王岩课程设计.docx
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王岩课程设计.docx
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王岩课程设计
1引言
锅炉参数监控,是过程控制的典型实例。
锅炉微计算机控制,是近年来开发的一项新技术,它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,我国现有中、小型锅炉30多万台,每年耗煤量占我国原煤产量的1/3,目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。
提高热效率,降低耗煤量,用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
设锅炉控制系统的原理框图如下。
图1控制系统原理图
控制系统原理图如图1所示,设广义被控对象的传递函数为
,
。
被控对象简图如图2所示。
图2锅炉液位示意图
在工业生产过程中,被控对象除了具有容积迟延外,往往不同程度地存在纯迟延。
具有纯迟延的过程被公认为是较难控制的过程,时滞过程控制一直是关注的课题之一。
此次课程设计采用大林算法对上述问题进行解答。
2课程设计目的
1.在学习微机原理、单片机原理及应用、DSP原理及应用、计算机控制技术、控制理论与系统的基础上,掌握控制系统的设计方法与步骤;
2.解控制系统构造的特点、组成和接口电路;
3.掌握计算机控制系统的软、硬件设计基本方法;
4.在计算机控制系统设计的基础上,利用MATLAB语言对控制器进行仿真设计。
3课程设计要求
◇完成汽包液位控制的整体设计并画出整体设计框图
◇完成汽包液位控制系统的硬件电路设计
►接口电路和I/O通道的扩充►组合逻辑或时序逻辑电路
►供电电源►光电隔离
►电平转换►驱动放大电路等
►A/D、D/A转换►多相流流量检测
►自动、手动切换►报警电路
►紧急故障停车电路►键盘显示电路(人机交互)
◇完成汽包液位控制系统的软件设计
►确定具体要求►软件规划
►程序流程编制►算法仿真
4大林算法
对于大多数工业对象,都具有较大的滞后,使控制系统的性能下降,稳定性降低,过渡过程特性变坏,引起超调和持续的振荡。
大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器,使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,从而是系统不产生超调,同时保证系统的稳定性。
大林算法要求在选择闭环脉冲传递函数时,采用相当于连续一阶惯性环节的脉冲传递函数来代替最少拍多项式。
4.1大林控制算法建模
设广义被控对象的传递函数为
,
。
由传递函数知,
。
连同临界保持器在内的系统广义被控对象的函数
由此可以求出广义对象的脉冲传递函数
按照大林算法就是设计一个数字控制器,使整个闭环系统的脉冲传递函数相当于一个带有纯滞后的一节惯性环节,设
可得
由上式可知,D(z)有3个极点:
,根据书上结论,z=1处的的极点不会引起振铃现象,所以引起振铃现象的极点为
另z=1,代入上式即可消除振铃现象,此时
控制系统结构图如下
图3控制系统结构图
4.2Simulink仿真
根据2.1大林算法的设计步骤,设计出的数字控制器D(z),将设计的数字控制器运用到下图。
图4大林算法控制系统simulink框图
经过模拟20s得到仿真波形图
由图可知15s后,经过数字控制器D(z)的调整系统开始趋于稳定。
5输入输出通道
5.1模拟量输入通道
模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度,压力,流量,液位等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字信号。
ADC0808/0809的时钟是利用80C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。
如果单片机时钟频率采用6MHz,则ALE引脚的输出频率为1MHz,再二分频后为500kHz,符合ADC0808/0809对时钟频率的要求。
由于ADC0808/0809具有输出三态锁存器,故其8位数据输出引脚直接与数据总线相连。
地址选通输入端A、B、C分别与地址总线的低三位A0、A1、A2相连,以选通IN0~IN7中的一个通道。
将P2.7作为片选信号,在启动A/D转换时,由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动由于ALE和START连在一起,因此ADC0808/0809在锁存通道地址的同时也启动转换。
在读取转换结果时,用单片机的读信号和P2.7引脚经一级或非门后,产生的正脉冲作为OE信号,用以打开三态输出锁存器。
图5ADC0809
5.2模拟量输出通道
模拟量输出通道主要由D/A转换器和输出保持器组成。
它们的任务是把微机输出的数字量转换成模拟量。
多路模拟量输出通道的结构形式,主要取决于输出保持器的结构形式。
保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。
这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。
图6DAC0832
5.3数字量输入通道
在微机控制系统中,数字量输入的情况是很多的,如用编码器的位置检测和速度检测;用按钮或转换开关控制系统的启停或选择工作状态;在生产现场用行程开关反映生产设备的运行状态等。
这些输入信号分为编码数字(二进制数)、开关量和脉冲列等三类,它们都属于数字信号,因此,微机控制系统中应设立数字量输入通道。
随输入数字信号的类型不同,数字量输入通道的结构也不同。
(1)编码信号编码信号一般是TTL电平(或转换成TTL电平),可将TTL电平的编码数字直接接到并行接口电路的输入端口上。
对于可靠性要求很高的场合,有时也加上光电隔离电路,输入数字信号经光电隔离后再接到接口端口上。
(2)脉冲列假定脉冲频率不高,则可采用软件计数的方法,将脉冲信号加到并行接口的一个输入端,用查询方式或中断方式对输入脉冲计数。
假定脉冲频率高,软件计数来不及处理,则接口电路中需外加硬件计数器,如使用可编程定时/计数器8253就很方便,计数值可随时准确的读入CPU,读取计数值时不影响计数器连续准确地计数。
(3)开关信号来自操作台或控制箱的按钮、转换开关,拨码开关、继电器或来自现场的行程开关等等的触点接通或断开的信号输入,首先必须经过电平转换电路,将触点的通断转换成高电平或低电平,同时要考虑滤波,防触头抖动以及采用光电隔离或继电器隔离等特殊措施。
最后将一个个开关信号接到并行接口的输入端口上去。
图6-37画出几种微机系统中常用的电平转换、滤波、去抖动及光电隔离和继电器隔离电路。
5.4数字量输出通道
数字量输出通道输出的数字信号有三类:
二进制编码数字、“1”或“0”的开关信号和脉冲信号。
计算机计算的设定值、控制量以及从现场采样的物理参量(经A/D转换后的数字量)等都是编码数字,常常要送出至操作面板上的数字显示器上显示;电动机启停、阀门开关等控制要求CPU送出“1”或“0”的开关控制信号;步进电动机控制要求送出脉冲列。
编码数字可直接从I/O接口电路的输出端口送出,一般输出数据需要锁存。
当编码数字送出的距离较长时,为节省传输线路和提高可靠性,可采用串行发送的方式,数据接收端再采用串—并转换电路(如74LSl64)将其转换成并行输出形式,供外部(如LED显示器)使用。
图7数字量输入,输出电路原理图
6报警电路
直接警方法:
这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较是在传感器中进行的。
当检测值超过上限或低于下限时,节点开关闭合,从而产生报警信号。
其电路图如下图所示。
图8报警系统
在图中,SL1与SL2分别为被测参数的上限,下限报警节点。
当被测参数处于正常范围时,P1.0和P1.1均为高电平;当参数值超过上限或低于下限时,其中的一个节点就会闭合,这样INT0就会由高电平变成低电平,像CPU发出中断请求。
CPU响应中断后,读入报警状态P1.0和P1.1,然后从P1.2和P1.3输出,完成越限报警。
7LED数码显示
LED发光数码显示器是由发光二极管组成的,只要使不同段的发光二极管发光,即可改变所显示的数字和字母。
假设图中8255A与80C51的连接情况如上图所示,则8255A的入口地址分别为:
PA口地址为7FFCH,PB口地址为7FFDH,PC口地址为7FFEH,控制口地址为7FFFH。
现在80C51的RAM存储器中设置4个显示缓冲单元77H-7AH,分别存放4位显示器的显示数据。
图9LED显示
8键盘
键盘是一组按键或开关的集合,键盘接口向计算机提供被按键的代码。
常用的键盘有两种:
编码键盘:
能够自动提供被按键的编码(比如ASCII码或二进制编码)。
特点:
使用方便结构复杂、成本高。
非编码键盘:
仅仅简单地提供按键的通或断状态(“0”或“1”),而按键的扫描和识别则由用户的键盘程序来实现。
特点:
结构简单、便于用户自行设计。
图10键盘电路
9传感器
差压变送器
图11差压式液位计
差压液位计的原理图如上图所示,将差压变送器的正,负室分别与容器上下部的取压点相连通,如果被测液体的密度为p,则作用于变送器正负室的差压为Hpg.
10系统软件设计
控制系统的软件主要包括:
数据的采集及处理,控制计算,控制输出,中断,显示,调节参数修改,温度设定及修改。
其中控制算法采用大林算法,以达到理想效果。
系统的软件流程图如下
图12系统的软件流程图
11心得体会
经过三个星期的专业设计,过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我也失落过,也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过实习,我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义,我才意识到老一辈测绘为我们的社会付出。
我想说,测绘确实有些辛苦,但苦中也有乐,在如今物欲很流的世界,很少有机会能与大自然亲密接触,但我们可以,而且测绘也是一个团队的任务,一起的工作可以让我们有说有笑,相互帮助,配合默契,多少人间欢乐在这里洒下,大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习,我感觉我和同学们之间的距离更加近了;我想说,测绘确实很累,但当我们所测的数据制成成果时,心中也不免产生兴奋;正所谓“三百六十行,行行出状元”。
同样可以为社会作出我们应该做的一切,这有什么不好?
我不断的反问自己。
也许有人不喜欢野外的工作,也许有人认为测绘的工作环境不好,但我认为无论干什么,只要人生活的有意义就可。
社会需要我们,我们也可以为社会而工作。
既然如此,那还有什么必要失落呢?
于是我决定沿着自己的测绘路,执着的走下去。
社会需要我们,我们也可以为社会而工作。
既然如此,那还有什么必要失落呢?
于是我决定沿着自己的测绘路,执着的走下去。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。
某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。
实习中只有一个人知道原理是远远不够的,必须让每个人都知道,否则一个人的错误,就有可能导致整个工作失败。
团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。
而这次实习也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
12参考文献
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