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1、过程控制课程设计学生姓名：学 号：210992专业班级：电气工程及其自动化（1）班指导教师:二O二年六月十五 日目录1. 课程设计目的 32. 课程设计题目和要求 33. 设计内容 43.1 课程设计的方案 43.2 硬件设计 7.3.3 软件设计 104. 设计总结 185. 参考书目 18附录 191、课程设计目的通过本课程设计 , 主要训练和培养学生的以下能力 :(1) . 查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料 ( 包括从已发表的文献中和从生产 现场中搜集 ) 的能力；(2) . 方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性 , 又考虑经济上的合理性 并注意提高分析和解决实际问题的能力；
2、(3) . 迅速准确的进行工程计算的能力 , 计算机应用能力；(4) . 用简洁的文字 , 清晰的图表来表达自己设计思想的能力。2、课程设计题目和要求题目： 带 PID 的液位控制系统要求：1. 要求设计液位系统，要求通过阀门准确控制液位，采用带有增量式的PID，要求无余差，超调小，加热速度快。2.硬件采用 51 系列单片机。3 采用 keil c 作为编程语言，采用结构化的设计方法3、设计内容3.1 课程设计的方案在工业生产过程中，如图 2.1 所示的加热炉，为了保证生产正常进行，物 料进出均需平衡，炉内温度也需恒定。选择被控参数：根据工艺可知，加热炉的液位要求维持在某给定值上下， 所以直接
3、选取液位为被控参数。加热炉的温度则以炉壁的温度为被控参数。选择控制参数：液位控制以流出加热炉的物料流量为控制参数。温度控 制以供给燃料的流量为控制参数。选择调节阀：液位控制为保证不产生溢出，选用气关式，选择对数流量特 性。温度控制燃料为可燃性物质，为保证安全，选用气开式，选择对数流量特 性。选择控制器：因为需精确控制液位和温度，且无余差，超调小，加热速度 快，调节器采用 PID 作用。液位控制的控制器用正作用调节器，温度控制的控 制器用反作用调节器。图2.1系统流程图图2.2是基于单片机为控制器单容加热炉液位和温度控制系统的基本组 成硬件框图。主要由液位传感器，进水阀门，出水阀门，温度传感器，
4、燃料 阀门，A/D转换电路，D/A转换电路，键盘电路，显示电路，单片机（51系 列）组成。液位传感器可精确快速的测量微小液位差，把差值转换为电参数 的器件。温度传感器利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为 电量的器件。单片机信号得经由计算机 PID算法计算传回。工作原理：控制入水阀门的流量，液位传感器检测液位，与设定值相比 得到的差值经过A/D转换，送入单片机中，经过 PID算法分析传回单片机， 控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过D/A转换控制出水阀门的开闭。同时，温度传感器检测炉壁温度，与设定值相比得到的差值经过 A/D 转换，送入单片机中，经过PID算法分析传回单片机
5、，控制显示电路实时显 示炉壁温度的实际值，信息数据经过 D/A转换控制燃料流入阀门的开闭。图2.2系统框图图2.3系统液位控制框图扰功图2.4系统温度控制框图3.2硬件设计本次设计中的最小系统模块中包括 CPU复位电路和晶振传感器模块1、液位传感器本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器。如下图所示它是一款根据浮力原理，并采用三线分压器原理对也未进行测量及信号得变送。浮球内磁钢的磁力线穿过导管，感应导管内干簧与电阻链，由此产生的电压与液位成正比例 关系。工作原理简单应用范围广泛，对于液位的连续测量，能可靠稳定获取液位 信号，不受被测介质的物理化学状态变化影响， 支持信号源距离传送。适用范围
6、: 温度：-80 C +200C ；压力：真空100Mpa耐腐蚀性强，适用于各种场合。误 差在20mn之内。柯普乐浮球液位传感器2、AD59数字温度传感器，品牌昆仑中科类型铂热电阻型号AD5-系列分度号AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可 远距离测温且使用方便等优点，测温范围为-55 C+150C,电源电压范围为4V 30V,它可测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均 温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。转换和D/A转换模块该模块 A/D转换选用 ADC0804它是属于连
7、续渐进式(Successive Approximation Method ) 8位单通道的A/D转换器，工作电压：+5V,模拟输入 电压范围：0+5V,分辨率：8位，转换值介于0255之间。转换时间：100us 转换误差：土 1LSB 这类型的A/D转换器除了转换速度快(几十至几百us)、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用要求不高的场合。DAC0832是 8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到 广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电 路及转换控制电路构成。32
8、3按键模块本次设计中有复位，开始和停止按钮，如图3.1、3.2所示y】cap图3.1复位按钮3.2.4显示模块图3.2开始、停止按钮本设计温度显示采用2位LED数码管显示电路。LED数码管实际上是由七个 发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。如图3.3所示，这些段分别由 字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了，为了便于实时显示，本设计采用动态 显示，用74LS164驱动。液位显示用LCD1602 它显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个 字符液晶模块（显示字符和数字），如图3.4所示。工作电压+5
9、V,对比度可调， 内含复位电路，能提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移 位等多种功能，微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪 表和低功耗应用系统中，本设计用 74hc595驱动。图 3.4 LCD16023.3软件设计算法在控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID控制。常规PID控制系统原理框图如图4.1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。r(t)c图4.1 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)(4-1)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线
10、性组合可以构成控制量， 对被控对象进行控制，故称 PID控制器。它的控制规律为u(t)二 Kp e(t)Jde(t)】dt(4-2)写成传递函数形式为G(s)U(s)E(s)1-Kp(1TdS)TiS(4-3)式中 Kp比例系数;T 积分时间常数；Td 微分时间常数；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：1、比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动 态特性变坏。2、
11、积分环节主要用来消除系统的稳态误差。T|越小，系统的静态误差消除越快，但T|过 小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象， 从而引起响应过程的较大超调。 若 T|过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3、微分环节能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的 变化，对偏差变化进行提前预报。但 Td过大，会使响应过程提前制动，从而延 长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。增量型PID控制算法现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代 替微分，则可作如下近似变换：kT(k =0,1,2,川)tkke(t)dt T e(jT) e(j)(4-
12、4)j=0j=0de(t) _ e(kT) e(k1)T e(k)e(k1)l dt T- T .式中T采样周期。显然，上述离散化过程中，采用周期 T必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去To将式(4-4)代入式(4-2)，可得离散的PID表达式为u(k)=心 e(k) e(j) 匹e(k)-e(k-1)lIT| y TJku(k)二 KPe(k)e(j)KDe(k) - e(k-1)1式中k 采样序号，k=0,1,2，Hi ；u(k)第 k次采样时刻的计算机输出值;(4-5)(4-6)j=oe(k)第k次采样时刻输入的偏差值；e(k-1)第(k
13、-1)次采样时刻输入的偏差值;K| 积分系数，K| =KpT/T ；Kd 微分系数，Kd 二 KpTd/T ；当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电动机)时，可由式(4-6)导出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得kUu(k-1) =Kpe(k-1) Ke(j) KDe(k-1)-e(k-2)(4-10.)j=0用式(4-6)减式(4-10)，可得Lu(k)二 KP【e(k) -e(k-1) K2(k)ae(k)-2e(k-1) e(k-2)二 KP e(k) Qe(k) KD e(k) - e(k1)(4-11)式中：e(k) =e(k) _e(k 一1)图4.4增量型PID控
14、制系统框图式（4-11）称为增量式PID控制算法。图4.4给出了增量式PID控制系统示意图。可以将式（4-11）进一步改写为.心（k） = Ae（k） - Be（k -1） Ce（k -2）（4-12）式中 A = Kp（1 * 半）、B=Kp（1 2半）、C=KPTD/T它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。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3次测量值的偏差，即可由式（4-11 ）或式（4-12）求出控 制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量 u（k）对应的是本次执行机构位置（阀门开度）
15、的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累ku（ku（j）需采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件来实现；而j =o目前较多的是利用算式u（k） =u（k -1） *：u（k）通过执行软件来完成。图4.5 PID增量型控制算法流程图主程序控制流程图4.6液位控制主程序流程图图4.6温度控制主程序流程图部分程序（ PID 部分）#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table1=err;void main()int PID(uint err)uint pid_p,pid_i,p
16、id_d;Int Kp=50,Ti=50,Ki,Td=0.01,Kd;while(1)pid_p=kp*err;pid_i+=err;pid_d-=err;pid=pid_p+ki*pid_i+kd*pid_d; return pid;4. 设计总结经过一周的课程设计，使我深刻的感受到所学知识的综合使用，像PID的运用，单片机的运用，C语言编程，protel画原理图，检测与转换技术的传感器 等，一开始设计时还真有点迷茫，只能重新翻开以前的书本，才一点一点的理解 过来，有了思路。而且以前不是特别明白或根本就不懂的地方，通过重新学习和实践弄懂了不少，对它们的原理有了更深的认识。也使我感受到了理论与
17、实践相 结合的重要性，不但使我对所掌握的知识有了更深刻的认识， 还提高了我独立思 考能力。遇到不懂的地方要的动手查阅资料或问同学、老师。这次设计为以后的学习、生活打下良好的基础，同时也暴露了自己的一些不足之处， 基础知识不够 扎实，不太懂得知识的综合利用，在以后的时间里要多加注重，以提高自己综合 能力。5. 参考书目1 竺可桢物理学北京：科学出版社，1973.2 李群芳.单片机原理、接口及应用(第二版).北京：清华大学出版社，2010.93 叶东毅.C语言程序设计教程.厦门：厦门大学出版社.2009.54 徐兵.过程控制.北京：机械工业出版社.2004.8 王春鸣，陈刚，张素贞.专家PID控制器.石油化工自动化，2002,( 5):25-27附录：硬件电路原理图