南京工业大学生产实习报告—十机架连轧机分部传动直流调速系统的设计.

1、南京工业大学 自动化与电气工程学院 生产实习报告 （20122013 第 2 学期） 题 目：十机架连轧机分部传动直流调速系统 系（院）：自动化学院 班 级：自动化 姓名： 学 号: 第一章 调速技术部分 1.1 设计要求 (1) 电枢回路总电阻取 R=2R总分轮力矩 gD=2.5GD=2.5*31.36 N ?M,极对数 P=1。 (2) 其它未尽参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的 有关数据。 (3) 要求：调速范围D=10,静差率S=5%稳态无静差，电流超调量S i%=5%电 流脉动系数S=10%启动到额定转速时的转速退饱和超调量 S N=6I er （uf）=6*0

2、.1*62.99/120=2.625uf U2 式中S-变压器容量（KVA; U 2-变压器二次相电压有效值（V）; lemi-变压器励磁电流百分数，对于10100KVA勺变压器，一般为10%4% 电阻值 R C=5L21/I 21=5*120/170.544=3.518 Q B. 非线性电阻保护方式 非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。 压敏电阻的标称电压 UiMa=1.3 .2 U=1.3* 2*120=220.6V 式中U-压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。 C. 直流侧过电压保护直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻保护，但采 用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成di

3、/dt加大，一般只用压敏电阻作过 压保护。 压敏电阻的标称电压 UiMa=2UDC =2*2.34U 2=2*2.34*120=561.6V （2）晶闸管及整流二极管两端的过电压保护为了抑制晶闸管的关断过电 压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根 据查经验数据表得到 晶闸管额定电流 10 20 50 100 200 500 100 电容（uf） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 1 电阻（Q ） 100 80 40 20 10 5 2 表1.1阻容保护的原件参数 (3) 过电流保护 快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相 比，具有快

4、速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶 闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有 效。 图1.3快速熔断器的安装方法 (4) 电压和电流上升率的限制不同规格的晶闸管对最大的电压上升率及 电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电压 及电流变化率的方法有 A 交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器Lb的计算公式为 B=0.04U2 2二f *0.8161 =8.96H dN 式中交流器输出额定电流I dN，电源频率f,变压器二次相电压U2 B. 在桥臂上串联空心电感，电感值取 2030卩H为宜。 C. 在功率较大或频

5、率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间 增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电感 在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的， 还可以缩短晶闸管的关断时间。 1.3.4平波电抗器的计算 晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电 流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。 (1) 电动机电枢电感LD Ld Un 2pnn In *1000=8*220*1000/(2*2*1450*209)=2.9mH 对于快速无补偿电动机KD取8,磁极对数p=2 (2) 变压器电感Lt为 u2

6、Lt 二 KTUdl - *1000=3.9*0.05*120/209=0.12mH I N 式中 Kt = 3.9, U di =0.05 o (3) 平波电抗器的选择。维持电流连续时的 LP为 u2 LP 二 L, - 2LtLd = K,- -(2Lt Ld) =0.639*120/(0.05*209)-(2*0.12+2. I d min 9)=7.33-3.14=4.19(mH) 式中，K 0.693, Id min = 0.051 N o 限制电流的脉动系数Si =5%寸，Lp值为 U2 Lp- 2Lt Ld in - -(2Lt Ld) =1.045*120/(0.05*291)

7、-3.14=8.62- Si I N 3.14=5.48 (mH 取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为 5.48mH时，电流连续和脉动要 求能同时满足。 1.4 触发电路的选择与校验 触发电路可选择锯齿波同步触发电路，也可选择 KC系列集成触发电路。 此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试方便，性能稳定可靠。 其缺点是移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变 率小于5%适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。 选用集成电路MC787组成的三相触发电路，如图2-5所示。该集成块由同步 过零、锯齿波形成电路、比较电路、抗干扰锁定电路、调制脉冲发生器、脉冲形 成

8、电路、脉冲分配及驱动电路组成。 图1.4的三相触发电路原理接线图，可作为触发三相全控桥或三相交流调压 晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络 滤波分压，并产生30相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输出端采用 等值电阻进行1/2分压，以保证对称。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压 器触发晶闸管。 1.5 控制电路的计算 1.5.1给定电源和给定环节的设计 根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成 稳压管的可调输出电路。 由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压Vc又 为正电压，故给定电压 UG就为负电压，而一切反

9、馈均取正值，为此给定电压与 触发器共用一个15V的电源，用一个2.2K Q ,1W电位器引出给定电压。 1.5.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计 (1) 测速发电机的选择 有电机参数可知选用的直流测速发电机的参数有： 额定电压EtG=40V,nTG=2000r/min负载电阻FTg=2KQ的电位器。由于主电动机的额 定转速为1450r/min ,因此，测速发电机发出最高电压为 29V,给定电源15V,只 要适当取反馈系数a，即可满足系统要求。 (2) 转速负反馈环节设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速反馈系 a =Lh*/n N=15/1450=0

10、.01V?min/r (3) 电流负反馈环节设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系 B =0.05V/A (4) 调速系统的静态参数 士 f 士仃 士 一亠轴 来a木 U n I n Ra 230 - 209 * 0.3 n d d，- 电动机电动势常数 ：Ce=一 -=0.115 nN1450 按要求调速系统的静态速降： nN=S =1450 5%=7.63r/min D(1 S ) 10(15%) 1.6 双闭环直流调速系统的动态设计 (1)电流调节器的设计 1)确定时间常数 在三相桥式全控电路有: 已知T0.0017s ,人=0.002s，所以电流环小时间常数 T Wc

11、i，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件: Tm Tl 1.84 0.03耳曲血，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件: Ts T 3、0.0017 0.002 1 1 1 3 = 180.8S，Wci ，满足条件。 5)计算调节器的电阻和电容 取运算放大器的Ro=40k，有Ri = Ki Ro =4.32 40=511.68，取 172.8 心, Coi Wa 180 4Toi R 心，G亠警 40 k1 R180k。.17吓，取 .2 F， K i 1 _3.240.03s 1 R is 0.03s 0.2 其结构图如下所示: Ri Ci RD/2 寺Coi 工Coi 4-

12、 Rlal 图1.5电流调节器 (2) 转速调节器的设计 1)确定时间常数： 1 有KI T = 0.5,则 厂=2T=2 0.0037s = 0.0074s，已知转速环滤波时间 _K|_ 1 常数 Ton=0.01s，故转速环小时间常数Tn =0.0074 0.0 0.0174s。 Ki 2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 WASR S = Kn nS 1 n S Kn-转速调节器的比例系数 n-转速调节器的超前时间常数 3）计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为: 5= 4 0.0174 = 0.0696s， 转速环开环增益 K

13、n 5 2 420.01742 -516.1s ASR的比例系数为： h1C J 5 0.05。11584,7.86。 2h： RT=n2 4 0.007 0.8 0.0174 4）检验近似条件 k 转速环截止频率为 Wcnn 二 Kn n =516.1 0.0696 = 35.92 w 电流环传递函数简化条件为 1 K| = 1135.1 3 I 31 0.0037 =63.7sWcn， 满足条件 转速环小时间常数近似处理条件为: 近似条件。 5）计算调节器电阻和电容： 1 Ki _ 1 135.1 3匚-0.01 =38.7s，Wcn，满足 取 R0=4Ok，贝U Rn =Kn R =67

14、.86 40 =2714.42，取 3000k。 宀噥驚皿咖，取 0.1 “F Con 4 0.01 40k-.1 = VF，取 1 JF 故WASRs 二 Kn ns 167.86 O.696s 1 0.0696s 。其结构图如下: sa/2 RO/2 JCert T Cor I R0/2 Rbsl Rl Cn czHr 图1.6转速调节器 校核转速超调量：由h=4,查得匚n =43.6%10% ,不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算6。设理想空载z=0， h=4时，查得 Cmax =77.5%,所以 Cb 18.25 0.8 2(_22)( _乙)込1冃=2 77.5% 1.5115

15、 Cbn Tm1450 =0.00264 =0.264% 10% 满足设计要求. 1.7 系统的计算机仿真 1.7.1开环调速系统的建模与仿真 从原理结构图可知，该系统由给定环节、脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波 电抗器、直流电动机部分等组成。 下图是采用面向电气原理结构图方法作的开环直流调速系统的仿真模型。 A.系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 1. 主电路的建模和参数的设置 开环直流调速系统的主电路由三相对称交流的电压源、晶闸管整流桥、平波 电抗器、直流电动机部分等组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分 割的两个环节 通常作为一个组合体来讨

16、论，所以将触发器归到主电路进行建模 (1) 三相对称交流电压源的建模和参数设置 为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。 双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框， A相交流电压源参 数设置如下，幅值取220V、初相位设置为0、频率为50Hz、其他为默认值；B、 C相交流电源参数设置方法同 A相相同。初相位设置为互差120。外，其他参数 同A.由此可得到三相对称交流电源，本模型的相序是 A-C-B. (2) 晶闸管整流桥的建模和参数设置 采用三相整流桥，桥臂取 3,; 般情况下，晶闸管的参数取默认值，仿真 理想就为默认值，不理想再优化参数。 (3) 平波电抗器的建模和

17、参数设置 平波电抗器的类型直接选择为电感就可以了，其电感值可通过仿真进行优 化。 (4) 直流电动机的建模和参数设置 双击直流电动机的图标，打开电动机的参数设置对话框，对其参数有转速n、 电枢电流In、激磁电流If、电磁转矩Te均按计算的实际值设置。 (5) 脉冲触发器的建模和参数设置 通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，同步脉冲触发 器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。同步脉冲触发器如下图所示。 2. 控制电路的建模与仿真 开环直流调速系统只有一个给定环节， 双击给定环节模块，打开参数设置对 话框，设置参数。 (二)开环调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 图1.7开环

18、调速系统仿真模型 1.7.2单闭环有静差调速系统的建模与仿真 从原理结构图可知，该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、晶 闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分等组成。 下图是采用面向电气原理结构图方法作的单闭环有静差调速系统的仿真模 型。 （一）系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 1. 主电路的建模和参数的设置 主电路与开环调速系统相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。 2. 控制电路的建模与仿真 单闭环有静差调速系统由给定环节、 速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管 整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节部分

19、等组成。另增加了限幅器、 偏置、反向器等模块。 给定信号模块的建模和参数的设置方法与开环调速系统相同。 速度调节器、限幅器、偏置、反向器等模块的建模和参数的设置方法很简单，找 到相应的模块，进行相应参数的设置即可。 （二）单闭环有静差调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 Gailn AB BC |pphes n Ideal Switch iu bber,. Rain povi rgui Universal Bridge 0 CF -H alack Synchronized ulse Generator de 图1.8单闭环有静差调速系统的仿真模型 1.7.3转速、电流双闭环无静差调速系统的

20、建模与仿真 多环直流调速系统与开环、单闭环直流调速系统的主电路模型一样，主电路由交 流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈 环节部分等组成。差别在控制电路上。 （一）系统的建模和模型参数设置 系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分 1. 主电路的建模和参数的设置 转速、电流双闭环无静差调速系统主电路的建模和参数的设置与单闭环有静差调 速系统大部分相同，只是平波电抗器的电感值设置不同，具体不再叙述。 2. 控制电路的建模与仿真 转速、电流双闭环无静差调速系统的控制电路由给定环节、速度调节器、电 流调节器、限幅器、偏置电路、反向器、电流反馈环节、速度反馈环

21、节部分等组 成。 给定信号模块的建模和参数的设置方法与单闭环调速系统相同。 （二）双闭环转速、电流调速系统的仿真、仿真结果输出及结果分析。 Sianil 130 pi - *0 图1.9转速电流双闭环直流调速系统仿真模型 ACR 第二章计算机控制技术部分 2.1 对温控系统进行建模及 MATLA仿真 2.1.1 单片机在炉温控制系统中的运用 温度是工业对象中一个主要的被控参数， 它是一种常见的过程变量，因为它 直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以 及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和 产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要

22、的构成部分， 它的功能是将温度 控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。 一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制 效果。如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制 已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行， 提高了产品的数量与质量，减轻 了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规 律变化。 实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、 经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动 条件等方面都显示出无比的优越性。 单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运

23、行可靠，价值低廉，因此在 过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面 得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。 本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809乍为A/D转换器件，采 用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度， 最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。 2.1.2 系统的基本工作原理 整个炉温控制系统由两大部分组成。一部分由计算机和A/D和D/A转换电路 组成。主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。另外一部分由传 感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。 炉温控制

24、的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有 效电压，有效电压可在 0140V内变化。可控硅的导通角为 05bH=温度传感 器是通过一只热敏电阻及其放大电路组成，温度越高其输出电压越小。 外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与关断的占空比时间， 如果炉温低于设 定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。 温度控制电路原理图如图2.1所示。 图2.1温度控制电路原理图 2.1.3 温控系统控制算法设计 1. 温度控制算法的比较 (1) .经典控制算法 经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控制策略，主 要包括PID控制、Smith预估控制、大

25、林算法这几种方法。 PID控制器由于具有算法简单，鲁棒性好和可靠性高等特点，因而在实际控 制系统设计中得到了广泛的应用。PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定， 以求得到最佳控制效果。然而PID在时滞过程中的应用受到一定的限制，由于PID 算法只有在系统模型参数为非时变的情况下，才能获得理想效果。当一个调好参 数PID控制器被应用到模型参数时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。 Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统控制方法，该方法是一个时滞预估 补偿算法。它通过估计对象的动态特性，用一个预估模型进行补偿，从而得到一个 没有时滞的被调节量反馈到控制器，使得整个系统的控制就如没有时滞环

26、节，减 小超调量，提高系统的稳定性并且加速调节过程，提高系统的快速性。理论上 Smith预估器可以完全消除时滞的影响，但是在实际应用中却不尽人意，主要原因 在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型，当估计模型和实际对象有 误差时,控制品质就会严重恶化，因而影响了 Smith预估器在实际应用中的控制性 能。 大林算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞 后特性而提出的一种控制算法。该算法的目标是设计一个合适的数字调节器 D(z)，使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，而且 要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。大林算法

27、方法比较简 单，只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D(z)，就能够有效地克 服纯滞后的不利影响，因而在工业生产中得到了广泛应用。 但它的缺点是设计中 存在振铃现象，且与Smith算法一样，需要一个准确的过程数字模型，当模型误 差较大时，控制质量将大大恶化，甚至系统会变得不稳定。 (2) .智能控制算法 智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自 动控制，它包括模糊控制、神经网络控制、遗传算法等。 模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点， 从 广义上讲，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的一种控制方 式,模糊控制不需要精确的数

28、学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。 模糊控制是一种基于专家规则的控制方法。在时滞过程中，模糊控制一般是针对 误差和误差变化率而进行的，将输入量的精确值模糊化，根据输入变量和模糊规 则,按照模糊推理合成规则计算控制量，再将它清晰化，得到精确输出控制过程， 其中模糊规则是最重要的。但是,模糊控制存在控制精度不高、算法复杂等缺点。 神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构机理以及人的知识和经验对系 统的控制。人们普遍认为，神经网络控制系统的智能性、鲁棒性均较好，能处理 高维、非线性、强耦合和不确定性的复杂工业生产工程的控制问题，其显著特点 是具有学习能力。神经网络的主要优势在于能够充分逼近

29、任意复杂的非线性系 统，且有很强的鲁棒性和容错性。一般来说，神经网络用于控制有两种方法，一 种是用来实现建模，一种是直接作为控制器使用。与模糊控制一样，神经网络也 存在算法复杂的缺点，同时神经网络学习和训练比较费时， 对训练集的要求也很 高。 经典控制方法由于具有结构简单、可靠性及实用性强等特点，在实际生产过 程中得到了广泛的应用。但它们都是基于参数模型的控制方法， 因而自适应性和 鲁棒性差、对模型精确性要求高、抗干扰能力差。而智能控制是非参数模型的控 制方法，因而在鲁棒性、抗干扰能力方面有很大的优势。但智能控制也有其不足 之处，即理论性太强，算法过于复杂，大多数方法还仅局限于理论和仿真研究，

30、 能在试验装置上和工业生产中应用的并不多。根据这两类控制方法的特点，将它 们结合起来进行复合控制是一种有效的时滞系统控制策略，成功的应用有模糊 PID控制、模糊Smith控制、神经元Smith预估控制、Smith-NN预估控制等。这 些方法既能利用经典控制方法结构简单、可靠性和实用性强的特点，又能发挥智 能控制自适应性和鲁棒性好，抗干扰能力强的优势，弥补了各自的不足，在大时 滞控制系统中具有很好的应用前景。 2. 控制算法的选择 PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结 构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种 PID 的变型，如PI、P

31、D控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出 数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被 控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性 更强。所以该系统采用PID控制算法。 系统的结构框图如图2.2所示: 图2.2系统结构框图 该系统利用单片机可以方便地实现对 PID参数的选择与设定，实现工业过程 中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送 入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得 出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。 利用单

32、片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID 控制和键盘终端处理(各参数数值的修正)及显示。在设计中应该注意，采样周 期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且 计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除， 使调节品质下降。 3. 数字PID算法 (1) 模拟数字算法 规律： u(t) = Kpe(t)1 ：e(t)dt Td de(t)(3-1 ) T| pdt 对式(3-1 )取拉普拉斯变换，并整理后得到模拟PID调节器的传递函数为： (3-2) q+TDS 式中：e(t)二r(t) -y(t)称为偏差值，可作为温

33、度调节器的输入信号，其中r(t) 为给定值，y(t)为被测变量值；Kp为比例系数；T|为积分时间常数；Td为微分 时间常数；u(t)为调节器的输出控制电压信号。 由式(3-1 )、式(3-2 )可以看出，在PID调节中，比例控制能迅速反应误 差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，Kp的加大，会引起系统的 不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累， 输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差， 积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超 调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调

34、整时间，从而改善系统的动态性能。将 P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使 系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效 果。 (2) 数字PID算法 因为计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制 量。因此在计算机控制系统中，必须对式(3-1 )进行离散化处理。设采样周期 为T,第k次采样得到的输入偏差为e(k)，调节器的输出为u(k)，作如下近似： (用差分代替微分) de(t) e(k)-e(k-1) 阳 dtT k e(t)dt ：八 Te(i) i 4 (用求和代替积分) 这样，式(3-1)便可改写为位置式PID控制算法: k (2-3)

35、 u k = Kpek K, e i KD b(k) -e k -1 1 i =0 其中，u(k)为调节器第k次输出值；e(k)、e(k -1)分别为第k次和第k-1次 米样时刻的偏差值。由式可知：u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机 构的位置一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由 于算式中存在累加项，而且输出的控制量不仅与本次偏差有关， 还与过去历次采 样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以 在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型 PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位

36、器等具有 保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。 在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用位置型PID 控制算法，可得到增量型PID控制算法的递推形式为： ：u(k)二 Kpe(k) -e(k -1) KIe(k) KDe(k) 2e(k -1) e(k -2)(2-4) 与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点： (1) 位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏 差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积 分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响 较小，容易取得较好的控制效果

37、。 (2) 为实现手动一自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为 原始阀门开度，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算 式中不出现项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。 (3) 采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算 机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响 2.1.4 最佳控制PID系统参数测定 1.系统结构图如图2.3所示，图中 Gc(s)二 Kp(1 K,s KdS) _js Gh(s)=(1-e )/s Gp(s) =1/(Ts 1) 图2.3系统结构图 2、PID参数整定方法 (1) Ziegler-Nichols

38、整定方法 Ziegler-Nichols整定方法是根据给定对象的瞬间响应特性来确定PID控制 器的参数。Ziegler-Nichols 法首先通过实验，获得控制对象单位阶跃响应，如 果单位阶跃响应曲线看起来是一条 S形的曲线，则可以用该方法，否则不能用。 (2) 临界比例度法整定 临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。 在闭合的控制系统里，将调 节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡周期 Tk。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3 阶以上。 (3) 衰减曲线法整定 衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。 先把控制系统中调节器置于

39、纯比例作用下(Ti =,e=0)，使系统投入运行，再把比例度从小到大逐渐改变 调节器的比例度，得到4:1衰减过程曲线。 3. 试凑法确定PID参数： 在试凑时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。 参数的影响趋势：增大比例系数 Kp 一般将加快系统的相应速度，在有静差 的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统有较大的超调， 产生振荡, 使稳定性变坏。增大积分时间有利于减小静差，使系统更加稳定，但积分作用太 强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。增大微分时间可以减小超调量，克 服振荡，使系统稳定性提高，同时有利于加快系统动态响应速度，减少调整时间， 从而改善系统的动态性能，但是

40、系统对抗扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感 的响应。 具体步骤如下： （1）首先只整定比例部分，即将比例系数由小变大，并观察响应的系统响 应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。 （2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入 积分环节。 （3）若使用比例积分调节器消除了静差，但是动态过程反复调整仍不能满 足要求，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。 2.1.5 设计软件部分 （1）根据确定的算法流程图，分别编写主程序和各模块程序。编程时尽量 利用已有的子程序，以减少工作量。 对于程序的编写，需要说明以下几点： 编程语言一般都米用汇编语言，汇编语言具有执行速度快、占用内

41、存少的 特点，适合用于实时控制系统。 在程序设计过程中，完成预定的功能是最基本、最重要的任务，但同时还 必须贯彻可靠性设计的原则，例如采取必要的抗干扰措施一一数字滤波、软件陷 阱等。 控制算法是微机控制系统程序设计中的重要内容， 要根据被控制对象的特 性，合理选择控制算法，以达到所要求的控制精度。 对于存储器空间的使用应统一安排。 对于各个程序模块，要首先画出程序算法流程图，说明其功能，以便于编 写子程序时明确各程序模块的入口、出口参数和对 CPU内部寄存器的占用情况。 对于程序中的指令应有必要的注释，以便于阅读与使用。 主程序和各模块程序的设计完成后，连接成为一个完整的程序。最后对于 整个程

42、序作详细的说明，内容包括占用内部资源情况、存储器分配情况、标志的 定义以及程序启动方法等。 （2）主程序和中断服务子程序的流程图和程序编制 保护现场 重置定时器D初值 当前温度送显示缓冲区 调用显示子程序 调用温度控制子程序 调用报警子程序 中断返回 图2.4主程序和中断服务子程序的流程图 主程序如下： TEMPI EQU 50H;当前检测温度（高位） ST1 EQU 52H TEMP2 EQU TEMQ1+1;当前检测温度（低位） ;预置温度（高位） OOH ;预置温度（低位） ;温度BCD码显示缓冲区（百位） ;温度BCD码显示缓冲区（十位） ;温度BCD码显示缓冲区（个位） ;温度二进制

43、码显示缓冲区（高位） ;温度二进制码显示缓冲区（低位） ;ADC 0809通道IN0的端口地址 ;报警允许标志 00H,00H， 00H，00H， 00H， 00H， 50H58H单元初始化（清零） ;转主程序 ST2 EQU 53H T1OO EQU 54H T1O EQU T1OO+1 T EQU T1OO+2 BT1 EQU 57H BT2 EQU BT1+1 ADINO EQU 7FF8H FO BIT PSW.5 TEMPI DB OOH , OOH , ORG OOOOH AJMP MAIN ORG OOBH AJMP PTO ORG 0030H MAIN MOV SP #59H

44、CLR FO MOV TMOD , #01H MOV TLO , #0B0H MOV THO , #3CH MOV R7 , #150 SETB ETO SETB EA SETB TRO MAIN1 ACALL KIN ACALL DISP SJMP MAIN1 ;转T0中断服务子程序 ;设堆栈标志 ;报警标志清零 ;定时器0初始化（方式1） ;定时器100ms定时常数 ;置15s软计数器初值 ;允许定时器0中断 ;开中断 ;启动定时器0 ;调键盘管理子程序 ;调用显示子程序 定时器0中断服务子程序PTO PTO MOV TLO，#OBOH MOV THO , #3CH DJNZ R7 , B

45、ACK MOV R7 , #150 ACALL TIN MOV BT1 , TEMPI MOV BT0 , TEMP0 ACALL DISP ACALLCONT ACALL ALARM ;重置定时器0初值 ;15s到否，不到返回 ;重置软计数器初值 ;温度检测 ;当前温度送到显示缓冲区 ;显示当前温度 ;温度控制 ;温度越限报警 BACK RETI （3）温度软件控制流程图 如图3-3所示。图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累计和， uk是控制量，可控硅控制角a = 05bH, a = 0导通角最大，a = 5bH导通角为 零。 控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCF和电

46、路电阻丝串接在交流220V 市电回路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端， 由端 口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。 图2.5温度软件控制流程图 Matlab仿真 采用simulink仿真，通过simulink模块实现PID控制算示。设采样时间 Ts=10s，被控对象为: G(s)二 -J0s e 130s 建立的仿真 图2.6模型 得到P、PI、PID控制的仿真曲线如下: 050 100150200 图2.7 P控制 T=30,K=1,L=10,此时 Kp=3 1.5 0.5 50 100 150 200 图2.8 PI控制 T=30,K

47、=1,L=10,此时 Kpi=2.7 积分时间 Ti=33.3, 50100 0 150 200 图2.9 PID控制 T=30,K=1丄=10,此时Kpid=3.6,积分时间为33.3，微分时间为3 2.2 设计一个以MCS-51系列单片机为核心的计算机控制系统 2.2.1 课题要求 利用下列元器件设计一个以MCS5係列单片机为核心的计算机系统 1.扩展一片 2764;2.一片 8255、一片 8155; 3. 一片DAC0832W片ADC08094.外接一个键盘和数码显示器 2.2.2线路图 k rr- 1 ro C/1 1 gl p 2 ALrTl 、扌 密遏9 8 YREFI) s J

48、 呂 昌注 S 頁 DT 富 F3 C S B qi I 涅耳月h 32 i Q m m 图3.1计算机控制系统接线图 223各芯片的功能介绍 DAC0832是8位D/A转换集成芯片，能完成数字量输入模拟量（电流）输出 的转换。单电源供电，从515V均可正常工作，基准电压的范围为-10+10v,电 流建立时间为1us，CMOS：艺，低功耗20MW/ ADC0809是 8位A/D通道转换器，其分辨率是8位。其内部有一个 8通道 多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信 号中的一个进行 A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。 模拟输入电压范围 0+ 5V,不

49、需零点和满刻度校准。 8255是In tel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有 3个8位并行 I/O 口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其 各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种 外设连接时的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接 口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、 B、C 口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而 8255内部结 构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。 8155芯片内包含有256个字节RAM 2个8位、一个6位的可编程并行I/O 口和1个14定时器/计数器。8155可以直接与MCS5单片机连接，不需要增加 任何硬件逻辑。由于8155既有RAM又具有I/O借口，因而是MCS5单片机系列 中最常用的外