计算机课程设计

计算机控制技术课程设计

专业：自动化

班级：动201303

姓名：xxx

学号：2013092xx

指导教师：侯涛

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2016 年07 月15 日

基于PID算法的流量控制系统设计

1设计要求

按照生产的要求，一般设置成定值系统。对于液体流量控制系统，即需要用阀门控制开度来控制液体进入液体槽，以备下一道工艺生产需要，进行设计将流量控制在误差允许范围内的稳定值，以满足生产要求。设计原理图如图1所示：

图1 设计原理图

2设计方案

液体流量控制通常采用电动调节阀实现，系统上位机通过单片机传递的实时流量值与给定流量进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量送给单片机，再通过单片机I/O口输出控制信号，经驱动器来控制电动调节阀的阀门，实现阀门开度变化，进而对液体流量进行恒值控制。

3硬件设计

3.1硬件结构图

图2 硬件结构图

3.2硬件选型

该流量控制系统硬件的选型部分有：控制器、D/A转换器、A/D转换器、电动调节阀、流量变送器。

3.2.1控制器

控制器分为上位机和下位机。

(1)上位机为控制计算机，通过反馈的流量值与给定的流量进行对比，通过预先设定的PID算法计算出控制量，传递给单片机。

(2)下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口等。

3.2.2 D/A转换器

D/A转换器采用DAC0832，8位D/A转换器，与微处理器完全兼容，是20引脚的双列直插式芯片。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A 转换电路及转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为8位；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW；只需在满量程下调整其线性度。

DAC0832将输入的数字量转换成差动的电流输出，为了使其能变成电压输出，所以又经过运算放大器，将形成单极性电压输出0~5V。为了保证输出电流的线性度，两个电流输出端的电位应尽可能接近0电位，这样，数字量转换后得到的输

出电流将通过内部的反馈电阻流到放大器的输出端，否则放大器两输入端微小的电位差，将导致很大的线性误差。

3.3.3 A/D转换器

A/D转换器采用ADC0809，8位逐次逼近式A/D模数转换器，是28脚双列直插式芯片。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。

主要特性有：8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；具有转换起停控制端；转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs（时钟为500KHz时）；单个+5V电源供电；模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40～+85摄氏度；低功耗，约15mW。

ADC0809与AT89C51单片机的连接主要涉及两个问题：一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。转换数据的传送有定时传送方式、查询方式、中断方式这三种方式。ADC0809三态输出锁存，可与系统总线直接相连，为便于或简化接口电路的设计，也常通过通用并行接口芯片（8255A）实现与系统的接口。

3.3.4 电动调节阀

在该流量控制系统中，选用电动调节阀做执行机构。电动调节阀是通过接收工业自动化控制系统的信号（如：4-20mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。

新型电动调节阀执行器内含饲服功能，接受统一的4-20mA或1-5VDC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。

该系统中的电动调节阀采用上海明精公司的ZAJQ型智能电动球阀。产品特点：ZAJQ型智能电动球阀采用一体化结构，有输入控制信号（4~20mADC或1-5VDC）及单相电源即可控制运转，具有功能强、体积小、轻便宜人、性能可靠、配套简单、流通能力大、特别适合于介质是粘稠，含颗粒，纤维性质的场合。目

前明精阀门广泛应用于食品、环保、轻工、石油、造纸、化工、教学和科研设备、电力等行业的工业自动控制系统中。

电动调节阀在安装使用时要注意以下几方面：

(1)调节阀属于现场仪表，要求环境温度应在－25～60℃范围，相对湿度≤95%。如果是安装在露天或高温场合，应采取防水、降温措施。在有震源的地方要远离振源或增加防振措施。

(2)调节阀一般应垂直安装，特殊情况下可以倾斜，如倾斜角度很大或者阀本身自重太大时对阀应增加支承件保护。

(3)安装调节阀的管道一般不要离地面或地板太高，在管道高度大于2 m时应尽量设置平台，以利于操作手轮和便于进行维修。

(4)调节阀安装前应对管路进行清洗，排除污物和焊渣。安装后，为保证不使杂质残留在阀体内，还应再次对阀门进行清洗，即通入介质时应使所有阀门开启，以免杂质卡住。在使用手轮机构后，应恢复到原来的空档位置。

(5)为了使调节阀在发生故障或维修的情况下使生产过程能继续进行，调节阀应加旁通管路。

同时还应特别注意，调节阀的安装位置是否符合工艺过程的要求。

3.3.5 流量变送器

流量变送器又称流量传感器，简称为流量计。本次系统设计采用天津讯尔仪表公司生产的LDG一体式电磁流量计，它由由传感器和转换器两部分构成，供电电源24VDC。它是基于法拉第电磁感应定律工作的用来测量导电率大于5μS/cm导电液体的体积流量，是一种测量导电介质体积流量的感应式仪表。除可测量一般导电液体的体积流量外，还可用于测量强酸强碱等强腐蚀液体和泥浆、矿浆、纸浆等均匀的液固两相悬浮液体的体积流量。广泛应用于石油、化工、冶金、轻纺、造纸、环保、食品等工业部门及市政管理，水利建设、河流疏浚等领域的流量计

量 柴油、润滑油、重油等无杂质油性液体的高精度测量。

LDG 产品特点测量不受流体密度、粘度、温度、压力和导电率变化的影响。测量管内无阻流部件，无压损，直管段要求低。对浆液测量有独特的适应性。合理选用电极和衬里材料，即具有良好的耐腐蚀性和耐磨损性。全数字量数量，抗干扰能力强，测量可靠，精度高，流量测量范围可达150:1 超低EMI 开关电源，适用电源电压变化范围大，抗EMI 性能好。采用16位嵌入式微处理器，运算速度快，精度高，可编程频率低频矩形波砺磁，提高了流量测量的稳定性，功耗低。采用SMD 器件和表面贴装（SMT ）技术，电路可靠性高。管道内无可动部件，无阻流部件，测量中几乎没有附加压力损失。在现场可根据用户实际需要在线修改量程。测量结果与流速分布，流体压力，温度、密度、粘度等物理参数无关。高清晰度背光LCD 显示，全中文菜单操作，使用方便，操作简单，易学易懂。

该一体式电磁流量计输出信号4-20mA ，通过I/V 变换对标准电流信号进行处理，使其变成标准电压信号。常用的I/V 变换有两种：无源I/V 变换和有源I/V 变换。经过信号与处理后的标准电压信号（0-5V ），再通过采样保持器和A/D 转换器即可与单片机直接相连。

4模型的建立

由于流量控制系统的控制对象具有惯性大的特点，液体在容器内流动或传递都存在一定的阻力，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节。经查资料，即可将被控对象的传递函数表示为1

1.2+s 。 经查资料得，电动调节阀和流量变送器也均可以近似等效为一个惯性环节，传递函数分别为1101+s 和1

1.01+s 。 5数字PID 控制算法

本设计是闭环控制系统，可以采用PID 控制。PID 控制是按偏差的比例、积

Ki Kd 分和微分进行控制的一种控制规律，在连续系统中的得到广泛的应用，在计算机进入控制领域后，用计算机实现的数字PID 算法代替了模拟PID 调节器。

数字PID 位置型控制算法：0])1()()()([)(0u T

k e k e Td j e Ti T k e Kp k u k j +--++=∑= 数字PID 增量型控制算法：

)]

2()1(2)([)()]1()([)1()()(-+--++--=--=?k e k e k e Kd k Kie k e k e Kp k u k u k u (1) ——比例增益。加大比例系数可以减小静差，但比例系数过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。

(2) =Ti

T Kp ——积分系数。比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。时间常数大则积分作用弱，反之积分作用强。增大时间常数将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。 (3) =T

Td Kp ——微分系数。微分作用的加入将减小超调，克服振荡， 使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。

6利用MATLAB 仿真

流量控制系统仿真图如图3所示。

图3 MATLAB 仿真

系统PID 算法的参数整定采用试凑法，仿真调试图见附录。

5心得体会

经过这段时间的学习，我了解到许多课上所无法学到的知识和内容。也正是这一周时间的实践，自己更加了解和掌握MATLAB 的使用。

Kp