微型计算机控制作业.docx
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微型计算机控制作业
作业一
1、PID控制器
引言
在实际的过程控制与运动控制系统中,PID家族占据有相当的地位,据统计,工业控制的控制器中PID类控制占有90%以上。
PID控制器是最早出现的控制器类型,因为其结构简单,各个控制器参数有着明显的物理意义,调整方便,所以这类控制器很受工程技术人员的喜爱。
(1)什么是PID控制?
(Proportional-Integral-DerivativeController)
PID控制是由反馈系统偏差的比例、积分和微分的线性组合构成的反馈控制。
又称为三态控制器(three-modecontrol)主要用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
控制器分为模拟和数字控制器两种:
模拟PID控制器通常是电子、气动或液压型的。
数字PID控制器是由计算机实现的。
(2)PID控制原理
常规的模拟PID控制系统原理图如图所示。
该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图中,r(t)是给定值,y(t)是系统的实际输出值,给定值与实际输出值构成控制偏差e(t),e(t)=r(t)-y(t),e(t)作为PID控制的输入,u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。
理想模拟PID控制器的输出方程式为:
(1)
式中,u(t)是PID控制器的输出信号,e(t)是PID控制器的输入信号,也就是系统的误差信号。
Kp称为比例系数,Ti、Td分别称为积分和微分时间常数。
对
(1)式作拉式变换,可以得到传递函数:
(2)
式中,Ki为积分系数,Kd为微分系数。
PID控制器中的三项控制作用是相互独立的,工程应用时,可以根据被控对象特性和负荷扰动情况以及控制性能要求,对PID三项控制作用进行组合,构成所需要的控制律,比如:
比例(P)控制、比例积分(PI)控制、比例微分(PD)控制以及三项(PID)控制。
(3)PID控制器对控制系统的作用:
1.增加比例系数可加快系统的响应速度,减小稳态误差;但比例系数太大会影响系统的稳定性。
2.积分时间常数越小,积分作用越强。
积分控制作用可以消除系统的稳态误差;但积分作用太大,会使系统的稳定性下降。
3.微分时间常数越大,微分作用越强。
微分作用能够反映误差信号的变化速度。
误差信号变化速度越大,微分作用越强,从而有助于减小震荡,增加系统的稳定性。
但是,微分作用对高频噪声信号(不管幅值大小)很敏感。
如果系统存在高频小幅值的噪音,则它形成的微分作用可能会很大,这是不希望出现的。
(4)比例积分微分(PID)控制器:
PID控制器是一种滞后-超前校正装置。
在低频区,主要是PI控制器起作用,用以提高系统型别,消除或减小稳态误差;在中、高频区,主要是PD控制器起作用,用以增大幅值穿越频率和相位裕度,提高系统的响应速度。
因此,PID控制器可以全面地提高系统的性能。
PID控制器参数与系统时域性能指标间的关系
PID控制器参数选择的次序:
①比例系数;②积分系数;③微分系数。
(5)数字PID控制器设计
※数字PID控制算法
在计算机控制系统中,使用的是数字PID控制器,数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。
1、位置式PID控制算法
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,因此式
(1)中的积分和微分项不能直接使用,可将需要对它采用数值逼近的方法,将连续形式的微分方程变为离散形式的差分方程。
利用模拟控制器离散化方法将上式离散化,采用向后差分变换法得到理想数字PID控制器的Z传递函数。
(3)
T为采样周期;和分别为积分和微分系数。
将前式化为差分方程,即为理想数字PID控制算法:
(4)
由于上式的积分项需要存储过去的全部偏差,故在应用中常改为递推算法。
2、增量式PID控制算法
PID算法的增量式也称为速度式,控制器的输出是控制量每一步的增量。
(5)
(6)
(6)实际PID控制
理想PID的控制实际效果并不理想,其主要原因是,理想中的微分控制作用对于幅值变化快的强扰动反应过快,而工业执行机构的动作速度相对比较缓慢(即其频带很有限),不能及时响应微分控制作用,因而使得理想微分控制不能有效发挥抑制扰动,改善系统动态性能的作用。
此外理想微分控制对偏差信号e(t)中夹杂的噪声干扰十分敏感,即使噪声干扰的幅值很小,只要它的频率较高,经理想微分后,就会产生较大的噪声输出,因此在实际应用中,要在理想微分项或整个理想PID控制器前面或后面串接一个低通滤波环节。
实际PID控制的三种形式:
(7)
(8)
(9)
(7)数字PID算法的改进
1、积分分离PID控制算法
采用积分分离算法,在被控量由于开启等原因引起较大偏差时,暂时关闭积分作用。
当被控量接近参考值时,再启动积分环节,保持系统的精度,这种改进方法称为积分分离PID控制算法。
以位置型算式(1-4)为例,写成积分分离控制算法的形式如下:
(10)
积分分离PID控制算法的阶跃响应与普通PID控制算法的比较如下图:
2、梯形积分PID控制算法
该算法采用双线性变换离散方法将PID控制中的模拟积分项离散化为梯形数值积分算法,即:
(11)
与之相应的数字积分增量输出方程为:
(12)
比例、微分项算法不变。
该算法有较高的积分运算精度,因此可以进一步减小系统残差,提高稳态控制精度。
此外保证了积分运算精度,还应将计算机运算字长取得足够长。
3、抗积分饱和PID控制算法
采用一般PID控制,当系统由扰动或给定输入阶跃变化引起的较大偏差时,控制量u(k)有可能很快增大(或减小)到机构的极限位置而系统偏差仍未消除,因而积分作用控制量将继续增大(或减小),但执行机构因已处于极限位置而无相应动作,从而导致被控量出现较大超调和长时间的波动。
通常称这种现象为积分饱和。
防止积分饱和的方法之一是对PID控制器输出的控制量加以限幅,设上限为Uma,下限为Umi,分别对应于执行机构的最大位置和最小位置。
4、带死区PID控制算法
对于控制精度要求不高的系统,采用带死区的PID控制算法,可以减少执行机构的频繁动作,增强系统运行的平稳性。
带死区的PID控制算法就是将输入的偏差信号设置一个适当的范围的死区。
(8)PID控制器的参数整定
数字PID参数整定就是要确定T,Kp,Ti,Td。
采用的方法:
1)采样周期的选择
2)扩充响应曲线法
3)扩充临界比例算法
4)归一参数整定法
1、
采样周期的选择
采样周期的选择必须满足香农(Shannon)采样定理,即
其中:
是输入的最高频率。
2、扩充响应曲线法
先求出系统的单位阶跃响应曲线,然后在曲线弯折处(最大斜率处)做切线,做切线与时间轴及系统稳定值线(此线与横轴平行)的交点,找出时延L与等效惯性时间常数T,两者的比值T/L。
最后选择控制度Q。
3、扩充临界比例度法
首先要求选择适当的采样周期T,然后求临界比例增益Kp、临界振荡周期Tcr。
使控制系统只有比例控制,逐渐增加比例增益Kcr使控制系统产生等幅振荡,此时响应的振荡周期为临界振荡周期Tcr,比例增益为临界增益Kcr。
根据选定的控制度,查表计算出T,Kp,Ki,Kd的值。
4、归一参数整定法
归一参数整定法是一种简化扩充临界比例度整定法,此法只需一个参数。
有如下所示的经验公式:
式中Tcr为纯比例控制时的临界振荡周期。
5、多组参数整定法
实际应用中,有时固定使用一组参数很难满足要求,此时,可以根据不同的工况,设置多组参数以适应各种情况的要求。
方法很多,简介如下:
根据系统的各种负荷,设置几组(n)参数,如:
根据工艺要求,按时间顺序设置若干组参数;
采用智能方法,由计算机自动改变Kp,Ki,Kd参数值,使系统始终保持高性能的运行。
※拓展:
模拟PID控制器(调节器)的参数整定
调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性,确定PID调节器的比例度δ、积分时间Ti以及微分时间Td的大小。
在简单过程控制系统中,调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率
为主要指标,以保证系统具有一定的稳定裕量。
另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差(或超调量)和过渡过程时间等其它指标。
参数整定的方法可以分为三类,即理论计算整定法、工程整定法和自整定法:
理论计算整定法主要是依据系统的数学模型,采用控制理论中的根轨迹法、频率特性法、对数频率特性法、扩充频率特性法等,经过理论计算确定调节器参数的数值。
这种方法只有理论指导意义。
工程整定法主要是依靠工程经验,直接在过程控制系统的实际运行中进行。
自整定法是对一个正在运行中的控制系统特别是设定值改变的控制系统,进行自动整定控制回路中的PID参数。
(1)稳定边界法(临界比例度法)
属于闭环整定方法,根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据(临界比例度Pm和振荡周期Tm),按经验公式求出调节器的整定参数。
1)置调节器Ti→
,Td=0,比例度δ→较大值,将系统投入运行。
2)逐渐减小δ,加干扰观察,直到出现等幅减振荡为止。
记录此时的临界值δm和Tm。
根据δm和Tm,按经验公式计算出控制器的参数整定值。
经验公式虽然是在实验基础上归纳出来的,但它有一定的理论依据。
就以表中PI调节器整定数值为例,可以看出PI调节器的比例度较纯比例调节时增大,这是因为积分作用产生一滞后相位,降低了系统的稳定度的缘故。
稳定边界方法在下面两种情况下不宜采用:
临界比例度过小时,调节阀容易游移于全开或全关位置,对生产工艺不利或不容许。
例如,一个用燃料油加热的炉子,如果阀门发生全关状态就要熄火。
工艺上的约束条件严格时,等幅振荡将影响生产的安全。
(2)衰减曲线法
也属于闭环整定方法,但不需要寻找等幅振荡状态,只需寻找最佳衰减振荡状态即可。
方法:
1)把调节器设成比例作用(Ti=∞,Td=0),置于较大比例度,投入自动运行。
2)在稳定状态下,阶跃改变给定值(通常以5%左右为宜),观察调节过程曲线。
3)适当改变比例度,重复上述实验,到出现满意的衰减曲线为止。
记下此时的比例度δs及周期Ts。
n=10:
1时,记δ’s及Ts
4)按n=4:
1或按n=10:
1求得各种调节规律时的整定参数。
衰减比为4:
1时,
整定参数计算表
衰减比为10:
1时,
整定参数计算表
(3)反应曲线法(动态特性参数法)
属于开环整定方法。
反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线对调节器参数进行整定。
具体做法是对于右图所示的系统,先使系统处于开环状态,在输入端Gv(s)施加一个阶跃信号,记录下测量变送环节的输出响应曲线
1)对于无自衡能力的广义被控过程,传递函数可写为
若是单位阶跃响应,系统中各参数的意义如下图;根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后根据下表的经验公式计算调节器的参数。
2)对于有自衡能力的广义被控过程,传递函数可写为
若是单位阶跃响应,系统中各参数的意义如下图;根据阶跃响应曲线求得广义被控过程的传递函数后,根据下表的经验公式计算调节器的参数。
此方法在不加控制作用的状态下进行,对于不允许工艺失控的生产过程,不能使用。
(4)经验法
凭经验凑试。
其关键是“看曲线,调参数”。
在闭环的控制系统中,凭经验先将控制器参数放在一个数值上,通过改变给定值施加干扰,在记录仪上观察过渡过程曲线,根据δ、TI、TD对过渡过程的影响为指导,对比例度δ、积分时间TI和微分时间TD逐个整定,直到获得满意的曲线为止。
经验法的方法简单,但必须清楚控制器参数变化对过渡过程曲线的影响关系。
在缺乏实际经验或过渡过程本身较慢时,往往较为费时。
控制器参数对控制过程的影响
调整经验:
1)比例度δ越大,放大系数Kc越小,过渡过程越平缓,稳态误差越大;反之,过渡过程振荡越剧烈,稳态误差越小;若δ过小,则可能导致发散振荡;
2)积分时间TI越大,积分作用越弱,过渡过程越平稳,消除稳态误差越慢;反之,过渡过程振荡越激烈,消除稳态误差越快;
3)微分时间TD越大,微分作用越强,过渡过程趋于稳定,最大偏差越小;但TD过大,则会增加过渡过程的波动过程。
几种整定方法的比较
2、热电偶
防爆隔离热电偶
工业用隔爆热电偶是一种温度传感器,在化学工业自控系统中应用极广,通过温度传感器,可将控制对象的温度参数变成电信号,传递给显示、记录和调节仪,对系统施行检测、调节和控制。
在化工厂,生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体、蒸汽,如果使用普通的热电偶非常不安全,极易引起环境气体爆炸。
因此,在这些场合必须使用隔爆热电偶作温度传感器。
(1)工作原理
如果由两种不同成份的均质导体(热电极)组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中防爆热电偶,就有电流通过,那么两端之间就存在热电势。
防爆原理利用间隙隔爆原理,设计具有足够强度的接线盒等部件,将所有会产生火花、电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒内,当腔内发生爆炸时,能通过接合面间隙熄火和冷却,使爆炸后的火焰和温度不传到腔外,从而实现防爆。
热电偶产生的热电势经过温度变送器的电桥产生不平衡信号,经放大后转换成为4-20mA的直流电信号给工作仪表,工作仪表便显示出所对应的温度值。
(3)特点
多种防爆形式,防爆性能好;压簧式感温元件,抗振性能好;测温范围大;④机械强度高,耐压性能好;
(4)主要技术参数
型号
WRN-140/WRN2-140
WRE-140/WRE2-140
WRN-140/WRN2-140
WRE-140/WRE2-140
WRN-140/WRN2-140
WRE-140/WRE2-140
WRN-140/WRN2-140
WRE-140/WRE2-140
分度号
K,E,J,T
K,E,J,T
K,E,J,T
K,E,J,T
测量范围
0~+1300℃
0~+1300℃
0~+1300℃
0~+1300℃
精度等级
Ⅰ级,Ⅱ级
Ⅰ级,Ⅱ级
Ⅰ级,Ⅱ级
Ⅰ级,Ⅱ级
测量端形式
单支,双支
单支,双支
单支,双支
单支,双支
探头连接
Ω3,Ω6
Ω3,Ω6
Ω3,Ω6
Ω3,Ω6
过程连接
固定螺纹M27×2
G3/4,3/4〝NPT
固定法兰
GB/ANSI标准
固定螺纹M33×2
1〝NPT,G1
插入长度
100,150,20,0300
400,500,750,1000
100,150,20,0300
400,500,750,1000
100,150,20,0300
400,500,750,1000
100,150,20,0300
400,500,750,1000
保护管材质
1Cr18Ni9Ti
0Cr25Ni20
1Cr18Ni9Ti
0Cr25Ni20
1Cr18Ni9Ti
0Cr25Ni20
1Cr18Ni9Ti
0Cr25Ni20
保护管直径
Ω16
Ω16
Ω16
公称压力
≤10MPa
≤2。
5MPa
接线盒材质
铸铝合金,不锈钢
铸铝合金,不锈钢
铸铝合金,不锈钢
铸铝合金,不锈钢
防爆等级
ExdⅡCT4/T5/T6
ExiaCT4/T5/T6
ExdⅡCT4/T5/T6
ExiaCT4/T5/T6
ExdⅡCT4/T5/T6
ExiaCT4/T5/T6
ExdⅡCT4/T5/T6
ExiaCT4/T5/T6
防护等级
IP65
IP65
IP65
IP65
电气出口
M20×1.5
1/2〝NPT
M20×1.5
1/2〝NPT
M20×1.5
1/2〝NPT
M20×1.5
1/2〝NPT
附加选项
带一体化温度变送器
保护管带变截面
带一体化温度变送器
保护管带变截面
带一体化温度变送器
保护管带变截面
带一体化温度变送器
备注
1)带一体化温度变送器的型号后加B,例WRNB-440
2)带保护管带变截面的型号加G,例WRN-440G
※以带现场显示一体化防爆热电偶(带温度变送器带表头)为例
1、应用
通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用,输出4-20mA,直接测量生产现场存在碳氯化合物等爆炸物的-200℃-1300℃范围内液体、蒸汽的气体 质以及固体表面温度。
2、特点
二线制输出4-20mA,抗干扰能力强;节省补偿导线及安装温度变送器费用;安全可靠,使用寿命长;④冷端温度自动补偿,非线性校正电路;
3、测温范围及允差
热电阻测温范围及允差
型 号
分度号
测温范围℃
精度等级
允许偏差
WZPB
Pt100
-200-+500
A级 B级
±(0.15+0.002ItI)
±(0.30+0.005ItI)
WZCB
Cu50,Cu100
-50-+100
±(0.30+0.005ItI)
热电偶测温范围及允差
型 号
分度号
允 差 等 级
I
II
允差值
测温范围℃
允差值
测温范围
WRNB
K
±1.5℃
-40-375
±2.5℃
-40-333
±0.004ItI
375-1000
0.0075ItI
333-1200
WRMB
N
±1.5℃
-40-375
±2.5℃
-40-333
±0.004ItI
375-1000
0.0075ItI
333-1200
WREB
E
±1.5℃
-40-375
±1.5℃
-40-333
±0.004ItI
375-800
0.004ItI
333-900
WRFB
J
±1.5℃
-40-375
±1.5℃
-40-333
±0.004ItI
375-750
0.004ItI
333-750
WRCB
T
±1.5℃
-40-125
±1℃
-40-133
±0.004ItI
125-350
0.0075ItI
133-1000
4、输出信号:
4-20mA,负载电阻250,传输导线电阻100
5、输出方法:
二线制
6、精度等级
温度变送器精度等级:
0.1 0.2 0.5
显示器精度等级:
模拟指示式2.5级;数字显示式0.5级.
7、供电电源:
24V.DC±10℅
8、防护等级:
IP65
9、防爆等级
隔爆型:
dⅡBT4,dⅡCT5,dⅡCT6;本质安全型:
iaⅡCT6
10、绝缘电阻:
仪表输出接线端子与外壳之间的绝缘电阻应不小于50.
11、热响应时间:
当温度出现阶跃变化时,仪表的电流输出信号变化至相当于该阶跃变化的50%所需的时间,通常以t0.5表示当温度变送器的阶跃响应稳定时间不超过热电偶(阻)热响应稳定时间t0.5的五分之一时,则用热电偶(阻)热响应时间作为仪表的热响应时间;当温度变送器的阶跃热响应稳定时间不超过热电偶(阻)热响应稳定时间t0.5的二分之一时,则用温度变送器热响应时间作为仪表的热响应时间;
12、基本误差:
仪表的基本误差应不超过热电偶(阻)和温度变送器基本误差的合成误差。
13、工作环境
安装场所等级
温 度℃
相对湿度%
大气压力KPa
Cx1
-25-+55
5-95
86-106
Cx2
-25-+70
Cx3
-40-+80
14、型号及规格举例
固定螺纹式防爆一体化热电偶(其它传感器型号参见隔爆热电偶选型)
型号
分度号
测温范围℃
热响应时间
隔爆等级
规 格
d
L
WRMB-240
WRMB-240G
K
0-800
<90S
dⅡBT4
dⅡCT5
dⅡCT6
iaⅡCT6
Φ16
300X150
350X200
400X250
450X300
500X350
550X400
650X500
900X750
1150X1000
1650X1500
2150X2000
<24S
WRNB-240
WRNB-240G
N
0-800
<90S
<24S
WREB-240
WREB-240G
E
0-600
<90S
<24S
WRCB-240
WRCB-240G
T
0-350
<90S
<24S
WRFB-240
WRFB-240G
J
0-55
<90S
<24S
WZPB-241
WZPB-241G
Pt100
-200-500
<120S
Φ12
<24S
WZCB-241
WZCB-241G
Cu50
-50-100
<120S
<24S
15、接线
3、燃气阀门
燃气阀是一种新型的燃气管道工程的安全配套装置;用于截断、接通、调节管路中的气体,具有良好的控制特性和关闭密封性能,燃气阀门被广泛应用城市供气管网系统煤气、液化石油气、天然气、氧气等多种燃气介质管路上;驱动形式有手动、蜗轮传动、电动、气动、液动、电液联动等执行机构,可实现远距离控制和自动化操作。
下面介绍液化石油气阀门中的一种:
然气启动紧急切断阀
(1)用途和规范范围
本阀是一种安全保护阀,安装在液化石油气(燃气)的液相与气相管路上,与远距离气源配套使用,利用气源控制阀门开启—关闭,以便在管道或储罐上发生大量泄漏甚至起火时,快速手动使气源卸压,或高温≧75%%p5C%%D时易熔合金熔化,而气缸自动卸压,阀门迅速关闭而止漏,起安全保护作用。
(2)电控工作原理
本阀气源入口安装一只二位三通电磁阀,利用远程电气控制台控制阀门开关。
燃气泄漏报警器报警通电,电磁阀通电排气,阀门自动关闭;
手动控制电磁阀排气,阀门自动关闭。
(3)主要性能规范
(4)主要零件材料
(5)气动紧急切断阀安装尺寸
作业二
1、温度传感器
温度传感器的种类众多,在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积,超低的硬件开消,抗干扰能力强,精度高,附加功能强,使得DS18B20更受欢迎。
下面详细介绍DS18B20芯片
(1)DS18B20的主要特征:
�
全数字温度转换及输出;
�
先进的单总线数据通信;
�
最高12位分辨率,精度可达土0.5摄氏度;
�
12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒;
�
可选择寄生工作方式;
�
检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F);
�
内置EEPROM,限温报警功能;
�
64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接;
�
多样封装形式,适应不同硬件系统;
(2)DS18B20引脚功能:
·GND电压地·DQ单数据总线·VDD电源电压·NC
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- 关 键 词:
- 微型计算机 控制 作业