基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設計【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載

基于MATLＡB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設計基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設計【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載目錄ＴOC\o”1—3”＼ｈ＼z\u摘要ＰAＧEＲEF_Toc2９38484８８＼h2AbstracｔPAGEREF_Toｃ29３84８489\h3HYPERLINK\l”＿Toc2938484９0"1概述PＡGＥREF＿Toｃ29３8484９0\h４１。1過程控制PAGＥRＥＦ_Toｃ293848４９１\h41。2串級控制系統(tǒng)PＡGＥＲEF_Tｏc29３8４８4９2\h61。3MAＴLAB軟件PＡGEREＦ_Tｏｃ2９３8484９3\h7HYPERＬINK\l”_Ｔoｃ2938４84９4”1。4MCGＳ組態(tài)軟件PAGERＥF_Toc２93８484９4＼h８2PID控制器原理PAＧEREF_Ｔoc29３8484９５\ｈ１0HYＰERＬIＮK3。1被控對象建模本系統(tǒng)以鍋爐水溫為主要控制對象,以進水流量為輔助控制對象。目的是在一定加熱功率下,控制水溫的恒定.其流程圖如圖３.１所示:圖3。1測量被控對象階躍響應流程圖溫度給定值+m2m1e1流量擾動e2c2溫度擾動主控制器流量調節(jié)器調節(jié)閥流量水溫溫度給定值+m2m1e1流量擾動e2c2溫度擾動主控制器流量調節(jié)器調節(jié)閥流量水溫溫度輸出值--圖3。2鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)框圖在控制系統(tǒng)設計工作中,需要針對被控過程中的合適對象建立數學模型.被控對象的數學模型是設計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質量指標、整定調節(jié)器參數等的重要依據.被控對象的數學模型（動態(tài)特性)是指過程在各輸入量(包括控制量和擾動量)作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數關系的數學表達式.在水溫-流量串級控制系統(tǒng)中，我們所關心的是如何在一定的電熱功率下控制好水溫的恒定。進水流量是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型,來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據。3．２測量被控對象階躍響應曲線在本設計中通過實驗建模的方法,分別測定被控對象溫度和流量在輸入階躍信號后的響應曲線和相關參數。在測定模型參數中可以通過以下兩種方法控制調節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1)通過智能調節(jié)儀表改變調節(jié)閥開度,實現對被控對象的階躍信號輸入。控制進水量供水控制進水量供水階躍輸入信號階躍響應輸出電動調節(jié)閥溫度圖3．3水溫-流量模型測定原理圖編寫程序如下：流量pv=pv1溫度ｐv=pt／測量值顯示輸出Ifset=0ｔhenOutput=６Enｄif/seｔ為０時輸出6mA電流給調節(jié)閥Ifｓeｔ=1ｔhenOuｔput＝8Endiｆ／set為1時輸出8ｍＡ電流給調節(jié)閥其中ｓet為外部輸入信號，可由按鈕設定，Outｐut為輸出信號，大小即為輸出電流值,單位mA.電動調節(jié)閥輸入信號范圍為4-20ｍA電流信號。這樣就可以實現電動調節(jié)閥階躍信號給定。6mA電流對應電動調節(jié)閥開度為（6-4)／（2０-4）=12.5%。8mA電流則對應（8—4)/（20-４）=２5%的開度。階躍前后流量測量值分別為6。５和10.2。階躍值為10。２—6.5=3.7.實際測得階躍如圖3.4:圖3．４試驗測得階越響應曲線從階躍時刻起以20ｓ為采樣周期,采得溫度數據序列如下：３3。71３3.３４32。873２．903２.12３2.01３１．7631.563１.８031.32３1。６９31.5331．16３１。２０３0。9８31.09３0.5730．9130。90３0．5８３0.３230．3330。2５３0.2530.２4３０.4８３0。1030．１629。853０。31３0.0９當給出階躍信號后，溫度響應曲線逐漸下降至穩(wěn)定,為符合一般習慣，方便處理，將數據以第一次采樣值為標準,轉換為逐漸上升至穩(wěn)定的曲線.轉換方法y=3３。71-x。式中ｙ為處理后數據，ｘ為處理前數據。得到如下數據序列：00．3７0.840．８1１.591.7０1。９52．15１。9１2．39２．０2２。182.５52.5１2。732.6２3．1４2．802．８13.103。3９3.383．46３.4６3。47３。４33.61３。553。86３。403.6２另外由試驗測得給定閥的開度分別為1２.５、2５、4０、80時對應傳感器測得流量值為６．5、10。2、14.6、26。2.3．3求取被控對象傳遞函數由于實驗測定數據可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數據進行處理,根據最小二乘法原理和實驗數據對響應曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。實驗數據中將階躍響應初始點的值作為Y軸坐標零點,后面的數據依次減去初始值處理,作為Ｙ軸上的各階躍響應數據點；將對應Y軸上階躍響應數據點的采集時間作為曲線上各X點的值。在ＭATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：〉>x＝0:20：600;>＞y=［０0．3７0.8４0。８11.５９１。701.952．151.9１2。3９2。0２2.1８２。５52。5１2.732.６23。14２.８0２．813。１０3.３93.383.463。463．47３。43３.613.55３.863．403．6２］；>〉p=ｐoｌｙfiｔ（ｘ，ｙ,４）;＞〉xi＝０：２0:600;＞＞ｙi=polyvａl（p,ｘi）;〉＞plot(x,y，xi，yi)在MATLAB中繪出曲線如下:圖3。5流量階躍響應擬合曲線如圖所示,利用四階多項式近似擬合上水箱的響應曲線，得到多項式的表達式:P(t）≈-１.5723ｅ(—10）ｔ４+2。０７54e(—７)t3－９．8８26e（—5)t２+0.024４2９t－0．0３0９9８其中，的一次項的系數為0．０2４429，即函數在零點處（＝0）的切線斜率為=0。0２4429。再利用切線法，算出傳遞函數：為傳遞函數的放大系數，為穩(wěn)定值，ｙ（0)為初值,為階躍的擾動值，大小為３.７，為零點處的斜率。計算結果開環(huán)傳遞函數：由試驗測得給定閥的開度分別為12.５、２5、４０、8０時對應傳感器測得流量值為6．5、10。２、14．6、２6.２，綜合仿真效果選用１次函數擬合閥的流量特性，以下為擬合程序：x=［12.5２5４０8０］y=［6。５10。214．626。2]p＝pｏlｙｆit（x,y，1);ｘi=［１2。525408０]；yｉ=polyｖaｌ(ｐ,xi）；plｏｔ(x，y,xｉ,yi）可得電動調節(jié)閥增益曲線如下:圖3。6調節(jié)閥增益曲線從而可得電動調節(jié)閥增益,考慮到從給出閥的控制信號到調節(jié)閥響應,再影響流量，實際是個微小的慣性環(huán)節(jié)，但由于時間常數相對鍋爐非常小，對控制的影響不大，在本設計中忽略不計。為進一步檢驗該傳遞函數的正確性，使用ｓiｍｕlinｋ仿真，組建如下系統(tǒng):SHAPE\*MＥＲGEFORMAＴ圖3.7檢驗傳遞函數仿真系統(tǒng)階躍信號幅值設為3。7,采樣時間為２0ｓ,仿真時間6０0s.階躍信號源（steｐ）給出階躍信號，作用于被控對象傳遞函數(TransfｅrFcｎ）結果輸出到示波器，仿真后由示波器所觀察到結果如圖：圖３．8檢驗傳遞函數仿真曲線為將圖3。５和圖3。8內兩條曲線在同一張圖內繪制以便比較，程序如下：〉＞ｘ=0:２0：60０;＞〉y=［00。３70。84０.811。５91.701．9５2.15１．９1２。392。022．18２.552。5１2。７3２．６23．142。802.81３.10３。393．３83。46３。463．473.4３３。613。553．86３．403.6２］;〉＞ｐ＝poｌyｆｉt(ｘ,y，4）;>〉xi=0:20：600;>>ｙｉ=ｐolｙval（p，xi)；>〉pｌot(x，y，x,a，ｘｉ，ｙi）數列a中的數據是以步長２０s仿真600ｓ得到的,因此含有３１個數據,ａ與擬合結果步長相同,由于兩階躍曲線給定階躍信號幅值相同，可認為兩條曲線所在坐標系相同，得到圖3.9:圖3．9擬和曲線與仿真曲線比較仿真曲線僅在2０0—４０0s間誤差較大約為１0％，導致誤差的原因可能是擬合時以二次曲線一部分取代慣性環(huán)節(jié)造成的，也可能是由于傳感器測量誤差導致的。誤差在接受范圍內，仿真曲線基本能反映數據曲線的變化，因而可以認為傳遞函數基本準確。4控制方案的設計及仿真有了被控對象的傳遞函數就可以確定控制方案，從而在理論上設計控制器，對系統(tǒng)進行仿真，進而對實際控制起指導意義.4.１設計控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖是控制系統(tǒng)實現的前提條件，它根據控制工藝的具體流程，反映系統(tǒng)信息的流動控制過程，本設計采用串級控制，考慮流量變化快，時間慣性小,應較快得到抑制，選擇流量作為副被控參數，副環(huán)是隨動控制，追求快速性,因而采用P調節(jié),P調節(jié)器輸出信號控制閥的開度改變流量,流量傳感器將檢測信號送回Ｐ調節(jié)器并形成負反饋,此閉環(huán)作為內環(huán)。溫度變化相對緩慢，時間慣性大，作為主被控參數，主環(huán)是定值控制，追求準確性，采用PID調節(jié).經分析可得控制工藝流程圖:圖4.1控制系統(tǒng)結構圖通過流程圖可知：將給定值與溫度傳感器反饋信號的差值輸入主調節(jié)器,進行PID運算，實現控制算。主調節(jié)器輸出信號作為內環(huán)的給定值，與流量傳感器反饋信號的差值送P調節(jié)器運算并輸出,以控制調節(jié)閥，通過流量變化，影響鍋爐溫度.得到控制系統(tǒng)框圖:流量給定值流量給定值圖4。２控制系統(tǒng)框圖4．2Ｓimuｌｉnk控制系統(tǒng)仿真Ｓｉｍuｌiｎk可以動態(tài)地模擬出在給多種信號作用下所構造控制系統(tǒng)的響應，只需將控制系統(tǒng)框圖內對象改寫為傳遞函數形式。模擬ＰID控制器的傳遞函數Ｄ(s)=U（s)／E(s)=Kp（１＋１/TｉS＋TdS）可理解為同一信號分別經比例（圖４。3中fｃn1）、積分（圖4．3中fcn2）、微分（圖4。3中fｃn3)運算后相加;P調節(jié)器為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcｎ4);鍋爐傳遞函數已求得（圖4．３中fcn）;首先假設調節(jié)閥為純比例環(huán)節(jié)（圖４。3中fcn5）,可構造如下系統(tǒng)圖,其中PＩＤ、P、閥的參數均未整定:圖4。3simulｉnk控制系統(tǒng)線性仿真考慮到實際使用中，由于閥有動作死區(qū),即位于0開度時可能有流量或小開度時無流量，達到最大開度時，控制信號盡管繼續(xù)增大但已經失去調節(jié)作用等原因（圖４。５中閥的流量特性可說明），結合圖4．６測得閥的流量特性,將閥的傳遞函數作為非線性環(huán)節(jié)處理，得到非線性系統(tǒng)圖：圖4.4sｉｍulinｋ控制系統(tǒng)非線性仿真圖4。4中PID、Ｐ參數已經整定,Saturation和Couloｍb&Vｉsｃｏusfriction兩個環(huán)節(jié)組合形成閥的流量特性。Ｓaturａt(yī)ioｎ為限幅環(huán)節(jié)，上限幅值為１０0，下限幅值為0，Ｃoulｏmｂ&Visｃoｕｓｆrictｉon為粘滯摩擦環(huán)節(jié)，函數設為y＝0.30x+2.9。4.3仿真結果分析通過參數的調節(jié)可以得到較好的響應曲線.圖4．５控制系統(tǒng)仿真響應曲線圖4.5中的響應曲線是在階躍信號初值0，終值２0，階躍時刻為0；主調節(jié)器參數為;副調節(jié)器參數為;仿真時間2000ｓ時得到的.余差（靜態(tài)偏差)Ｃ:是系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數穩(wěn)態(tài)值之差。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未考慮實際運行時可能出現的各種情況，余差必然為零。衰減率Ψ:是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標。可定義為，系統(tǒng)只有一個波峰,不存在震蕩,因而可認為衰減比為0，Ψ=1。最大偏差A（超調量σ）：對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差是指被控參數第一個波的峰值與給定值的差,隨動系統(tǒng)通常采用超調量指標，即,由圖知最大偏差約為0.6,超調量為３％.過渡過程時間：是指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參數進入新的穩(wěn)定值±5%的范圍內所經歷的時間，是衡量控制快速性的指標。由圖知,≈２20s時對應值20。６，即進入穩(wěn)定值±５％的范圍內，可認為過渡完成。綜合動靜態(tài)指標，可認為階躍響應曲線相當理想,但由于是仿真結果，未考慮模型精確度,測量精度，以及真實系統(tǒng)中所存在的未知干擾等問題，只可作為設計參考,調節(jié)器參數、實際響應曲線未必與仿真一致，實際控制中可能達不到這么好的控制效果。通過仿真參數的調節(jié)也得到了PＩD控制器參數對控制效果的影響.比例控制Kp對系統(tǒng)性能的影響：比例系數ＫP加大使系統(tǒng)的動作靈敏，響應速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，ＫＰ偏大，振蕩次數加多，調節(jié)時間加長。KP太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定.KＰ太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。KＰ可以選負數,這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KＰ的符號選擇不當,對象狀態(tài)（PV值)就會離控制目標的狀態(tài)（ＳP值）越來越遠,如果出現這樣的情況KP的符號就一定要取反。積分控制KＩ對系統(tǒng)性能的影響:積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制ＫＤ對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，KＤ偏大時,超調量較大，調節(jié)時間較短.KＤ偏小時,超調量也較大，調節(jié)時間較長.只有KD合適,才能使超調量偏小,減短調節(jié)時間。４。4串級控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真為了體現串級控制的優(yōu)勢,必須將串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力加以比較。圖4.6串級控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結構圖4．7單回路控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結構串級控制的特點在于抗二次干擾能力強，因此分別構造圖4。6，在串級控制系統(tǒng)副回路中加入階越信號來模擬流量的干擾,同時為了能夠將數據與單回路控制系統(tǒng)抗干擾效果在同一張圖內進行相比較,需要設置工作區(qū)域Ｂ，存儲方式為數列。單回路控制系統(tǒng)是采用PＩＤ控制器直接控制流量。在同樣位置加入流量的階躍干擾信號,將仿真結果輸出到工作區(qū)域Ｃ中，存儲方式為數列。只有當單回路控制系統(tǒng)的階越響應曲線與串級控制系統(tǒng)的階越響應曲線比較近似，并施加同樣的干擾信號，其抗干擾能力才具有可比性.在無干擾信號時,調節(jié)單回路控制系統(tǒng)參數,使響應曲線接近同樣階躍信號作用下串級控制系統(tǒng)響應曲線。再加入干擾信號，對于圖4。６和圖4。7中的兩個控制系統(tǒng)仿真,其仿真時間均設為4000s，采樣時間設為20ｓ。干擾信號階越時刻為200０s，階越初值0，階越終值１8。仿真后結果分別存儲于工作區(qū)域B、C中，將兩系統(tǒng)響應數據在同一張圖內進行比較，需在Matlab中編寫程序如下:x=0：20:4０00；plot（x,b，x，c)grid圖４.8兩種控制系統(tǒng)抗干擾能力比較圖圖４．8、４.9、4。１0中綠色曲線是單回路控制系統(tǒng)響應曲線，藍色曲線是串級控制系統(tǒng)響應曲線。首先放大圖中兩系統(tǒng)階躍響應部分，在圖４。9中可見兩控制系統(tǒng)在上升段基本重合，調節(jié)時間基本相同，單回路控制系統(tǒng)階躍響應超調量偏大，綜合各種指標可認為兩系統(tǒng)在階躍信號下控制效果大致相同.在兩控制系統(tǒng)控制效果相同的情況下，加入干擾信號,如圖4.１0，單回路控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差達到0.4,為穩(wěn)態(tài)值的2％，在曲線末端甚至出現小幅度波動。而串級控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差僅在0．1左右,可認為系統(tǒng)仍處于的特點穩(wěn)定狀態(tài),兩者抗干擾能力十分懸殊.充分證明了串級控制抑制二次干擾能力強。圖４。9兩種控制系統(tǒng)階越響應比較圖(放大)圖4。1０擾動時刻響應曲線（放大)5結論致謝首先,我要衷心感謝我的指導老師孫虹老師，沒有她的悉心指導，我也不會這么順利的完成我的畢業(yè)設計.其次,我要感謝我的母校，四年來，在母校的栽培下，使我順利的完成了學業(yè),并且給我的學生時代劃上了完美的句點。最后,我要感謝我的父母，是他們的無私奉獻供養(yǎng)了我上大學，我才會有今天的成績，衷心的感謝他們！本次畢業(yè)設計從一接到任務書，就在孫虹老師的悉心指導下，還有我自己的查閱資料，我了解到了串級控制的作用，還有PID控制的作用,也知道了MATＬＡB軟件使得工程應用變得更加快捷和方便。同時了解綜合應用過程控制理論以及近年來興起的仿真技術、計算機遠程控制、組態(tài)軟件,設計了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。從而一步步的順利完成任務。在此過程當中，我學到了很多有用的東西,讓我把整個本科知識又回顧了一遍,為以后進入社會打下了良好的基礎，同時在查閱資料的過程當中也學到許多,新的或者以前未掌握的知識,在此,我要感謝學校能夠給我這次畢業(yè)設計的機會，讓我從中受益匪淺。參考文獻[１]胡壽松主編。自動控制原理(第五版)。科學出版社.２007［2］張曉華主編?？刂葡到y(tǒng)數字仿真與CAＤ。機械工業(yè)出版社。1９９9［３]于海生主編．計算機控制技術.機械工業(yè)出版社．2007［４]劉文定，王東林主編.過程控制系統(tǒng)的MAＴＬAＢ仿真。機械工業(yè)出版社。20０9［5］薛定宇主編。控制系統(tǒng)計算機輔助設計——MＡＴLAB語言與應用。清華大學出版社。200６［6]ＴheMathＷorｋs。Ｉcn《MATLABHELＰ》2004[7］ICPDAS《UserMａnｕal》2０0０[8］邵裕森,戴先中《過程控制工程》北京機械工業(yè)出版社２0００PID控制簡介當今的自動控制技術都是基于反饋的概念.反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是,做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例—積分－微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。ＰIＤ控制器由比例單元（Ｐ）、積分單元（I)和微分單元（D)組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數(Kp,Ti和Td)即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元,但比例控制單元是必不可少的.首先,ＰID應用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng),這樣PID就可控制了。其次,ＰID參數較易整定。也就是,PID參數Kｐ，Ti和Ｔd可以根據過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數就可以重新整定。第三，PＩD控制器在實踐中也不斷的得到改進,下面是兩個改進的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PIＤ的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產品質量、安全、產量和能源浪費等問題的困擾.PID參數自整定就是為了處理ＰＩD參數整定這個問題而產生的。現在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設計的PID控制器控制得很好，但它們仍存在一些問題需要解決：如果自整定要以模型為基礎,為了ＰＩD參數的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數自整定在工業(yè)應用不是太好.如果自整定是基于控制律的，經常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來,因此受到干擾的影響控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外,由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問題.因此，許多自身整定參數的PＩＤ控制器經常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PIＤ參數.PIＤ在控制非線性、時變、耦合及參數和結構不確定的復雜過程時,工作地不是太好.最重要的是，如果ＰＩＤ控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數都沒用。雖然有這些缺點,ＰID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現代化水平的一個重要標志.同時，控制理論的發(fā)展也經歷了古典控制理論、現代控制理論和智能控制理論三個階段.智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋涍^輸出接口、執(zhí)行機構,加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量,經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PＩD控制及其控制器或智能PID控制器（儀表)已經很多,產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PＩD控制器產品，各大公司都開發(fā)了具有PＩD參數自整定功能的智能調節(jié)器(ｉｎteｌliｇeｎtregｕlatｏr),其中PIＤ控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現。有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現ＰID控制功能的可編程控制器（PLC)，還有可實現PID控制的PＣ系統(tǒng)等等.可編程控制器(ＰLＣ）是利用其閉環(huán)控制模塊來實現PID控制,而可編程控制器（PLＣ)可以直接與ControｌＮet相連,如Rｏｃkwell的ＰLC－5等。還有可以實現PＩD控制功能的控制器,如Rockwelｌ的Logｉｘ產品系列，它可以直接與ＣoｎｔｒolＮeｔ相連,利用網絡來實現其遠程控制功能.1、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量）會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋,若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng).閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多.比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。3、階躍響應階躍響應是指將一個階躍輸入（stepｆuｎctｉon）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作,首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應上看應該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應的快速性，通常用上升時間來定量描述.4、PID控制的原理和特點在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PＩD控制,又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近7０年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一.當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時,系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定,這時應用PIＤ控制技術最為方便.即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PID控制技術。PＩD控制，實際中也有PＩ和PＤ控制。PＩD控制器就是根據系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的.比例（P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(Ｉ）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”.積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差.微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率)成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié)）或有滯后組件,具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前"，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例"項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢,這樣,具有比例＋微分的控制器,就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值,從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例＋微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。設計題目:基于單片機的流量控制系統(tǒng)設計學生姓名：專業(yè)：測控技術與儀器班級學號:指導教師設計時間:2０10。６．28—2００8。7.1１《過程控制系統(tǒng)》課程設計任務書專業(yè)測控技術與儀器班級姓名設計題目:基于單片機的流量控制系統(tǒng)設計一、設計實驗條件過程控制系統(tǒng)實驗室實驗系統(tǒng)二、設計任務1、設計電磁流量計為流量傳感器，單片機為核心流量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水泵、水泵電機、流量傳感器、電動閥門、閥門電機、單片機控制系統(tǒng)等組成。2、寫出流量控制過程，繪制控制系統(tǒng)組成框圖3、利用單片機對流量進行控制（1)系統(tǒng)硬件電路設計單片機采用89Ｓ52；設計鍵盤及顯示電路，電機控制電路（可控硅,光電耦合器）。(2）編制流量控制程序三、設計說明書的內容設計題目與設計任務(設計任務書)前言(緒論)(設計的目的、意義等）主體設計部分參考文獻結束語四、設計時間與設計時間安排１、設計時間:2周2、設計時間安排:熟悉實驗設備、實驗、收集資料：4天設計計算、繪制技術圖紙：４天編寫課程設計說明書：5天答辯：1天一，流量控制系統(tǒng)設計意義工業(yè)生產中過程控制是流量測量與儀表應用的一大領域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數，人們通過這些參數對生產過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調節(jié)是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎.流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛。【１】在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現在，天然氣的計量引起了人們的特別關注，因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中，需要數以百萬計的流量計,其中有些流量計涉及到的結算金額數字巨大，對測量和控制準確度和可靠性要求特別高。此外，在環(huán)境保護領域，流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴荆仨殞ξ廴敬髿獾臒煔庖约捌渌麥厥覛怏w排放量進行監(jiān)測;廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理,對排放量進行控制.于是數以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象.同時在科學試驗領域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。流量計在現代農業(yè)、水利建設、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領域等也都有廣泛的應用。二，系統(tǒng)方案１、方案整體思路液體流量控制通常采用電動調節(jié)閥實現，近年來,電動調節(jié)閥的結構和控制方式發(fā)生了很大的變化，隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，使采用全控制的開關功率元件進行脈寬調制（ｐulsｅwiｄthmoduｌation,簡稱PWM）控制方式得到了廣泛的應用。這種控制方式很容易在單片機中實現，從而為電動調節(jié)閥的控制數字化提供了基礎。將偏差的比例（propｏrtｉon）、積分（inｔegral）、微分（dｉffｅrentiaｌ）通過線性組合構成數字控制量,構成數字PID控制器,它具有非常強的靈活性，可以根據試驗和經驗在線調整參數，因此可以得到更好的控制性能。本系統(tǒng)采用C51系列的8９Ｓ52單片機為核心，通過設置89S５2單片機的定時器產生脈寬可調的PWM波【2】,對閥門電機的輸入電壓進行調制，實現閥門開度的變化，進而實現了對液體流量的控制。單片機通過電磁流量計采集實際流量信號，根據該信號對其內部采用數字PＩD算法對PＷM變量的值進行修改,從而達到對流量的閉環(huán)精確控制。2、實現流程流量控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，在設計的過程中,必須明確它的組成部分。過程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元,其框圖如圖1所示.直流電機直流電機PID控制器閥門設定值流量輸出圖1流量過程控制組成框圖電磁流量計：對輸出流量進行檢測，并與設定值比較，差值作為控制器的輸入。PID控制器：對差值進行Ｐ、I、D運算,輸出對應得模擬量控制電機正反轉和轉速.直流電機:根據控制器輸出正反轉，控制閥門開度增大或減小。閥門:直接控制流量的執(zhí)行機構.所以，在這個系統(tǒng)的設計中，主要設計以上幾個部分.除此之外,根據題目要求，還要選取合適的控制算法來達到滿足系統(tǒng)參數的要求。具體就是確定控制器的算法和如何控制閥門開度,因為這兩部分是實現本系統(tǒng)控制目的的關鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統(tǒng)實現效果的優(yōu)劣.3、控制器算法與PWM波形輸出流量是一個普通而又重要的物理量，在許多領域里人們需對它進行測量和控制.本系對流量控制采用PIＤ算法，它具有結構簡單、易于理解和實現，且一些高級控制都是以PID為基礎改進的.在工業(yè)過程控制中９０%以上的控制系統(tǒng)回路具有ＰID結構，圖2ＰＩD控制原理框圖PID調節(jié)器的離散化表達式為比例調節(jié)的作用是使調節(jié)過程趨于穩(wěn)定,但會產生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定;微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。PWM波形輸出:用89S52單片機的定時器0和定時器1交替工作，產生連續(xù)的與偏差大小有關的占空比可調的ＰWＭ波形.首先，定時器０定時時間到,產生中斷,置位ＰWM輸出口并開啟定時器1，定時器1定時期間PWM輸出高電平，且定時器1的定時時間可調,與偏差的ＰIＤ運算結果有關，所以能輸出占空比變化的PWM波，控制電機轉動,進而控制閥門開度和流量.三、系統(tǒng)硬件設計1、總體設計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng).為了實現流量的自動測量和控制，采用了89S５2單片機作為系統(tǒng)的控制中心，由數據采集模塊檢測到的流量信號傳入單片機，并根據接收到的數據進行處理和控制運算，同時將數據保存，以便與下一次采樣值進行比較,根據系統(tǒng)程序控制，進行ＰＩD運算以及PＷM輸出控制電機轉速，最終由CPU控制電機正反轉,達到調節(jié)流量的目的.系統(tǒng)還具有鍵盤設定模塊，便于用戶與系統(tǒng)之間的對話。系統(tǒng)的硬件結構較簡單，由若干個功能模塊組成。具體結構圖圖3及說明如下,89S52單片機鍵盤數據采集直流電機閥門數據顯示圖3功能模塊結構圖鍵盤設定：設定控制系統(tǒng)要求的流量大小。數據采集：用滑動變阻器分壓模擬流量大小。直流電機：接收單片機的控制信號進行正反轉和轉速調節(jié),帶動閥門轉動。2、部分外部電路設計２.1數碼管顯示電路采用四聯排共陰極數碼管進行顯示，具有四位數碼管,這四個數碼管的段選a、b、c、d、ｅ、f、g分別接在一起,每一個都擁有一個共陰的位選端。P3口控制數碼管的點亮情況。因為單片機的IO口輸出功率有限，需要使用74ＬＳ37４芯片進行鎖存。此外還用一個電阻R－PＡCＫ8來保護LED。2.2、直流電機控制電路直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域,高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件（ＧTR、ＧTO、MＯSFET、IGBT等）的發(fā)展，以及脈寬調制（PＷＭ）直流調速技術的應用,直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng).但是,專用集成電路構成的直流電機驅動器的輸出功率有限,不適合大功率直流電機驅動需求。因此采用三極管構建H橋【３】,實現大功率直流電機驅動控制。該驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求,并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口,可應用PWＭ技術實現直流電機調速控制.單片機的P10引腳輸出高低電平控制電機的正反轉,P１1輸出PWM波形控制電機轉速.具體為：①當Ｐ１0為高電平時，三極管Q3、Q2導通,所以Ｑ4導通，而Q2導通鉗制電位為0.9Ｖ，所以不論P1１是高還是低,Q1、Q７都不導通，即電機電流從左向右流，電機正轉。②當P10為低電平,Q3Ｑ2不導通，所以Q４不導通。當Ｐ11為高電平時電機反轉，當Ｐ1１為低電平是,電機停轉。四系統(tǒng)軟件設計１、程序結構說明任何一個系統(tǒng)的軟件設計都離不開硬件電路的連接，所以本課題硬件設計的高度模塊化決定了軟件設計的模塊化。主要包括：主控程序模塊、鍵盤掃描及處理子程序、采樣數據處理子程序、PID算法子程序、電機驅動與控制子程序和顯示等子程序幾個部分。結構圖如下:主程序主程序鍵盤輸入數碼管顯示數據采集PID運算直流電機圖４程序結構圖主控程序模塊在整個結構中充當管理者,管理所有子程序的調用，就相當于個人計算機的操作系統(tǒng)。它主要負責初始化各個Ｉ/O口，等待鍵盤事件的發(fā)生，并作出相應的處理。并在適當的時候調用數據采樣程序,并將采樣到的數據與鍵盤設定值比較.再通過ＰＩD計算后用以控制電機轉動，從而控制閥門開度，來達到流量的準確控制.２、程序流程圖及部分程序２。1主程序說明２。1。1主程序流程圖開始開始系統(tǒng)初始化SW=1?？？？AD轉換鍵盤設定鍵盤設定鍵盤設定DR=1？？？？？電機正轉電機反轉NYYN圖5主程序流程圖2．１。2主程序具體程序:/＊＊****＊**＊*＊＊＊＊*＊＊＊＊主函數*＊＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊**＊＊*＊＊**＊**＊/main(）//主程序{TＭOＤ=０x2１;/／0b00100001timer0模式1(１6位)，tiｍｅr1自動重裝載TH0＝0xfc；//１ms延時常數1２MＴL0=０x1８；//低電平時間調節(jié)TH1＝0x7f;／/定時器1賦初值TＬ１=0;EA=1;ET０=1；EＴ1=1；／/開中斷wｈile（1){iｆ(sｗ=＝1)／/循環(huán)判斷開關狀態(tài)，并執(zhí)行相應的程序｛AD_ｖaｌ(）；//調用TＣL549采集處理displａｙ（uuu);｝else{KＢ_Scａn1（)；dispｌaｙ（sc);}PIＤ()；｝／/每個循環(huán)的最后執(zhí)行一次PＩD運算，實時控制電機}從主程序中可以看出,在進行一系列程序調用之前對系統(tǒng)進行初始化，然后判斷開關狀態(tài)程序有所反應.然后進行一系列子程序,進行A/Ｄ轉換和PID計算,將其結果用來控制直流電機。2.2鍵盤程序2.２。1鍵盤掃描及鍵值識別的原理【4】由于機械觸點有彈性，在按下或彈起按鍵時會出現抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經過數毫秒的彈跳時間，如圖所示.為了保證探險鍵識別的準確性,必須消除抖動。消抖處理有硬件和軟件兩種方法:硬件消抖是利用加支抖動電路濾避免產生抖動信號;軟件消抖是利用數字濾波技術來消除抖動。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時，則說明是某鍵按下。對于鍵值識別，我們用一條switch語句，把按鍵的編碼和鍵值對應起來。2．2.2鍵盤具體程序vｏidKB＿Scan１(void){uchａrtmp,liｎe，ｉ,fｌag,ｐress；//定義局部變量iｆ（liｅ1==０｜lie2=＝0|ｌie3==０）return;/／判斷是否有鍵按下，如有,返回。消除重鍵問題ｌine=0xＦＥ；ｆor(i＝1；i〈=4;ｉ＋+）{P２=ｌinｅ；／/依次給P2口低四位送低電平，讀高四位判斷是否有鍵按下。tmp=Ｐ２；/／讀取鍵盤口數據寄存器tmp＆＝0x７０;if(tmp！=0x70){tmp=P2；flag=1；brｅak;}elseline＝(linｅ<＜1）|0x01；}if(i==5){ｔｍp=0xFF;flag=0；｝ｓwitch（tｍp）//用switｃh語句把編碼轉換為對應的鍵值。｛case0xEE:presｓ=1；ｂreａk；caｓe0xDE:presｓ=2;breａｋ；ｃase0xBE：press＝３;brｅak;case０xＥＤ:press=４；breａk；case０xＤD：ｐrｅｓs=5;ｂreak；casｅ0xBD：press=6；bｒeaｋ；case0xEB:preｓs=7；bｒｅak;case0xDＢ:press=8；brｅaｋ；ｃａse０xＢＢ：ｐreｓs=9;brｅａk；case0xＤ7：press=０;brｅaｋ;default：break;｝ｉf（flａg=＝1）/／如果有鍵按下,把每次的值存放到bｕf［］中，方便以后調用.｛buｆ［2］=ｂuf[１］；buｆ［1］=bｕf[0］;bｕf［0］=pｒess；}}2。3數字PID及電機控制程序由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量【５】，所以一般使用增量型控制，它控制穩(wěn)定，誤動作影響小。其算式如下:這個計算的過程可用一個簡單的程序來實現./*＊**＊＊＊＊＊＊＊*＊*＊PIＤ服務程序＊*******＊＊＊＊*／voiｄPID（){douｂleｅ０,ｅ１，e２；ucｈardu，out1；ucｈarkp=１6,kｄ＝0，ki=0；／/ｔｓ＝1；e０＝e１；e1=e2；e2=(ｓc-uｕｕ）;///10;/／設定值－采集量ｉf(e2〉＝0)｛ｄirecｔion=１；//設定值-采集量>０,電機正轉，開大閥門。if（e２〉＝20)//測得偏差值與設定偏差值進行比較,若不在設定范圍內則滿功率正轉。｛TR0=0；PWM=1；｝else{du=１0＊ｅ2;//(ｅ2-e1）+ki*e2+ｋｄ＊（e2－２＊ｅ1＋e0)；//ＰID算法ｏｕt1=dｕ;/／+oｕt０；TR0=1；／／若到達設定范圍則調用PIＤ程序，進行有效功率轉動.}}elseiｆ（ｅ２＜0){ｄirectｉｏｎ=0；//設定值—采集量<0，電機反轉，關小閥門。iｆ(e２〈-２0）//測得偏差值與設定偏差值進行比較,若不在設定范圍內則滿功率反轉.{TR0=0;ＰWＭ=1；｝eｌse｛du＝10*ｅ2；／/（ｅ2—e1)+ｋi*e2+kd*(e2－２＊e1+ｅ0);／/PIＤ算法out1=—du;//+oｕｔ０；TR0=１;/／若到達設定范圍則調用PＩD程序