基于ATC单片机的流量控制系统课程设计报告仿真和实物实现.doc

《过程控制仪表》 课程设计报告 设计题目 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 目 录 第一章 流量控制系统（实验部分） 1 2.1 控制系统工艺流程 1 2.2 控制系统的控制要求 5 2.3 系统的实验调试 7 第二章 流量控制系统工艺流程及控制要求 9 2.1 控制系统工艺流程 9 2.2 设计内容及要求 10 第三章 总体设计方案 11 3.1 设计思想 12 3.2 总体设计流程图 13 第四章 硬件设计 14 4.1 硬件设计概要 14 4.2 硬件选型 15 4.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 16 第五章 软件设计 17 5.1 软件设计流程图及其说明 17 5.2 源程序及其说明 18 第六章 系统调试及使用说明 20 第七章 收获、体会 21 参考文献 22 设计电磁流量计为流量传感器,单片机为核心流量控制系统。 本系统采用C51系列的89S52单片机为核心,通过设置89S52单片机的定时器产生脉宽可调的PWM波【2】,对阀门电机的输入电压进行调制,实现阀门开度的变化,进而实现了对液体流量的控制。单片机通过电磁流量计采集实际流量信号,根据该信号对其内部采用数字PID算法对PWM变量的值进行修改,从而达到对流量的闭环精确控液体流量控制通常采用电阀实现，近年来，电阀的结构和控制方式发生了很大的变化， 随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation ,简称PWM）控制方式得到了广泛的应用。这种控制方式很容易在单片机中实现，从而为电阀的控制数字化提供了。将 偏差的比例（proportion）、积分（integral）、微分（differential）通过线性组合构成控制量，PID控制器有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。本系统采用系列的单片机为核心，通过设置产生脉宽可调的PWM波，对的输入电压进行调制，而实现了对液体流量的控制。单片机过流量计采集实际流量信号，根据该信号其内部采用数字PID算法对PWM值进行修改，从而达到精确控制。 图1 流量过程控制组成框图 电磁流量计：对输出流量进行检测，并与设定值比较，差值作为控制器的输入。 PID控制器：对差值进行P 、I、D运算，输出对应得模拟量控制电机正反转和转速。 直流电机：根据控制器输出正反转，控制阀门开度增大或减小。 阀门：直接控制流量的执行机构。 所以，在这个系统的设计中，主要设计以上几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到满足系统参数的要求。具体就是确定控制器的算法和如何控制阀门开度，因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣。 3、控制器算法与PWM波形输出 流量是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对它进行测量和控制。本系对流量控制采用PID算法，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID结构， 图2 PID控制原理框图 PID调节器的离散化表达式为 比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差; 积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定； 微分作用能有效的减小动态偏差。 PWM波形输出：用89S52单片机的定时器0和定时器1交替工作，产生连续的与偏差大小有关的占空比可调的PWM波形。首先，定时器0定时时间到，产生中断，置位PWM输出口并开启定时器1，定时器1定时期间PWM输出高电平，且定时器1的定时时间可调，与偏差的PID运算结果有关，所以能输出占空比变化的PWM波，控制电机转动，进而控制阀门开度和流量。 三、系统硬件设计 1、总体设计框图及说明 本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现流量的自动测量和控制，采用了89S52单片机作为系统的控制中心，由数据采集模块检测到的流量信号传入单片机，并根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，根据系统程序控制，进行PID运算以及PWM输出控制电机转速，最终由CPU控制电机正反转，达到调节流量的目的。系统还具有键盘设定模块，便于用户与系统之间的对话。系统的硬件结构较简单，由若干个功能模块组成。具体结构图图3及说明如下， 图3 功能模块结