设计论文过程控制系统实验装置开发说明书学位论文.docx
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设计论文过程控制系统实验装置开发说明书学位论文
毕业设计说明书(毕业论文)
过程控制系统实验装置开发
——PI-P数字调节器
摘要
在过程控制中,调节器是由大量运算单元组成。
它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行和产品的最终质量,与企业的经济效益息息相关,因而其优化设计具有重要的现实意义。
系统稳定是调节器设计首先需要考虑的问题,如果系统不稳定,提高其它性能也就没有意义了。
常规的模拟调节装置之所以采用基本PID控制方案,主要是因为它在现场能够获得直观的、有效的控制效果。
因此,直到现在它仍然是一种最基本的控制规律。
而采用单片机实现的数字PID算法,由于软件系统的灵活性,使算法得到了进一步修正和完善。
PID控制算法的种类很多,应用场合不同对算法的要求也有所不同。
本次设计主要对积分分离式PID控制算法进行了重点的研究,结果证明在一定场合下积分分离式PID控制算法优于基本的PID算法。
关键词:
单片机;PID调节器;积分分离
ProcessControlSystemExperimentalDeviceDevelopment
--PI-PDigitalRegulator
Abstract
Intheprocesscontrol,regulatoriscomprisedofagreatdealofarithmeticelements.Theirperformancehasimmediaterelationwithsmoothrunninginthecourseofproductionandthefinalqualityofproducts.Itisalsocloselyinterrelatedtotheeconomicbenefitofenterprises.Soithasfar-reachingsignificationthattheoptimizationdesignofPIDcontrolunites.
Thestabilityoftheclosed-loopsystemisthefirstconsiderationinthecontrollerdesign.Ifthesystemisunstable,theimprovementoftheotherperformanceswouldbenotsignification.
ThemainreasonthatthebasicPIDcontrolprogramcanbewidelyusedinconventionalsimulationregulatingdeviceisthatwecangetvisualandeffectivecontrolresultinthesitebyit.Soitstillbeabasiccontrollawuntilnow.Duetotheflexibilityofsoftwaresystem,thedigitalPIDalgorithmaccomplishedbymicro-computerisfurtherrevisedandimproved.TherearemanytypesofPIDcontrolalgorithm,differentapplicationsneeddifferentalgorithms.ThispaperonlystudyintegralseparationofPIDcontrolalgorithmsimply.TheresultsprovethattheintegralseparationPIDalgorithmisbetterthantheconventionalPIDalgorithminsomecertainoccasions.
keyword:
Single-chipComputers;PIDregulator;IntegralSeparation
第一章引言
一.1PID控制器的现状
在工业过程控制中,PID控制是历史最悠久,生命力最强的一种控制方式。
它是迄今为止最通用的控制方法[1]。
它提供一种反馈控制,通过积分作用可以消除稳态误差,通过微分作用可以预测未来[9]。
PID控制器能解决许多控制问题,尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。
PID控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分,而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。
在过程控制中,90%以上的控制回路采用PID类型的控制器,因此,大多数反馈回路采用该方法或其较小的变形来控制。
我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915--1940年期间。
尽管1940年以来,许多先进的控制方法不断推出,但PID控制器以其结构简单,仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。
据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会统计,在日本有91%的控制回路采用的是PID控制器控制。
在美国,据控制工程杂志估计,有90%以上的工业控制器采用的是PID控制器。
而在我国现在PID调节器的应用就更加普遍。
虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新,许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现,但PID控制仍是最重要的控制方法。
据估计:
在我国过程控制工业中需要约50万个智能的PID控制器。
PID调节器的发展经历了液动式、气动式几个阶段,目前正经历由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段;这些数字化、智能化的控制器有着传统的模拟控制器无法比拟的优点,如:
可以灵活的改变控制参数;可以灵活的改变控制策略等。
随着工业的发展,对象的复杂程度不断加深,尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统:
其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时或随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。
加之,人们对控制品质的要求日益提高,基本PID控制器的缺陷逐渐暴露出来。
对于时变对象和非线性系统,基本的PID控制更是显得无能为力。
因此,基本PID控制的应用受到很大限制和挑战。
人们在对PID应用的同时,也对其控制算法进行了各种改进,例如:
不完全微分PID算式、积分分离PID算式、变速积分PID算式和带死区PID算式等。
一.2PID控制器设计方法回顾
在过去的几十年中,人们提出了许多PID控制器的设计方法。
然而,在这些方法中没有一种是能得到普遍接受的,也就是最好的控制方法依然没有找到。
另一方面,也需要各种各样整定PID控制器的方法:
从一些简单的整定方法到基于对象模型的更精确的设计方法。
各种不同的控制问题要有不同的设计方法来解决。
大多数设计方法往往仅考虑了控制问题的一个方面,例如:
有些设计方法只考虑了抑制负载扰动而没有考虑设定值跟踪。
一个好的设计方法应该满足一系列工程指标,如:
负载扰动抑制、设定值跟踪以及控制器的非脆弱性等。
许多传统的PID控制器设计方法没有对这些方面进行全面考虑,而是采用一种不能令人满意的折衷手段。
一.3设计PID控制器应考虑的问题
当我们去解决一个实际控制问题的时候,首先必须弄清楚控制的主要目的,也就是找出重点要解决的问题。
一般来说好的设定值跟踪和快速抑制负载扰动是两个主要控制目标[10]。
由于一些性能指标的实现往往受到PID控制器结构形式的限制。
例如:
利用传统的单自由度控制器就无法同时满足设定值跟踪和负载扰动抑制的要求;线性积分器在提高系统稳态精度的同时,也带来了相位的滞后,恶化了控制系统的品质,时常引起系统快速性与稳定性之间不可调和的矛盾[2]。
因此,对控制器的结构形式要做一些深入研究,可根据控制系统的实际要求,采用非常规PID控制器。
第二章常规PID控制器
二.1控制器的基础知识
PID控制器是一种基于“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单算法。
基本PID控制系统原理图如图2.1所示:
图2.1PID控制系统原理图
系统主要由PID控制器和被控对象组成。
作为一种线性控制器,它根据设定值ysp(t)和被控对象的反馈值y(t)构成控制偏差e(t),将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量P(t),对被控对象进行控制。
控制器的输入输出关系可描述为:
(2.1)
式中:
,KP为比例系数,TI为积分时间常数,TD为微分时间常数。
二.1.1比例作用
比例作用的引入是为了及时成比例的反映控制系统的偏差信号e(t),以最快速度产生控制作用,使偏差向减小的方向变化。
由于比例调节器的输出和输入成比例关系,只要有偏差存在,调节器的输出立刻与偏差成比例的变化,因此比例调节作用及时迅速,这是它的一个显著特点。
但是这种调节器用在控制系统中,将会使系统出现稳态误差,也就是说,当被控变量受干扰影响而偏离给定值后,不可能再回到原先数值上,因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零,调节器的输出就不会发生变化,系统也就无法保持平衡。
为了减小稳态误差,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。
二.1.2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。
二.1.3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。
二.2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2.2所示:
图2.2模拟PID控制电路图
在图中,前半部分是比例微分(PD)电路,CD、RD及R1、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2.3所示:
图2.3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。
二.3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]。
二.3.1位置式PID控制算法
在模拟控制系统中,PID算法的表达式为:
(2.2)
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。
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(2.2)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:
(2.3)
(2.4)
可得到离散的PID表达式:
(2.5)
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(k-1)-----第k-1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(2.5)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。
二.3.2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(2.5)式可导出提供增量的PID控制算法。
根据递推原理可得:
(2.6)
用式(2.5)减去(2.6),可得
(2.7)
式(2.7)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(2.7)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(k-1)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。
二.4数字调节器的整体设计
二.4.1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。
二.4.2整体结构设计
该调节器的硬件部分主要由单片机AT89C51、A/D转换器TLC0832、D/A转换器DAC0832、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2.4所示:
图2.4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。
第三章硬件设计
三.1单片机
三.1.1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TMS-100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]。
三.1.2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MCS-51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3.1AT89C51引脚图
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。
P1.0、P1.1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(P1.0):
定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端;
T2EX(P1.1):
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:
P3.0RXD:
串行数据接收(输入)端;
P3.1TXD:
串行数据发送(输出)端;
P3.2
:
外部中断0输入端;
P3.3
:
外部中断1输出端;
P3.4T0:
定时/计数器T0的外部输入端;
P3.5T1:
定时/计数器T1的外部输入端
P3.6
:
外部数据存储器写选通,低电平有效;
P3.7
:
外部数据存储器读选通,低电平有效;
RST:
复位信号输入端。
高电平有效。
ALE:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的
信号将不出现。
/VPP:
外部程序存储器选择信号,低电平有效。
当
/VPP引脚接地(即低电平)时,将从外部程序存储器读取指令码;当
/VPP引脚接高电平时,将从内部程序存储器读取指令。
XTAL1:
片内晶振电路反相放大器输入端;
XTAL2:
片内晶振电路反相放大器输出端。
三.2A/D转换电路设计
A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。
按转换原理可分为4种:
计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。
目前最常用的是双积分式和逐次逼近式。
双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜;缺点为转换速度较慢。
因此这种转换器主要用于转换速度要求不高的场合。
另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式。
逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快、精度较高的转换器,其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。
本次设计模/数转换器采用的是8位逐次逼近型电压A/D转换器TLC0832,它有两个可多路选择的输入通道CH0、CH1。
图3.2TLC0832工作时序与多路器控制逻辑图
TLC0832的多路器可用软件配置为单端输入或差分输入。
差分的模拟电压输入可以共模抑制和使模拟输入电压偏移值为零。
另外,输入基准电压可以调整大小,在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。
当连到分配为正端的输入电压低于分配为负端的输入电压时,转换结果为全0。
由于该设计只需要将被测信号进行转换即可,所以采用单通道输入。
图3.3TLC0832接线图
置
为低电平才能启动转换开始,使所有逻辑电路使能。
在整个转换过程中必须置为低。
在转换过程中,转换数据从DO端输出,以最高位开头。
经过8个时钟后,转换完成。
当
变高,内部所有寄存器清零。
此时,输出电路变为高阻状态。
如果希望开始另一个转换,
必须做一个从高到低的跳变,后面紧接地址数据。
DI和DO端可以连在一起,通过一根线连到单片机的一个双向I/O口进行控制。
之所以能这样做是因为DI端只在多路器寻址时被检测,而此时DO端仍为高阻状态。
三.3D/A转换电路设计
D/A转换器的作用是将计算机输出的数字量转换成模拟量,是模拟量输出通道的重要组成部分,其精度和性能直接影响着控制效果。
从D/A转换位数上来说,有8位、10位、12位、16位等,按其工作方式可分并行和串行两种。
DAC0832为一个8位D/A转换器,单电源供电,在+5V~+15V范围内均可正常工作。
基准电压的范围为±10V,电流建立时间为1μs,CMOS工艺,低功耗20mW。
DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成。
DAC0832中有两级锁存器,第一级即输入寄存器,第二级即DAC寄存器。
DAC0832可处于三种不同的工作方式[5]:
直通方式:
当ILE接高电平,
、
、
和
都接地时,DAC处于直通方式,8位数字量一旦到达DI7~DI0端,就立即加到8位D/A转换器,被转换成模拟量。
图3.4D/A转换部分硬件图
单缓冲方式:
只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式,而用另一个锁存器数据,DAC就可处于单缓冲工作方式。
一般的做法是将
和
都接地,使DAC寄存器处于直通方式,另外把ILE接高电平,
接端口地址译
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