过程控制系统实验装置开发毕业设计说明书(编辑修改稿)

过程控制系统实验装置开发毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

态误差 ，可增大 KP。 KP 越大 ，稳态误差 越 小。 但 KP 增大将使系统的 稳定性变差，容易产生振荡。 比例调节器一般用在干扰较小，允许有稳态误差 的系统中。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 积分作用 在积分控制中，控制器的输出与输入 偏 差信号的积分成正比关系。 对 于 一个自动控制系统 来说 ，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 ”。 随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便 偏 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。 微分作用 在微分控制中，控制器的输出与输入 偏 差信号的微分（即 偏 差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克 服 偏 差的调节过程中可能会出现振荡。 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 偏 差的作用，其变化总是落后于 偏 差的变化。 解决的办法是使抑制 偏 差的作用的变化 “ 超前 ” ， 即在 偏 差接近 零时，抑制 偏 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 偏 差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测 偏 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 偏 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。 模拟 PID调节器 模拟 PID 控制器，实际上是由电阻、电容、 运算放大器构成的模拟电子电路来实现PID 运算的功能 [3]。 模拟 PID 控制电路 如图 所示： 图 模拟 PID控制电路图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 在图中，前半部分是比例微分（ PD）电路， CD、 RD 及 R R2 组成无源比例微分电路，运算放大器 A1 构成同相比例放大器。 后半部分是比例积分电路， CI、 RI 构成输入电路， CM 为反馈电容，电阻 RI、电容 CM 构成积分电路，电容 CI， CM 和运算放大器 A2构成比例电路。 输入信号 uI 通过 PID 运算电路得到输出电压信号 u0。 输出信号与输入信号的传递函数关系 如 图 所示： 图 输出信号与输入信号的传递函数关系 图 这就是反映 PID 电路的输出 /输入信号的关系。 为了实现较好的控制效果，需要对 PID 参数进行整定，调节电位器 RD、 RPD 和 RI来获得不同的比例、积分、微分作用，这就是常规的模拟 PID 调节的原理。 数字 PID控制算法 控制算法是 调节器 的一个重要组成部分，整个 调节器的 功能主要由控制算法来实现。 由于计算机技术的发展 ，数字 PID 控制器正在逐渐取代 模拟 PID 控制器。 数字 PID 控制算法通常分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法 [4]。 位置式 PID 控制算 法 在模拟控制系统中， PID 算法的表达式为： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tPDId e tP t K e t e t d t TT d t   （ ） 式中： P(t) 调节器的输出信号； e(t) 调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差； KP 调节器的比例系数； TI 调节器的积分时间； TD 调节器的微分时间。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 由于计算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，因此必须 对 （ ）式 进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示： 0 00( ) ( ) ( )nnnje t d t E j t T E j   （ ） ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )d e t E k E k E k E kd t t T    （ ） 可得到离散的 PID 表达式： 0( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DPI jTTP k K E k E j E k E k     （ ） 式中：△ t=T 采样周期，必须使 T 足够小，才能保证系统有一定的精度； E(k) 第 k 次采样时的偏差值； E(k1) 第 k1 次采样时的偏差值 ； k 采样序号， k=0， 1， 2， … .； P(k) 第 k 次采样时调节器的输出。 由于 （ ） 式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此通常把上式称为位置型PID 控制算式。 这种算法的缺点是 ： 由于全量输出，所以每次输出都 与过去的状态有关，计算时要对 e(k)进行累加，计算机运算的工 作量大。 因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如 果 计算机出现故障， P(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式 PID 控制 算法。 增量式 PID 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时， 由 （ ） 式 可导出提供增量的 PID 控制算法。 根据 递 推原理可得： 10( 1 ) ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ]kP I DjP k K e k K e j K e k e k        （ ） 用式（ ）减去（ ），可得 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） ( ) [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]P I DP I DP k K e k e k K e k K e k e k e kK e k K e k K e k e k                 （ ） 式 ()称为增量式 PID 控制算法。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期 T，一旦确定了 KP， KI，KD 只要使用前后三次测量值的偏差，即可由 () 式 求出控制增量。 当 采用增量式 控制 算法时，计算机输出的控制增量△ P(k)对应的是本次执行机构位置 (如阀门开度 )的增量。 对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算式P(k)=P(k1)十△ P(k)通过 软件来完成。 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进， 但却带来了不少 的 优点： （ 1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。 （ 2）手动 — 自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。 此外，当计 算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故 能保持原值。 （ 3） 算式中不需要累加，控制增量△ P(k)的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大； 溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸 管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可以采用位置式 控制算法。 而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。 数字调节器的整体设计 功能和要求 本次设计的 数字调节器应能达到以下功能 和 要求： (1)可以人为方便地设定被控变量的设 定值，调 节器能自动将被控变量调节至此设定值并能保持，直至重新设定为另一设 定值，即能自动调节； (2)能够实现被控变量的实时显示功能 ； (3)能够实现输入输出处理，且具有 抗积分饱和 功能 ； (4)具有手动 /自动 无扰动切换功能； (5)设计简单易懂，可靠性好，不 容 易出 现故障 ，易于维护 等优点。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 整体结构设计 该调节器的硬件 部分主要由单片机 AT89C5 A/D 转换器 TLC083 D/A 转换器DAC083人机接口部件 (4 4 矩阵键盘和 LED 数码管 )等组成。 数字式 PID 调节器总体结构图 如 图 所示： 单片机显 示串 行 通 信打 印 接 口面 板 键 盘A / DD / A 图 数字式 PID调节器总体结构图 A/D 转换器 是 把检测装置输出的模拟 信号转换 成 数字信号 送到单片机 中 ，单片机把输入的测量值与给定值进行偏差计算，并对偏差进行处理，将经过处理的偏差按照相应的 PID 运算规律进行计算，计 算的结果（即 单片机输出的控制量）是数字量， 而 执行器往往需要的是模拟量 ， 通过 D/A 转换器，把 单片机 输出的数字量 转换成模拟量去驱动执行器。 人机交互换接口（键盘和显示）在设计中也是 必不可少的，它是控制系统与操作人员之间交互的窗口。 这样操作人员可以通过显示的内容，及时掌握生产情况，并 通过键盘修改数据，传递命令，对 控制 系统进行人工干预，使其随时能按照操作人员的意图工作。 软件部分采用 C51 编程， C51 是 一种结构化的语言 ， 具有灵活、高效等优点。 同汇编编程相比 ， 整个程序可读性和结构化较好 ， 算法的实现也较汇编语言简单。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 硬件设计 单片机 单片机的发展概 况 目前 ， 计算机硬件技术向巨型化、微型化 和单片三个方向高速发展。 自 1975 年美国德 克萨斯仪器公司第一块单片微型计算机芯片 TMS100 问世以来，在短短的二十多年间，单片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支，他有自己的技术特征、规范、发展道路和应用领域。 单片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。 它具有体积小、个性突出 （某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等优点，应用领域 正在 不断扩大，除了工业控制、智能化仪表 、通讯、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件 [5]。 单片机 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 以上。 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 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且 价格低廉 的方案。 图 AT89C51引脚图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： 作为 I/O 口 使用时， P0 口 是 漏级开路双向 口 ， 向口锁存器 写 入 1， I/O 引脚将悬空，可作高阻输入引脚；在读写外部存储器时， P0 口作为“低 8 位地址 /数据”总线使用。 P1 口：内部 带 有弱上 拉电阻的双向 I/O 口，作 为 输入 引脚使用前 ， 先向 P1 口锁存器写入 1，使 P1口引脚被上拉为高电平。 、 引脚除了作为一般 I/O 引脚使用外，还具有第二输入 /输出功能： T2()： 定时器 T2 的计数输入 端或定时器 T2 的时钟输出端； T2EX（ ） ： 定时器 T2 外部触发输入端。 P2 口： 内部 带 有弱上 拉电阻的双向 I/O 口，作 为 输入 引脚使用前 ， 先向 P2 口锁存器写入 1，使 P2 口引脚被上拉为高电平。 在读写外部存储器时， P2 口输出高 8 位地址A15～ A8。 P3 口： 内 部 带 有弱上 拉电阻的双向 I/O 口，作 为 输入 引脚使用前 ， 先向 P3 口锁存器写入 1，使 P3口引脚被上拉为高电平。 P3 口除了可作为一般 I/O 引脚使用外，还具有 第二输入输出功能： RXD： 串行 数据接收（输入）端； TXD： 串行 数据发 送（ 输出 ）端 ； 0INT ： 外部中断 0 输入端 ； 1INT ： 外部中断 1 输出端； T0： 定时 /计数器 T0的 外部输入 端 ； T1： 定时 /计数器 T1的 外部输入 端 WR： 外部数据存储器写选通 ，低电平有效 ； RD ： 外部数据存储器读选通 ，低。