，排除污物和焊渣。安裝后，為保證不使 雜質(zhì)殘留在閥體內(nèi)，還應(yīng)再次對(duì)閥門進(jìn)行清洗，即通入介質(zhì)時(shí)應(yīng)使所有閥門開(kāi)啟， 以免雜質(zhì)卡住。在使用手輪機(jī)構(gòu)后，應(yīng)恢復(fù)到原來(lái)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(guò)程能繼續(xù)進(jìn)行，調(diào)節(jié)閥 應(yīng)加旁通管路。同時(shí)還應(yīng)特別注意，調(diào)節(jié)閥的安裝位置是否符合工藝過(guò)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(jiǎn)稱為流量計(jì)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用天津訊爾儀 表公司生產(chǎn)的LDG 體式電磁流量計(jì)，它由由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，供電 電源24VDC。它是基于法拉第電磁感應(yīng)定律工作的用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電率大于5卩S/cm導(dǎo)電液體的體積流量，是一種測(cè)量導(dǎo)

9、電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表。除可測(cè)量一 般導(dǎo)電液體的體積流量外，還可用于測(cè)量強(qiáng)酸強(qiáng)堿等強(qiáng)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(yīng)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(shè)、河流疏浚等領(lǐng)域的流 量計(jì)量 柴油、潤(rùn)滑油、重油等無(wú)雜質(zhì)油性液體的高精度測(cè)量。LDG產(chǎn)品特點(diǎn)測(cè)量不受流體密度、粘度、溫度、壓力和導(dǎo)電率變化的影響。 測(cè)量管內(nèi)無(wú)阻流部件，無(wú)壓損，直管段要求低。對(duì)漿液測(cè)量有獨(dú)特的適應(yīng)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(qiáng)，測(cè)量可靠，精度高，流量測(cè)量范圍可達(dá)150:1超低EMI開(kāi)關(guān)電源

10、，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(yùn)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(cè)量的穩(wěn)定性，功耗低。 采用SMD器件和表面貼裝（SMT）技術(shù)，電路可靠性高。管道內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú) 阻流部件，測(cè)量中幾乎沒(méi)有附加壓力損失。在現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要在線修改 量程。測(cè)量結(jié)果與流速分布，流體壓力，溫度、密度、粘度等物理參數(shù)無(wú)關(guān)。高 清晰度背光LCD顯示，全中文菜單操作，使用方便，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂。該一體式電磁流量計(jì)輸出信號(hào) 4-20mA，通過(guò)I/V變換對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行處 理，使其變成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。常用的I/V變換有兩種：無(wú)源I/V變換和有源I/V變 換。

11、經(jīng)過(guò)信號(hào)與處理后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)（0-5V），再通過(guò)采樣保持器和 A/D轉(zhuǎn)換 器即可與單片機(jī)直接相連。4模型的建立由于流量控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有慣性大的特點(diǎn)，液體在容器內(nèi)流動(dòng)或傳遞 都存在一定的阻力，因而可以將被控對(duì)象歸于一階慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)查資料，即可將 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)表示為S +1經(jīng)查資料得，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和流量變送器也均可以近似等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)， 傳遞函數(shù)分別為一1一和 1。10s+10.1s + 15數(shù)字PID控制算法本設(shè)計(jì)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(jìn)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(yīng)用，在計(jì)算機(jī) 進(jìn)入控制領(lǐng)域后，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)

12、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：u(k) =Kpe(k)e(j) Td e(k)e(k") . u0Ti j=oT數(shù)字PID增量型控制算法：(1) Kp 比例增益。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但比例系數(shù)過(guò)大會(huì)使動(dòng)態(tài) 質(zhì)量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環(huán)不穩(wěn)定。Ki (2)=Kp-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Ti助于消除系統(tǒng)靜差但是會(huì)使調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng)。時(shí)間常數(shù)大則積分作用弱，反之積分 作用強(qiáng)。增大時(shí)間常數(shù)將減慢消除靜差的過(guò)程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。Kd (3)=KpTd 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

13、了系統(tǒng)的動(dòng)作速度減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)動(dòng)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(jiàn)附錄。5心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的學(xué)習(xí)，我了解到許多課上所無(wú)法學(xué)到的知識(shí)和內(nèi)容。也正是 這一周時(shí)間的實(shí)踐，自己更加了解和掌握MATLAB的使用。在自己完成課設(shè)的過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，比如對(duì)系統(tǒng)各部分的功能和原理不熟悉，對(duì)元器件的使用不夠合理等，在完善的過(guò)程中逐一排除問(wèn)題，也對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、流量變送器等等有了較為深刻的認(rèn)識(shí)和了解。雖然這次課設(shè)實(shí)踐時(shí)間短，但是卻通俗易懂，實(shí)用性較強(qiáng)，我相信對(duì)自己今 后的工作和生活中都會(huì)有所幫助。也感謝在這次課設(shè)中老師同學(xué)們的悉心指導(dǎo)和 解答，我才能在做課設(shè)的過(guò)程中，收獲更多的知識(shí)和快樂(lè)。參考文獻(xiàn)1 ?曹承志著.?微型計(jì)算機(jī)控制新技術(shù)北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，?2007?2 ?趙景波著.MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社.2010?3 ?黃忠霖著.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2006附錄利用湊試法得到PID參數(shù):Kp Ki Kd當(dāng)取