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文档简介
一、引言设计目的及意义本设计采用单回路控制系统对管道的流量、液位进行控制,主要研究的是AT89C51A/DD/APID它在过程控制中得到广泛应用。任务要求设计并制作一个压力监测与控制装置,意向图如下图所示1、设计参数800500600mm200mm20mmPVC30mm1%。2、设计要求上位水箱通过水泵供水,通过变频器控制水泵的转速;变频器、水泵等设备(包括设备名称、型号、性能指标等;设备选型要有一定的理论计算;用所选设备构成实验系统,画出系统结构图;列出所能开设的实验,并写出实验目的、步骤、要求等。二、硬件电路设计图1为该压力控制系统简图,这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是动机带动齿轮泵通过阀12力参数的动态调整。12.1AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnly的低电压、高性能CMOS处理器,俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼8位CPU的AT89C51AT89C系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示A/D本设计采用TLC2543A/DTLC254312A/D51系列单片机I/O资源;且价格适中,分辨率较高,因此在仪器仪表中有较为广A/D1210us;113[1];有转换结束(EOC)输出;具有单、双极性输出;有可编程的MSBLSB81216TLC2543片选输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及串行数据输人端(DATAINPUT);模拟量输AIN0~AIN10(1~9脚、11~12脚),11AIN0I/OCLOCK(REF+VCC4~20mA电流的模拟量,也就是转换输入范围电压是0~5V。通道的选择、数据格式的设定,都是通过控制TLC254311控制寄存器中各位定义通道选侧 输入数据长度 输入数据顺序 极性选D7(MSB) D6 D5 D7 D3 D2 D2 D0变频器
TLC2543与AT89C51连接示意图VFD(Variable-frequencyDrive),变频器是应用电动机(此处即水泵)功率)=流量)×H(压力),流量QN的一次方成正比,压力HNPN调节流量下降时,转速N采用西门子公司的SAJ-8000SAJ8000G点:■低频转矩输出180%,低频运行特性良好■输出频率最大600Hz,可控制高速电机■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动■加速、减速、动转中失速防止等保护功能■电机动态参数自动识别功能,保证系统的稳定性和精确性■高速停机时响应快■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式,通用性强■采用SMT全贴装生产及三防漆处理工艺,产品稳定度高■全系列采用最新西门子IGBT功率器件,确保品质的高质量变频器工作简易图SAJ-8000变频器原理图PID控制器设计2.4.1PID(比例-积分-微分)控制器50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元e(t)与输出u(t)的关系为u(t)kp
(e((t)1/TI
e(t)dtTtDt0
*de(t)/dt)因此它的传递函数为:G(s)U(s)/E(s)k 1/(T*s)T *s)p I D其中,k为比例系数;T为积分时间常数;T为微分时间常数p I D它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(K,pKK)即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到i d两个单元,但比例控制单元是必不可少的。PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。PID控制的原理和特点简称PIDPID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便比例(P)控制关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。积分(I)控制它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PIDPID被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法于具有Ke-t/(1+T+TS)PID1 2的积分系数是一个常数,实际上是一个兼顾几个方面的折中值。从尽快消除控制PIDPIDPID动态、合理地改变PID控制算法的积分常数,以提高控制品质。键盘和显示模块6键、加键、减键、自动/手动键。可设置主机分机液位、转换主机分机屏幕的显示、以及手动状态电磁阀的开关等。OCM4X8C(128×64)LED键盘接口电路如图:SSSSS34783521607SSSSSSS0S1S2S3S4S5SS413S514S617S718U104HC373D0D1D2D3D4D5D6D7RP1015.1k*80S0S0S0S0S0S10VCCGNDVCCLEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEVCC20112D05D16D29D312D415D516D619D71Y2SGND1 GND1 GND1 GND1 GND1 GND1 GND1LCD接口电路如图所示:VCC
D6D5D4D3D2D1D0Y4A6A7
VND01
71
4
21
987654321LCD接线三、系统电路设计三、系统电路设计监控系统的作用和功能框图如图2所示。主要组成部分有:基于扩散硅传感器的压力检测单元、A/D转换单元、以AT89C51单片机为核心的控制单元以及调节水箱进水量的变频调速单前水箱的液位压力值,经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号,送单片机与设定值进行比较,得到偏差信号,该信号经过调节器做PID运算后,输给变频器一个转速控制信号,通过数/模转换器将变频器调速信号由数字信号转换成机和水泵的转速,从而调节流量,达到调节水箱压力的目的。上位机上位机A/D转换器单片机D/A转换器电动机与泵水箱检测单元2数据采集与处理系统在本实验装置中数据采集与处理系统的任务是将检测元件获取的当前水箱的实际液位高度转换成相应的电压值以便单片机将该电压值与设定的电压值进行比较,从而按所得偏差信号进行控制运算。本装置中液位的测量采用的是MPX201ODP型传感器。其工作原理是在单晶硅的基础上扩散出P型或N型电阻条,接成电桥。在压力作用下,根据半导体的压—阻效应,把压力的变化转换电阻的变化经过测量电路所测的输出电压反映出所受压力的变化即液位的变化。当硅膜片上受到压力1P和2P作用时,由于它们对膜片产生的压力正好相反,因此作用在膜片上的压力ΔP=P P从而可以进行压差测量。(接到MPX201ODP的压力面管子内就会留有一定体的气MPX201ODP传感器的压力面会将其所感知的压力变化传送给TLC2543A/D四、系统软件设计数据采集子程序TLC2543I/OCLOCK引脚接收串行输入信号,在I/OCLOCK的前8个上升沿,DIN引脚的I/OCLOCK的第4个下降沿,被选通的模拟输入I/OCLOCK的最后一个下降沿为止;将前一次转换数据的其余11位输出到DATAOUT端,在I/OCLOCKI/OCLOCKTLC2543I/OI/OI/OCLOCK4CS1CS启写入通道方式控制字,并读出12位数据的高8位12设置串口波特率串口初始化将一个字节数据写入SBUF寄存器中TI1TI6个字节数据是否发送完毕结束图3数据采集子程序流程图 4数据传送子程序流程图数据传输子程序单片机数据传输子程序的功能是将单片机通过 TLC2543采集到的数据,通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到 PC机。本实验中采用的是9600b/s的波特率。为简单起见,发送数据以6个字节为一帧,传输格式为前16位的同步码,中间16位数据(其中后12位有效,即为系统采集到的数据),最后16为CRC校验码。其程序流程图如图4所示。PID控制子程序PID控制程序的入口参数是经A/D转换的实际值,而它的各个系数均由初始化时确定,若要修改,则通过单片机控制屏来完成。 PID增量的出口参数是直接输入A/D转换的数值。本设计是将PID控制作为主要控制方法,将其放在初始程序中。不需要时,只要将其入口地址改变即可。 PID控制子程序流程如图5所示该PID控制算法的主要目的是消除静差和提高控制精度,系统短时间内输出偏差很大会导致控制量超出执行机构允许的最大动作范围,从而使系统出现较大的超调量甚致发生系统振荡。采用变速积分法根据系统偏差的大小改变积分项的累积速度,对提高系统的品质十分有效。图5变速积分PID控制子程序流程图五.压力检测系统的实验校验检验所设计的压力监测系统的准确度如要求所示,误差在1%范围内。SK-YBS-WY型
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