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
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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,