基于MATLAB的锅炉水温与流量串级控制系统的设计【实用文档】doc

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基于MATLＡB的锅炉水温与流量串级控制系统的设计基于MATLAB的锅炉水温与流量串级控制系统的设计【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载目录ＴOC\o”1—3”＼ｈ＼z\u摘要ＰAＧEＲEF_Toc2９38484８８＼h2AbstracｔPAGEREF_Toｃ29３84８489\h3HYPERLINK\l”＿Toc2938484９0"1概述PＡGＥREF＿Toｃ29３8484９0\h４１。1过程控制PAGＥRＥＦ_Toｃ293848４９１\h41。2串级控制系统PＡGＥＲEF_Tｏc29３8４８4９2\h61。3MAＴLAB软件PＡGEREＦ_Tｏｃ2９３8484９3\h7HYPERＬINK\l”_Ｔoｃ2938４84９4”1。4MCGＳ组态软件PAGERＥF_Toc２93８484９4＼h８2PID控制器原理PAＧEREF_Ｔoc29３8484９５\ｈ１0HYＰERＬIＮK3。1被控对象建模本系统以锅炉水温为主要控制对象,以进水流量为辅助控制对象。目的是在一定加热功率下,控制水温的恒定.其流程图如图３.１所示:图3。1测量被控对象阶跃响应流程图温度给定值+m2m1e1流量扰动e2c2温度扰动主控制器流量调节器调节阀流量水温温度给定值+m2m1e1流量扰动e2c2温度扰动主控制器流量调节器调节阀流量水温温度输出值--图3。2锅炉水温与流量串级控制系统框图在控制系统设计工作中,需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型.被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据.被控对象的数学模型（动态特性)是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式.在水温-流量串级控制系统中，我们所关心的是如何在一定的电热功率下控制好水温的恒定。进水流量是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型,来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。3．２测量被控对象阶跃响应曲线在本设计中通过实验建模的方法,分别测定被控对象温度和流量在输入阶跃信号后的响应曲线和相关参数。在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：(1)通过智能调节仪表改变调节阀开度,实现对被控对象的阶跃信号输入。控制进水量供水控制进水量供水阶跃输入信号阶跃响应输出电动调节阀温度图3．3水温-流量模型测定原理图编写程序如下：流量pv=pv1温度ｐv=pt／测量值显示输出Ifset=0ｔhenOutput=６Enｄif/seｔ为０时输出6mA电流给调节阀Ifｓeｔ=1ｔhenOuｔput＝8Endiｆ／set为1时输出8ｍＡ电流给调节阀其中ｓet为外部输入信号，可由按钮设定，Outｐut为输出信号，大小即为输出电流值,单位mA.电动调节阀输入信号范围为4-20ｍA电流信号。这样就可以实现电动调节阀阶跃信号给定。6mA电流对应电动调节阀开度为（6-4)／（2０-4）=12.5%。8mA电流则对应（8—4)/（20-４）=２5%的开度。阶跃前后流量测量值分别为6。５和10.2。阶跃值为10。２—6.5=3.7.实际测得阶跃如图3.4:图3．４试验测得阶越响应曲线从阶跃时刻起以20ｓ为采样周期,采得温度数据序列如下：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当给出阶跃信号后，温度响应曲线逐渐下降至稳定,为符合一般习惯，方便处理，将数据以第一次采样值为标准,转换为逐渐上升至稳定的曲线.转换方法y=3３。71-x。式中ｙ为处理后数据，ｘ为处理前数据。得到如下数据序列：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另外由试验测得给定阀的开度分别为1２.５、2５、4０、80时对应传感器测得流量值为６．5、10。2、14.6、26。2.3．3求取被控对象传递函数由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理,根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点,后面的数据依次减去初始值处理,作为Ｙ轴上的各阶跃响应数据点；将对应Y轴上阶跃响应数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。在ＭATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：〉>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中绘出曲线如下:图3。5流量阶跃响应拟合曲线如图所示,利用四阶多项式近似拟合上水箱的响应曲线，得到多项式的表达式:P(t）≈-１.5723ｅ(—10）ｔ４+2。０７54e(—７)t3－９．8８26e（—5)t２+0.024４2９t－0．0３0９9８其中，的一次项的系数为0．０2４429，即函数在零点处（＝0）的切线斜率为=0。0２4429。再利用切线法，算出传递函数：为传递函数的放大系数，为稳定值，ｙ（0)为初值,为阶跃的扰动值，大小为３.７，为零点处的斜率。计算结果开环传递函数：由试验测得给定阀的开度分别为12.５、２5、４０、8０时对应传感器测得流量值为6．5、10。２、14．6、２6.２，综合仿真效果选用１次函数拟合阀的流量特性，以下为拟合程序：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）可得电动调节阀增益曲线如下:图3。6调节阀增益曲线从而可得电动调节阀增益,考虑到从给出阀的控制信号到调节阀响应,再影响流量，实际是个微小的惯性环节，但由于时间常数相对锅炉非常小，对控制的影响不大，在本设计中忽略不计。为进一步检验该传递函数的正确性，使用ｓiｍｕlinｋ仿真，组建如下系统:SHAPE\*MＥＲGEFORMAＴ图3.7检验传递函数仿真系统阶跃信号幅值设为3。7,采样时间为２0ｓ,仿真时间6０0s.阶跃信号源（steｐ）给出阶跃信号，作用于被控对象传递函数(TransfｅrFcｎ）结果输出到示波器，仿真后由示波器所观察到结果如图：图３．8检验传递函数仿真曲线为将图3。５和图3。8内两条曲线在同一张图内绘制以便比较，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）数列a中的数据是以步长２０s仿真600ｓ得到的,因此含有３１个数据,ａ与拟合结果步长相同,由于两阶跃曲线给定阶跃信号幅值相同，可认为两条曲线所在坐标系相同，得到图3.9:图3．9拟和曲线与仿真曲线比较仿真曲线仅在2０0—４０0s间误差较大约为１0％，导致误差的原因可能是拟合时以二次曲线一部分取代惯性环节造成的，也可能是由于传感器测量误差导致的。误差在接受范围内，仿真曲线基本能反映数据曲线的变化，因而可以认为传递函数基本准确。4控制方案的设计及仿真有了被控对象的传递函数就可以确定控制方案，从而在理论上设计控制器，对系统进行仿真，进而对实际控制起指导意义.4.１设计控制系统框图控制系统框图是控制系统实现的前提条件，它根据控制工艺的具体流程，反映系统信息的流动控制过程，本设计采用串级控制，考虑流量变化快，时间惯性小,应较快得到抑制，选择流量作为副被控参数，副环是随动控制，追求快速性,因而采用P调节,P调节器输出信号控制阀的开度改变流量,流量传感器将检测信号送回Ｐ调节器并形成负反馈,此闭环作为内环。温度变化相对缓慢，时间惯性大，作为主被控参数，主环是定值控制，追求准确性，采用PID调节.经分析可得控制工艺流程图:图4.1控制系统结构图通过流程图可知：将给定值与温度传感器反馈信号的差值输入主调节器,进行PID运算，实现控制算。主调节器输出信号作为内环的给定值，与流量传感器反馈信号的差值送P调节器运算并输出,以控制调节阀，通过流量变化，影响锅炉温度.得到控制系统框图:流量给定值流量给定值图4。２控制系统框图4．2Ｓimuｌｉnk控制系统仿真Ｓｉｍuｌiｎk可以动态地模拟出在给多种信号作用下所构造控制系统的响应，只需将控制系统框图内对象改写为传递函数形式。模拟ＰID控制器的传递函数Ｄ(s)=U（s)／E(s)=Kp（１＋１/TｉS＋TdS）可理解为同一信号分别经比例（图４。3中fｃn1）、积分（图4．3中fcn2）、微分（图4。3中fｃn3)运算后相加;P调节器为纯比例环节(图4.3中fcｎ4);锅炉传递函数已求得（图4．３中fcn）;首先假设调节阀为纯比例环节（图４。3中fcn5）,可构造如下系统图,其中PＩＤ、P、阀的参数均未整定:图4。3simulｉnk控制系统线性仿真考虑到实际使用中，由于阀有动作死区,即位于0开度时可能有流量或小开度时无流量，达到最大开度时，控制信号尽管继续增大但已经失去调节作用等原因（图４。５中阀的流量特性可说明），结合图4．６测得阀的流量特性,将阀的传递函数作为非线性环节处理，得到非线性系统图：图4.4sｉｍulinｋ控制系统非线性仿真图4。4中PID、Ｐ参数已经整定,Saturation和Couloｍb&Vｉsｃｏusfriction两个环节组合形成阀的流量特性。Ｓaturａtioｎ为限幅环节，上限幅值为１０0，下限幅值为0，Ｃoulｏmｂ&Visｃoｕｓｆrictｉon为粘滞摩擦环节，函数设为y＝0.30x+2.9。4.3仿真结果分析通过参数的调节可以得到较好的响应曲线.图4．５控制系统仿真响应曲线图4.5中的响应曲线是在阶跃信号初值0，终值２0，阶跃时刻为0；主调节器参数为;副调节器参数为;仿真时间2000ｓ时得到的.余差（静态偏差)Ｃ:是系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差。由于仿真环境为理想状态，未考虑实际运行时可能出现的各种情况，余差必然为零。衰减率Ψ:是衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。可定义为，系统只有一个波峰,不存在震荡,因而可认为衰减比为0，Ψ=1。最大偏差A（超调量σ）：对于定值系统来说，最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差,随动系统通常采用超调量指标，即,由图知最大偏差约为0.6,超调量为３％.过渡过程时间：是指系统从受扰动作用时起，到被控参数进入新的稳定值±5%的范围内所经历的时间，是衡量控制快速性的指标。由图知,≈２20s时对应值20。６，即进入稳定值±５％的范围内，可认为过渡完成。综合动静态指标，可认为阶跃响应曲线相当理想,但由于是仿真结果，未考虑模型精确度,测量精度，以及真实系统中所存在的未知干扰等问题，只可作为设计参考,调节器参数、实际响应曲线未必与仿真一致，实际控制中可能达不到这么好的控制效果。通过仿真参数的调节也得到了PＩD控制器参数对控制效果的影响.比例控制Kp对系统性能的影响：比例系数ＫP加大使系统的动作灵敏，响应速度加快，稳态误差减小，ＫＰ偏大，振荡次数加多，调节时间加长。KP太大时,系统会趋于不稳定.KＰ太小，又会使系统的动作缓慢。KＰ可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果KＰ的符号选择不当,对象状态（PV值)就会离控制目标的状态（ＳP值）越来越远,如果出现这样的情况KP的符号就一定要取反。积分控制KＩ对系统性能的影响:积分作用使系统的稳定性下降，KI小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差,提高系统的控制精度。微分控制ＫＤ对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，KＤ偏大时,超调量较大，调节时间较短.KＤ偏小时,超调量也较大，调节时间较长.只有KD合适,才能使超调量偏小,减短调节时间。４。4串级控制与单回路控制系统抗干扰性能仿真为了体现串级控制的优势,必须将串级控制系统的抗干扰能力和单回路控制系统的抗干扰能力加以比较。图4.6串级控制抗干扰能力测试系统结构图4．7单回路控制抗干扰能力测试系统结构串级控制的特点在于抗二次干扰能力强，因此分别构造图4。6，在串级控制系统副回路中加入阶越信号来模拟流量的干扰,同时为了能够将数据与单回路控制系统抗干扰效果在同一张图内进行相比较,需要设置工作区域Ｂ，存储方式为数列。单回路控制系统是采用PＩＤ控制器直接控制流量。在同样位置加入流量的阶跃干扰信号,将仿真结果输出到工作区域Ｃ中，存储方式为数列。只有当单回路控制系统的阶越响应曲线与串级控制系统的阶越响应曲线比较近似，并施加同样的干扰信号，其抗干扰能力才具有可比性.在无干扰信号时,调节单回路控制系统参数,使响应曲线接近同样阶跃信号作用下串级控制系统响应曲线。再加入干扰信号，对于图4。６和图4。7中的两个控制系统仿真,其仿真时间均设为4000s，采样时间设为20ｓ。干扰信号阶越时刻为200０s，阶越初值0，阶越终值１8。仿真后结果分别存储于工作区域B、C中，将两系统响应数据在同一张图内进行比较，需在Matlab中编写程序如下:x=0：20:4０00；plot（x,b，x，c)grid图４.8两种控制系统抗干扰能力比较图图４．8、４.9、4。１0中绿色曲线是单回路控制系统响应曲线，蓝色曲线是串级控制系统响应曲线。首先放大图中两系统阶跃响应部分，在图４。9中可见两控制系统在上升段基本重合，调节时间基本相同，单回路控制系统阶跃响应超调量偏大，综合各种指标可认为两系统在阶跃信号下控制效果大致相同.在两控制系统控制效果相同的情况下，加入干扰信号,如图4.１0，单回路控制系统在干扰信号的作用下，最大偏差达到0.4,为稳态值的2％，在曲线末端甚至出现小幅度波动。而串级控制系统在干扰信号的作用下，最大偏差仅在0．1左右,可认为系统仍处于的特点稳定状态,两者抗干扰能力十分悬殊.充分证明了串级控制抑制二次干扰能力强。图４。9两种控制系统阶越响应比较图(放大)图4。1０扰动时刻响应曲线（放大)5结论致谢首先,我要衷心感谢我的指导老师孙虹老师，没有她的悉心指导，我也不会这么顺利的完成我的毕业设计.其次,我要感谢我的母校，四年来，在母校的栽培下，使我顺利的完成了学业,并且给我的学生时代划上了完美的句点。最后,我要感谢我的父母，是他们的无私奉献供养了我上大学，我才会有今天的成绩，衷心的感谢他们！本次毕业设计从一接到任务书，就在孙虹老师的悉心指导下，还有我自己的查阅资料，我了解到了串级控制的作用，还有PID控制的作用,也知道了MATＬＡB软件使得工程应用变得更加快捷和方便。同时了解综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件,设计了锅炉温度流量串级控制系统。从而一步步的顺利完成任务。在此过程当中，我学到了很多有用的东西,让我把整个本科知识又回顾了一遍,为以后进入社会打下了良好的基础，同时在查阅资料的过程当中也学到许多,新的或者以前未掌握的知识,在此,我要感谢学校能够给我这次毕业设计的机会，让我从中受益匪浅。参考文献[１]胡寿松主编。自动控制原理(第五版)。科学出版社.２007［2］张晓华主编。控制系统数字仿真与CAＤ。机械工业出版社。1９９9［３]于海生主编．计算机控制技术.机械工业出版社．2007［４]刘文定，王东林主编.过程控制系统的MAＴＬAＢ仿真。机械工业出版社。20０9［5］薛定宇主编。控制系统计算机辅助设计——MＡＴLAB语言与应用。清华大学出版社。200６［6]ＴheMathＷorｋs。Ｉcn《MATLABHELＰ》2004[7］ICPDAS《UserMａnｕal》2０0０[8］邵裕森,戴先中《过程控制工程》北京机械工业出版社２0００PID控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念.反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例—积分－微分）控制器作为最早实用化的控制器已有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（Ｐ）、积分单元（I)和微分单元（D)组成。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(Kp,Ti和Td)即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的.首先,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。其次,ＰID参数较易整定。也就是,PID参数Kｐ，Ti和Ｔd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PＩD控制器在实践中也不断的得到改进,下面是两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PIＤ的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰.PID参数自整定就是为了处理ＰＩD参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础,为了ＰＩD参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好.如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题.因此，许多自身整定参数的PＩＤ控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PIＤ参数.PIＤ在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,工作地不是太好.最重要的是，如果ＰＩＤ控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点,ＰID控制器是最简单的有时却是最好的控制器目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志.同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段.智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上；控制系统的被控量,经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PＩD控制及其控制器或智能PID控制器（仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PＩD控制器产品，各大公司都开发了具有PＩD参数自整定功能的智能调节器(ｉｎteｌliｇeｎtregｕlatｏr),其中PIＤ控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现ＰID控制功能的可编程控制器（PLC)，还有可实现PID控制的PＣ系统等等.可编程控制器(ＰLＣ）是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器（PLＣ)可以直接与ControｌＮet相连,如Rｏｃkwell的ＰLC－5等。还有可以实现PＩD控制功能的控制器,如Rockwelｌ的Logｉｘ产品系列，它可以直接与ＣoｎｔｒolＮeｔ相连,利用网络来实现其远程控制功能.1、开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中,不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量）会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈,若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈,若极性相同,则称为正反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统.闭环控制系统的例子很多.比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统,眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入（stepｆuｎctｉon）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作,首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度,通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述.4、PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PＩD控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近7０年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一.当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PIＤ控制技术最为方便.即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PＩD控制，实际中也有PＩ和PＤ控制。PＩD控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的.比例（P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分(Ｉ）控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”.积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大,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)成正比关系。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。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节）或有滞后组件,具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前"，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。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大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例＋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,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例＋微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。设计题目:基于单片机的流量控制系统设计学生姓名：专业：测控技术与仪器班级学号:指导教师设计时间:2０10。６．28—2００8。7.1１《过程控制系统》课程设计任务书专业测控技术与仪器班级姓名设计题目:基于单片机的流量控制系统设计一、设计实验条件过程控制系统实验室实验系统二、设计任务1、设计电磁流量计为流量传感器，单片机为核心流量控制系统。系统主要由水泵、水泵电机、流量传感器、电动阀门、阀门电机、单片机控制系统等组成。2、写出流量控制过程，绘制控制系统组成框图3、利用单片机对流量进行控制（1)系统硬件电路设计单片机采用89Ｓ52；设计键盘及显示电路，电机控制电路（可控硅,光电耦合器）。(2）编制流量控制程序三、设计说明书的内容设计题目与设计任务(设计任务书)前言(绪论)(设计的目的、意义等）主体设计部分参考文献结束语四、设计时间与设计时间安排１、设计时间:2周2、设计时间安排:熟悉实验设备、实验、收集资料：4天设计计算、绘制技术图纸：４天编写课程设计说明书：5天答辩：1天一，流量控制系统设计意义工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础.流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。【１】在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了人们的特别关注，因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计,其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别高。此外，在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测;废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理,对排放量进行控制.于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象.同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。二，系统方案１、方案整体思路液体流量控制通常采用电动调节阀实现，近年来,电动调节阀的结构和控制方式发生了很大的变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制（ｐulsｅwiｄthmoduｌation,简称PWM）控制方式得到了广泛的应用。这种控制方式很容易在单片机中实现，从而为电动调节阀的控制数字化提供了基础。将偏差的比例（propｏrtｉon）、积分（inｔegral）、微分（dｉffｅrentiaｌ）通过线性组合构成数字控制量,构成数字PID控制器,它具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。本系统采用C51系列的8９Ｓ52单片机为核心，通过设置89S５2单片机的定时器产生脉宽可调的PWM波【2】,对阀门电机的输入电压进行调制，实现阀门开度的变化，进而实现了对液体流量的控制。单片机通过电磁流量计采集实际流量信号，根据该信号对其内部采用数字PＩD算法对PＷM变量的值进行修改,从而达到对流量的闭环精确控制。2、实现流程流量控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中,必须明确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元,其框图如图1所示.直流电机直流电机PID控制器阀门设定值流量输出图1流量过程控制组成框图电磁流量计：对输出流量进行检测，并与设定值比较，差值作为控制器的输入。PID控制器：对差值进行Ｐ、I、D运算,输出对应得模拟量控制电机正反转和转速.直流电机:根据控制器输出正反转，控制阀门开度增大或减小。阀门:直接控制流量的执行机构.所以，在这个系统的设计中，主要设计以上几个部分.除此之外,根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到满足系统参数的要求。具体就是确定控制器的算法和如何控制阀门开度,因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣.3、控制器算法与PWM波形输出流量是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对它进行测量和控制.本系对流量控制采用PIＤ算法，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的.在工业过程控制中９０%以上的控制系统回路具有ＰID结构，图2ＰＩD控制原理框图PID调节器的离散化表达式为比例调节的作用是使调节过程趋于稳定,但会产生稳态误差；积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定;微分作用能有效的减小动态偏差。PWM波形输出:用89S52单片机的定时器0和定时器1交替工作，产生连续的与偏差大小有关的占空比可调的ＰWＭ波形.首先，定时器０定时时间到,产生中断,置位ＰWM输出口并开启定时器1，定时器1定时期间PWM输出高电平，且定时器1的定时时间可调,与偏差的ＰIＤ运算结果有关，所以能输出占空比变化的PWM波，控制电机转动,进而控制阀门开度和流量.三、系统硬件设计1、总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统.为了实现流量的自动测量和控制，采用了89S５2单片机作为系统的控制中心，由数据采集模块检测到的流量信号传入单片机，并根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较,根据系统程序控制，进行ＰＩD运算以及PＷM输出控制电机转速，最终由CPU控制电机正反转,达到调节流量的目的.系统还具有键盘设定模块，便于用户与系统之间的对话。系统的硬件结构较简单，由若干个功能模块组成。具体结构图图3及说明如下,89S52单片机键盘数据采集直流电机阀门数据显示图3功能模块结构图键盘设定：设定控制系统要求的流量大小。数据采集：用滑动变阻器分压模拟流量大小。直流电机：接收单片机的控制信号进行正反转和转速调节,带动阀门转动。2、部分外部电路设计２.1数码管显示电路采用四联排共阴极数码管进行显示，具有四位数码管,这四个数码管的段选a、b、c、d、ｅ、f、g分别接在一起,每一个都拥有一个共阴的位选端。P3口控制数码管的点亮情况。因为单片机的IO口输出功率有限，需要使用74ＬＳ37４芯片进行锁存。此外还用一个电阻R－PＡCＫ8来保护LED。2.2、直流电机控制电路直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域,高开关频率、全控型第二代电力半导体器件（ＧTR、ＧTO、MＯSFET、IGBT等）的发展，以及脉宽调制（PＷＭ）直流调速技术的应用,直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统.但是,专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限,不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用三极管构建H桥【３】,实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求,并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口,可应用PWＭ技术实现直流电机调速控制.单片机的P10引脚输出高低电平控制电机的正反转,P１1输出PWM波形控制电机转速.具体为：①当Ｐ１0为高电平时，三极管Q3、Q2导通,所以Ｑ4导通，而Q2导通钳制电位为0.9Ｖ，所以不论P1１是高还是低,Q1、Q７都不导通，即电机电流从左向右流，电机正转。②当P10为低电平,Q3Ｑ2不导通，所以Q４不导通。当Ｐ11为高电平时电机反转，当Ｐ1１为低电平是,电机停转。四系统软件设计１、程序结构说明任何一个系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，所以本课题硬件设计的高度模块化决定了软件设计的模块化。主要包括：主控程序模块、键盘扫描及处理子程序、采样数据处理子程序、PID算法子程序、电机驱动与控制子程序和显示等子程序几个部分。结构图如下:主程序主程序键盘输入数码管显示数据采集PID运算直流电机图４程序结构图主控程序模块在整个结构中充当管理者,管理所有子程序的调用，就相当于个人计算机的操作系统。它主要负责初始化各个Ｉ/O口，等待键盘事件的发生，并作出相应的处理。并在适当的时候调用数据采样程序,并将采样到的数据与键盘设定值比较.再通过ＰＩD计算后用以控制电机转动，从而控制阀门开度，来达到流量的准确控制.２、程序流程图及部分程序２。1主程序说明２。1。1主程序流程图开始开始系统初始化SW=1?？？？AD转换键盘设定键盘设定键盘设定DR=1？？？？？电机正转电机反转NYYN图5主程序流程图2．１。2主程序具体程序:/＊＊****＊**＊*＊＊＊＊*＊＊＊＊主函数*＊＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊**＊＊*＊＊**＊**＊/main(）//主程序{TＭOＤ=０x2１;/／0b00100001timer0模式1(１6位)，tiｍｅr1自动重装载TH0＝0xfc；//１ms延时常数1２MＴL0=０x1８；//低电平时间调节TH1＝0x7f;／/定时器1赋初值TＬ１=0;EA=1;ET０=1；EＴ1=1；／/开中断wｈile（1){iｆ(sｗ=＝1)／/循环判断开关状态，并执行相应的程序｛AD_ｖaｌ(）；//调用TＣL549采集处理displａｙ（uuu);｝else{KＢ_Scａn1（)；dispｌaｙ（sc);}PIＤ()；｝／/每个循环的最后执行一次PＩD运算，实时控制电机}从主程序中可以看出,在进行一系列程序调用之前对系统进行初始化，然后判断开关状态程序有所反应.然后进行一系列子程序,进行A/Ｄ转换和PID计算,将其结果用来控制直流电机。2.2键盘程序2.２。1键盘扫描及键值识别的原理【4】由于机械触点有弹性，在按下或弹起按键时会出现抖动，从最初按下到接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间，如图所示.为了保证探险键识别的准确性,必须消除抖动。消抖处理有硬件和软件两种方法:硬件消抖是利用加支抖动电路滤避免产生抖动信号;软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下。对于键值识别，我们用一条switch语句，把按键的编码和键值对应起来。2．2.2键盘具体程序vｏidKB＿Scan１(void){uchａrtmp,liｎe，ｉ,fｌag,ｐress；//定义局部变量iｆ（liｅ1==０｜lie2=＝0|ｌie3==０）return;/／判断是否有键按下，如有,返回。消除重键问题ｌine=0xＦＥ；ｆor(i＝1；i〈=4;ｉ＋+）{P２=ｌinｅ；／/依次给P2口低四位送低电平，读高四位判断是否有键按下。tmp=Ｐ２；/／读取键盘口数据寄存器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语句把编码转换为对应的键值。｛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）/／如果有键按下,把每次的值存放到bｕf［］中，方便以后调用.｛buｆ［2］=ｂuf[１］；buｆ［1］=bｕf[0］;bｕf［0］=pｒess；}}2。3数字PID及电机控制程序由于单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量【５】，所以一般使用增量型控制，它控制稳定，误动作影响小。其算式如下:这个计算的过程可用一个简单的程序来实现./*＊**＊＊＊＊＊＊＊*＊*＊PIＤ服务程序＊*******＊＊＊＊*／voiｄPID（){douｂleｅ０,ｅ１，e２；ucｈardu，out1；ucｈarkp=１6,kｄ＝0，ki=0；／/ｔｓ＝1；e０＝e１；e1=e2；e2=(ｓc-uｕｕ）;///10;/／设定值－采集量ｉf(e2〉＝0)｛ｄirecｔion=１；//设定值-采集量>０,电机正转，开大阀门。if（e２〉＝20)//测得偏差值与设定偏差值进行比较,若不在设定范围内则满功率正转。｛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；／／若到达设定范围则调用PIＤ程序，进行有效功率转动.}}elseiｆ（ｅ２＜0){ｄirectｉｏｎ=0；//设定值—采集量<0，电机反转，关小阀门。iｆ(e２〈-２0）//测得偏差值与设定偏差值进行比较,若不在设定范围内则满功率反转.{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;/／若到达设定范围则调用PＩD程序