计算机控制技术课程设计（论文）：发电厂凝结泵流量监控系统.doc

1、 辽 宁 工 业 大 学 计算机控制技术 课程设计（论文） 题目： 发电厂凝结泵流量监控系统 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化 072 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间： 2013.8.5-2013.10.9 本科生课程设计（论文） III 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化 注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 自动化 072 课程设计（论文）题目 发电厂凝结泵流量监控系统 课程设计（论文）任务 本课程设计要求以发电厂凝结泵流量大小 作为被控对象，采用 8 位单片机作

2、为计算机控制核心，通过输出管道上的电动阀门执行机构实现流量大小的 控制，具体设计内容包含： （ 1）凝结泵电机为 6KV/1000KW，输出管道直径 0.5 米。 （ 2）流量对象模型为 sTeKsG s 00 1/)( 0 ，其中 6.50 K ， 8.30T ， 210 （ 3）输入通道设计：包括流量传感器、变送器 4-20mA、 I/V 变换 0-5V、 A/D 转换。 （ 4）单片机最小工作系统设计，实现流量误差的 PID 调节算法。 （ 5）输出通道设计： D/A 转换、电动阀门。 针对上述设计内容，要求绘制相应的控制原理框图、硬件电路图、软件流程图及 PID部分算法程序，同时 做相

3、应实验研究， 要求给定流量 0.1m3/s。 进度计划 （ 1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（ 1 天） （ 2）对系统功能进行分析（ 1 天） （ 3）系统硬件电路设计（ 3 天） （ 4）系统软件设计及实验研究（ 3 天） （ 5）撰写、打印设计说明书（ 2天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） IV 摘 要 本文介绍了一种数字 PID 算法在液体流量变量控制系统中的应用方案，系统以 51 单片机 AT89C51 为核心，以比例电动阀为控制对象，采用数字 PID 调节实现液体流速闭环控制。仿真结果表明采用数字

4、 PID 控制液体流速具有良好的动态、稳态性， 从而证明了这种设计的合理性和优越性。 本文介绍了运用数字 PID 算法结合 AT89C51 单片机实现液体流量控制的方案，并运用 Matlab 软件进行了仿真，证明了系统的可行性。数字 PID 算法调整控制参数较之硬件 PID 控制器操作简便，系统设置灵活 。该控制系统可应用于工业、农业等领域的液体流量控制中，也可用于液压系统的电动阀控制。 本课程设计以发电厂凝结泵流量大小作为被控对象，采用 AT89C51 单片机作为计算机控制核心，通过输出管道上的电动阀门执行机构实现流量大小的控制。 关键词： 流量； AT89C51； PID； Matlab

5、本科生课程设计（论文） V 目 录 第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 课程设计的方案 . 2 2.1 概述 . 2 2.2 系统组成总体结构 . 2 第 3 章 硬件设计 . 3 3.1 单片机最小系统设计 . 3 3.2 输入通道的设计 . 4 3.2.1 流量检测计 . 4 3.2.2 A/D 转换电路 . 5 3.3 输出通道的设计 . 6 3.3.1 D/A 转换电路 . 6 3.3.2 执行机构 . 6 第 4 章 软件设计 . 7 4.1 系统的总体流程图 . 7 4.2 数字 PID 算法设计 . 7 4.3 数字 PID 控制程序 . 9 第 5 章 系统测试与分析 /实验

6、数据及分析 . 11 第 6 章 课程设计总结 . 13 参考文献 . 14 本科生课程设计（论文） 1 第 1章 绪论 液体流量控制通常采用电动阀实现，近年来，电动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，从而为电动阀的控制数字化提供了契机。 将偏差的比例 (proportion)、积分 (integral)、微分 (differential)通过线性组合构成控制量，用这一

7、控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称 PID 控制器。 PID 控制器最早出现在模拟控制系统中，传统的模拟 PID 控制器是通过硬件 (电子元件、气动和液压元件 )来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字 PID 控制器， 所形成的一整套算法则称作数字 PID 算法。数字 PID 控制器与模拟 PID 控制器相比，具有非常强的 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。 本文介绍了一种数字 PID 算法在液体流量变量控制系统中的应用方案，系统以 51 单片机 AT89C51 为核心，以比例电动

8、阀为控制对象，采用数字 PID 调节实现液体流速闭环控制。仿真结果表明采用数字 PID 控制液体流速具有良好的动态、稳态性，从而证明了这种设计的合理性和优越性。 本文介绍了运用数字 PID 算法结合 AT89C51 单片机实现液体流量控制的方案，并运用 Matlab 软件进行了仿真，证明了系统的可行性。数字 PID 算法调整控制参数较之硬件 PID 控制器操作简便，系统设置灵活。该控制系统可应用于工业、农业等领域的液体流量控制中，也可用于液压系统的电动阀控制。 本科生课程设计（论文） 2 第 2章 课程设计的方案 2.1 概述 本文介绍了运用数字 PID 算法结合 AT89C51 单片机实现液

9、体流量控制的方案，并运用 Matlab 软件进行了仿真，证明了系统的可行性。数字 PID 算法调整控制参数较之硬件 PID 控制器操作简便，系统设置灵活。该控制系统可应用于工业、农业等领域的液体流量控制中，也可用于液压系统的电动阀控制。 本课程设计以发电厂凝结泵流量大小作为被控对象，采用 AT89C51 单片机作为计算机控制核心，通过输出管道上的电动阀门执行机构实现流量大小的控制。 2.2 系统组成总体结构 发电厂凝结泵流量监控系统框图如图 2.1。 图 2.1 发电厂凝结泵流量监控系统框图 AT89C51A/D 转换 ADC0809 测量变送 流量检测 驱动电动阀 改变流量 D/A 转换 D

10、AC0832 本科生课程设计（论文） 3 第 3章 硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 发电厂凝结泵流量监控系统的单片机最小系统原理图如图 3.1。控制器采用AT89C51。 图 3.1 发电厂凝结泵流量监控系统的单片机最小系统原理图 本科生课程设计（论文） 4 3.2 输入通道的设计 3.2.1 流量检测计 流量监测电路中的流量检测计采用涡轮流量计。 涡轮流量计，涡轮流量计是以动量矩守恒原理为基础设计 的流量测量仪表，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子 (涡轮 )感受流体平均流速，从而推导出流量或总量。 涡轮流量计由涡轮流量变送器和显示仪表组成。涡轮流量变送器包括涡轮、导流器、

11、磁电感应转换器、外壳及前置放大器等部分。 图 3.2 涡轮流量计 图 3.2为涡轮流量计结构图，涡轮是用高导磁系数的不锈钢材料制成，叶轮芯上装有螺旋形叶片，流体作用于叶片上使之 旋转。导流器用以稳定流体的流向和支撑叶轮。磁电感应转换器由线圈和磁铁组成，用以将叶轮的转速转换成相应的电信号。涡轮流量计的外壳由非导磁不锈钢制成，用以固定和保护内部零件，并与流体管道连接。前置放大器用以放大磁电感应转换器输出的微弱电信号，进行远距离传送。 涡轮流量计的工作原理：当流体通过安装有涡轮的管路时，流体的动能冲击涡轮发生旋转，流体的流速愈高，动能越大，涡轮转速也就愈高。在一定的流量范围和流体粘度下，涡轮的转速和

12、流速成正比。当涡轮转动时，涡轮叶片切割置于该变送器壳体上的检测线圈所产生的磁力线，使检测线 圈磁电路上的磁阻周期性变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性变化，检测线圈产生脉冲信号，即脉冲数。其值与涡轮的转速成正比，也即与流量成正比。这个电讯号经前置放大器放大后，即送入电子频率仪或涡轮流量积算指示仪，以累积和指示流量。 其优点有 : (1) 测量精度高，其精度可以达到 0.5级以上，在狭小范围内甚至可达 0.1%，本科生课程设计（论文） 5 故可作为校验 1.5 2.5级普通流量计的标准计量仪表； (2) 对被测信号变化的反应快，若被测介质为水，涡轮流量计的时间常数一般只有几毫秒到几十毫秒，因此特

13、别适用于对脉动流量的测量； (3)重复性 好； (4)无零点漂移，抗干扰能力好； (5)范围度宽； (6)结构紧凑。 3.2.2 A/D 转换电路 A/D转换电路采用 ADC0809芯片。 ADC0809是美国国家半导体公司生产的 CMOS工艺 8通道， 8位逐次逼近式 A/D转换器。其内部有一个 8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8路模拟输入信号中的一个进行 A/D转换。 首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后 EOC输出信号变低 ，

14、指示转换正在进行。直到 A/D转换完成， EOC变为高电平，指示 A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。 图 3.3为 A/D转换电路。 图 3.3 A/D转换电路 本科生课程设计（论文） 6 3.3 输出通道的设计 3.3.1 D/A 转换电路 D/A转换电路采用 DAC0832芯片。 DAC0832 是 8分辨率的 D/A 转换集成 芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。 D/A 转换器由 8 位输入锁存器、 8 位DAC寄存器、 8位 D/A转换电路及转换控制电路构成。 图 3.4为 D/A 转换电路。 图 3.4 D/A转换电路 3.3.2 执行机构 执行机构采用电动阀，通过输出管道上的电动阀门执行机构实现流量大小的控制。