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智能调节器设计.docx
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智能调节器设计
摘要
随着自动化程度在工业等各个领域的不断加深,自动化领域对各类仪器仪表的要求也不断的提高。
早期的模拟仪表控制系统被用单片机、计算机和可编程序控制器作为控制器的集中数字控制系统逐步取代,它克服了模拟仪表控制系统的缺点,对传统的仪表提出了新的要求。
本设计就是针对在单回路控制系统中的调节器,以AT89C51单片机为核心,结合ADC0832、DAC0832、74ALS573、LED、键盘等部件,设计了硬件原理图及软件程序,组成一个智能调节器。
通过将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)的PID运算,经AD转换后将信号送给单片机进行处理,随后将处理后的数据使用DA转换器输出给执行机构,去控制执行机构的动作。
以达到对温度、压力、液位、流量等变量的控制。
关键词:
智能调节器;AT89C51;ADC0832;DAC0832;PID
Thedesignofintelligentregulator
Abstract
Withthedegreeofautomationinindustryandotherfieldshavebeendeepened,thefieldofautomatedinstrumentationforalltypesofrequirementshavebeenraised.Theearlyinstrumentcontrolsystemwasgraduallyreplacedbytheconcentrationofdigitalcontrolsystemwhichusesingle-chip,computersandprogrammablelogiccontrollerascontroller.Itovercomestheanaloginstrumentcontrolsystemoftheshortcomings,andtraditionalinstrumenthasmadenewdemands.
Thedesignisinthesingle-loopcontrolsystemtoAT89C51single-chipmicrocomputerasthecore,combinedwithADC0832,DAC0832,74ALS573,LED,keyboardparts,designofthehardwareschematicandsoftwareprograms,theyarecomposedoftheintelligentregulator.Bythemeasuredvaluesfromthetransmitterandcomparedtothevaluegivenafterthedeviationtotheproportional(P),integral(I),differential(D)ofthePIDcomputation.AfterconversionbytheADtothesingle-chipsignalprocessing,thenthedatawillbeprocessedusingtheDAconverteroutputtotheimplementingagencies,tocontrolimplementingagency’stheaction.Itachievestocontrolvariablessuchastemperature,pressure,liquidlevel,flowandsoon.
Keywords:
intelligentregulator;AT89C51;ADC0832;DAC0832;PID
第一章引言
一.1智能调节器介绍
一.1.1智能仪表的概述
随着自动化程度在工业等各个领域的不断加深,自动化领域对各类仪器仪表的要求也不断的提高。
众所周知,早期的控制系统主要是模拟仪表控制系统,设备之间传输的信号为1-5V或4-20mA的直流模拟信号,信号的精度较低,传输过程中易受干扰。
随着电子技术和计算机技术的发展,以单片机、计算机和可编程序控制器(PLC)为控制器的集中数字控制系统逐步取代了模拟仪表控制系统,集中数字控制系统中控制器内部传输的是数字信号,克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度较低的缺点,提高了系统的抗干扰能力。
但是数字控制系统对传统的仪表又提出了新的要求,促使新型的智能仪表逐渐在取代传统的模拟仪表。
从信息的角度来看,智能就是能有效地获取、传递、处理、再生和利用信息,从而在任意给定的环境下成功地达到预定目的的能力,智能的核心是一种思维活动。
研究智能技术的目的,就是要设计制造出具有高度智能水平的人工系统,以便在必要的场合能够用人工系统去代替人执行各种任务。
所谓智能仪表,就是指以微型计算机(单片机或嵌入式系统)为主体,代替传统仪表的常规电子线路,具有某种智能的灵巧仪表。
这种仪表的设计重点,己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入输出通道的设计,以及应用软件的开发。
传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的,而在以单片机或嵌入式系统主体的仪表中,则完全有软件完成众多的数据处理和控制任务。
一.1.2智能仪表的国内外发展概况
50年代初期,仪器仪表取得了重大突破,数字技术的出现使各种数字仪器得以问世,把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个数量级,为实现测试自动化打下了良好的基础。
60年代中期,测量技术又一次取得了进展,计算机的引入,使仪器的功能发生了质的变化,从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数,从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。
70年代,计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透,使电子仪器在传统的时域与频域之外,又出现了数据域(Datadomain)测试。
80年代,由于微处理器被用到仪器中,仪器的前面板开始朝键盘化方向发展,过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘,选择电压电流等量程或功能的滑动开关,通、断开关键已经消失。
测量系统的主要模式,是采用机柜形式,全部通过总线送到一个控制台上。
测试时,可用丰富的BASIC语言程序来高速测试。
不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。
90年代,仪器仪表与测量科学取得重大的突破性进展。
这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高,突出表现为:
微电子技术的进步深刻地影响仪器仪表的设计,DSP芯片的大量问世,使仪器仪表数字信号处理功能大大加强;微型机的发展,使仪器仪表具有更强的数据处理能力;图像处理功能的增加十分普遍;VXI总线得到广泛的应用。
目前仪器仪表的科技发展趋势如下:
(1)数字化、智能化
由于微电子技术的进步,仪器仪表产品进一步与微处理器、PC技术融合,仪器仪表的数字化、智能化水平不断得到提高。
以美国德州仪器公司提出的“DSP”概念为例,以DSP芯片为核心,配合先进的混合信号电路、ASIC电路、元件及开发工具等提供整个应用系统的解决方案。
仪器仪表中采用了大量的超大规模集成(VLSI)新器件、表面贴装技术(SMT),多层线路板印刷、圆片规模集成等新工艺,CAD,CAM,CAPP、CAT等计算机辅助手段,使多媒体技术、人机交互、模糊控制、人工神经元网络等新技术在现代仪器仪表中得到了广泛应用。
(2)网络化
当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。
HART,FF,Profibus,Lonworks,WorldFIP,CAN等总线都从应用于某一领域不断向其他领域扩展。
多种智能化仪器仪表已陆续推向市场,仪器仪表正经历深刻的智能化变革。
集成测试系统也走向了网络化,仪器之间通过GPIB总线、VXI总线等相连。
(3)微型化
MEMS(微机电系统)是80年代中末期发达国家重点发展的领域之一,被视为21世纪广泛应用的新技术。
被列为美国“对国家安全及繁荣有重大影响”的22项重大技术之一的传感器及信号处理技术,主要依托的是微型化技术。
应用MEMS技术的微型仪器仪表被称为芯片上的仪器仪表,MEMS产品包括汽车加速计,压力、温度、流量传感器、微光谱仪等,已广泛应用于环境科学、航天、生物医疗、汽车工业、军事、工业控制等领域。
实现仪器仪表的科技发展产品的微型化、数字化、智能化和网络化,并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。
尽管有专家预言,现场总线控制系统将成为21世纪自动控制系统发展的主流。
然而,结合目前我国的综合国情,在我国发展中、小型集散控制系统,符合中、小型企业的客观要求,能够满足这些企业工业过程控制的要求。
中、小型集散控制系统能完成过程回路控制、画面显示、综合管理功能,有工程师工作站、操作员接口站,还具有若干过程控制的智能仪表,如智能调节器,可编程序控制器等。
在这样的结构中,智能调节器有极其重要的作用,所以要求智能调节器有较高的可靠性,有较多的功能,应能实现各种现场物理信号(包括各种模拟量、数字量等)的周期采集和转换处理,能做各种控制运算,能与其它伙伴调节器共同实现复杂控制。
近年来,电子技术迅速发展,集成电路的集成度日趋提高,新型的元器件层出不穷,控制系统可靠性理论不断进展,一些先进的控制策略不断走向实用。
综合这些因素,研制一台可靠性高、功能齐全、使用方便、可维护性强、性价比高、能适应中小型集散控制系统的智能调节器,具有一定的实际意义。
一.2智能调节器的特点
从信息科学的角度来看,信息系统大致分为三个层次:
数字化、自动化、智能化。
含有微型计算机SCM(Single-ChipMicrocomputer)或微处理器MCU(Micro-controlUnit)的测量(或检测)仪器,被称之为智能仪器。
智能仪器是电子测量仪器和计算机技术相结合的产物,实际上是一个专用计算机系统,也由硬件和软件两大部分组成。
按智能仪器的智能化程度和层次分为四类:
聪敏(Smart)仪器,初级智能(Primary-Intelligent)仪器,模型化(Model-based)仪器,高级智能(High-level)仪器。
其中初级智能仪器除应用了电子、传感、测量技术之外,主要特点是应用了计算机及信号处理技术。
这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能,但没有自学习、自适应功能。
从使用角度看,已有自校准、自诊断、人机对话等功能。
综合考虑分析本设计应归属这一类。
智能调节器就是一种数字化的过程控制仪表,其外表类似于一般的盘装仪表,而其内部是由微处理器、RAM、ROM、模拟量与数字量I/O通道及独立的电源等基本部分组成的一个微型的计算机系统。
控制方式除一般PID之外还可组成串级控制、前馈控制和按预定曲线进行程序控制等。
随着计算机控制技术在工业生产中的应用,以及网络部分在各个部门特别是工业生产中的应用都对控制仪表提出了更高的要求,用智能化调节器取代模拟调节器,即调节器智能化产品的实现是工业生产发展的必然要求,是使计算机、网络技术在工业领域中的远程控制功能进一步加强的必要条件,这也是本次设计的最大意义之一,因为智能调节器的优势在于以下几点:
(1)利用软件实现PID运算,取代硬件,降低成本,提高精度。
(2)运算速度加快,功能增强,通过利用单片机实现调节器的智能化,使智能调节器的采样精度提高,速度加快,达到资源的充分利用。
(3)多功能化,智能调节器可以实现模块化的设计思想,功能因模块的变化而多样化。
(4)智能调节器具有良好的通信能力,对各总线及协议可编程实现能够进行多机通信或与上位机通信,实现被控参数的远程控制。
近年来对控制理论研究的深度和广度不断增加,除了古典控制理论外,现代控制理论的应用领域也在不断扩大,特别是对一些时变系统和多变量系统,现代控制理论有其优势。
然而在大量的工业生产对象中,超过95%的过程控制系统是基于PID控制回路的,因此对PID调节器的研究和应用仍具有十分重要的意义。
现场总线技术的出现,对分布式控制系统的结构有着重大的影响。
PID调节器是现场总线概念的重要组成部分,随着现场总线的发展,它还将标准化。
随着仪表的智能化,PID调节器已逐步嵌入其中,特别是现场总线仪表,不论是变送器还是执行器,PID调节器的功能已嵌入其中。
一.3智能调节器发展的推动技术
推动智能仪器发展的主要技术有:
(1)传感器技术:
作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术,经历了聋哑传感器(DumbSensor)、智能传感器(SmartSensor)、网络化传感器(NetworkedSensor)的发展历程。
(2)A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围:
A/D芯片是从模拟信号向数字信号转换的关键器件,是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一。
A/D器件不但在向高速方向发展,还在向低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。
随着微电子技术的发展,目前不仅可以把A/D等模拟电路与微处理器集成在一起(称为混合电路),而且还能将传感器与控制电路都集成在一块芯片上,从而实现智能仪器的多功能化。
(3)单片机与DSP的广泛应用:
8位/16位单片机的性能增强首先体现在指令执行速度有了很大的提升;其次,目前单片机竞相集成了大容量的片上Flash存储器,集成密度高并实现了ISP(在系统烧录程序)和IAP(在应用烧录程序);单片机在低电压、低功耗、低价位方面也有很大的进步;很多公司还采用了D-A混合集成技术,将A/D、D/A、锁相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中,大大减少了片外附加器件的数目,进一步提高了系统的可靠性。
如果信号处理在通用微机上用软件来完成,则运算时间较长。
随着大规模集成电路技术的发展,高速单片数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)已被广泛采用,新型DSP芯片接口功能大大加强,甚至集成了DSP与ARM双核。
(4)嵌入式系统与片上系统SoC(SystemonChip)将使智能仪器的设计提升到一个新阶段:
从应用的角度来看,计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)。
通用计算机系统是指日常使用的PC系统、工作站、大型计算机和服务器等。
而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机(微控制器)、DSP芯片等作为“控制与处理部件”,嵌入到应用系统中。
智能仪器属于嵌入式系统,核心是计算机,以设备形式出现。
(5)ASIC、FPGA/CPLD技术在智能仪器中的广泛应用:
专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)可分为数字ASIC和模拟ASIC。
数字ASIC又分为全定制(FullCustom)和半定制(SemiCustom)两种。
FPGA(FieldProgrammableGatesArray)与CPLD(ComplexProgammableLogicDevice)都是可编程逻辑器件,它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的,比较适合于时序、组合等逻辑电路应用场合。
它可以替代几十甚至是上百块通用IC芯片。
(6)LabVIEW等图形化软件技术:
在计算机和必要的硬件确定之后,软件就是PCI仪器发展的关键,仪器应用软件主要包括开发环境与硬件接口的仪器驱动程序和用户接口程序。
(7)网络与通信技术:
网络时代的测试仪器和测试技术变化主要表现在两个方面:
智能仪器要上网,完成数据传输、远程控制与故障诊断等功能;构件网络化测试系统,将分散的各种测试设备挂接在网络上,通过网络实现资源和信息共享、协调工作,共同完成大型复杂系统的测试任务。
一.4本设计的主要内容
本设计研究的内容主要是在单回路控制系统中,以AT89C51单片机为核心,结合ADC0832、DAC0832、74ALS573、LED、键盘等部件,通过设计硬件原理图及编写软件程序,组成一个智能调节器。
通过将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)的PID运算,经AD转换后将信号送给单片机进行处理,随后将处理后的数据使用DA转换器输出给执行机构,去控制执行机构的动作,以实现对温度、压力、液位、流量等工艺变量的自动控制。
本论文的结构安排如下:
第二章对智能调节器进行了总体的设计。
第三章对智能调节器的硬件设计进行了研究,给出了硬件系统和各部分设计的原则和总体方案论证,介绍了硬件电路设计。
第四章对智能调节器的软件设计进行了研究,包括AD转换、DA转换、LED的显示、键盘的各个按键功能设计。
第五章对智能调节器进行调试。
第六章对本次设计进行总结与展望。
第二章智能调节器方案设计
二.1控制仪表与控制系统
控制仪表是实现生产过程自动化的重要工具。
在自动控制系统中,检测仪表将被控变量转换成测量信号后,还需送控制仪表,以便控制生产过程的正常进行,使被控变量达到预期的要求。
这里所指的控制仪表包括在自动控制系统中的控制器(调节器)、变送器、运算器、执行器等,以及新型控制仪表及装置。
本设计用到的是单回路控制系统,在所有反馈控制系统中,单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种,因此,它被称为简单控制系统。
单回路控制系统虽然结构简单,却能解决生产过程中的大量控制问题。
它是生产过程控制中应用最为广泛的一种控制系统,生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。
单回路控制系统由四个基本环节组成,即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器(调节器)和控制阀。
有时为了分析问题方便起见,把控制阀、被控对象和测量变送装置合在一起,成为广义对象。
这样系统就归结为控制器和广义对象两部分。
图2.1所示的就是最简单的单回路控制系统。
图2.1单回路控制系统
由于扰动作用使被控变量偏离给定值,从而产生偏差。
调节器接受偏差信号后,按一定的运算规律输出控制信号,作用于被控对象,以消除扰动对被控变量的影响,从而使被控变量回到给定值上来。
被控变量是否回到给定值上,以及怎样的途径,经过多长时间回到给定值上来,即控制过程的品质如何,这不仅与对象特性有关,而且还与控制器的特性,即控制器的运算规律(或称控制规律)有关。
基本运算规律有比例(P)、积分(I)、微分(D)三种,各种控制器的运算规律均由这些基本运算规律组合而成的。
二.2PID调节器
按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器,是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器,也是计算机中应用最广的控制方式。
PID调节器结构简单,参数易于整定,在长期应用中已经积累了丰富的经验。
特别在工业控制中,由于控制对象的精确数学模型难以建立,系统的参数又常常发生变化,运用现代控制理论分析要花费很大的代价进行模型辨识,但往往得不到预期的效果,所以人们还是常常采用PID调节器,并根据经验在线整定。
由于一般工业对象动态反应较缓慢,当控制周期取得足够短时,离散的控制形式便趋近于连续的控制形式。
PID调节器是一种线性调节器,这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差e=w-y,并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,所以简称P(比例)I(积分)D(微分)调节器。
在实际应用中,根据对象的特性和控制要求,也可以灵活的改变其结构,取其中一部分环节构成控制规律。
例如,比例(P)调节器、比例积分(PI)调节器、比例微分(PD)调节器等。
比例(P)的特点:
由于P控制器的输出与输入成比例关系,只要有偏差存在,控制器的输出就会立刻与偏差成比例地变化,因此比例控制作用及时迅速,这是它的一个显著特点。
但是这种控制器用在控制系统中,将会使系统出现余差。
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,控制器的输出不会发生变化,系统也就无法保持平衡。
应用于干扰较小,允许有余差的系统中。
积分(I)的特点:
只要偏差存在,积分作用的输出就会随时间不断变化,直到偏差消除,控制器的输出才稳定下来,这就是积分作用能消除余差的原因。
由于积分输出是随时间积累逐渐增大的,一般不单独使用,否则会造成控制不及时,使系统稳定裕度下降,应用于要求无余差场合。
微分(D)的特点:
微分作用是根据偏差变化速度进行控制的,即使偏差很小,只要出现变化趋势,就有控制作用输出,故有超前控制之称。
在温度、成分等控制系统中,往往引入微分作用,以改善控制过程的动态特性,不过在偏差恒定不变时,微分作用输出为零,故微分作用不能单独使用。
应用在温度、成分等滞后性大的控制系统中,以改善动态特性。
PID控制器由于用途广泛,使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kc,Ki和Kd)即可。
理想PID控制器表达式为:
由于PID控制器有Kp、TI 、TD这三个参数可供选择,因而适用范围广,在温度和成分分析控制系统中得到更广泛的应用,具有较好的控制性能,但这并不意味着它存在于任何情况下都是最合适的,必须根据过程特性和工艺要求选择最为合适的控制规律。
下列是工业生产过程常用的控制规律:
液位:
一般要求不高,用P或PI控制规律;
流量:
时间常数小,测量信息中杂有噪音,用PI或加反微分控制规律;
压力:
介质为液体的时间常数小,介质为气体的时间常数中等,用P或PI控制规律;
温度:
容量滞后较大,用PID控制规律。
PID控制器具有以下特点:
(1)原理简单,使用方便,PID参数可以根据过程动态特性及时调整。
如果过程的动态特性发生变化,PID参数就可以重新进行调整与设定。
(2)适应性强,按PID控制规律进行工作的控制器早己商品化,即使目前最新式的过程控制计算机,其基本控制功能也仍然是PID控制。
PID应用范广,虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过适当简化,可以将其变基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样就可以通过PID控制了。
(3)鲁棒性强,稳态无静差,控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
由于具有这些优点,在生产过程控制中人们首先想到的总是PID控制。
PID参数的整定除了需要确定KP、TI、TD等参数外,还需要确定系统的采样周期T。
生产过程(对象)通常有较大的惯性时间常数,而大多数情况,采样周期与对象的时间常数相比要小得多。
因此,所确定采样周期T应远小于系统中其它时间常数。
采样周期的选择受各种因素的影响,有些相互矛盾的必须视具体情况和系统的要求做出折中的选
表2.1常见被控变量的经验采样周期
被控变量
采样周期/s
备注
流量
1~5
优先选1~2s
压力
3~10
优先选6~8s
液位
6~8
---------------
温度
15~20
或取纯滞后时间
成分
15~20
---------------
择。
在具体选择采样周期时,可参照表2.1所示的经验数据,再通过现场实验,最后确定合适的采样周期。
KP、TI、TD的整定通常有两种方法,即理论设计法和实验确定法。
理论设计法需要有被控对象的精确数学模型,然后采用最优化的方法确定PID的各参数。
被控对象的模型可以通过物理建模或系统辨识等方法得到,但通常也只能得到近似的模型。
因此,通过实验确定法来选择PID参数是行之有效的方法。
实验确定法主要有试凑法和工程整定法。
试凑法是通过计算机仿真或实际运行,观察系统对典型输入的响应曲线,根据各调节参数(KP、TI、TD)对系统相应的影响,反复调节试凑,直到满意为止,从而确定PID参数。
试凑时,实行先比例,后积分,再微分的原则反复调
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