传统的液位控制的方法通常是采用液位辨识技术,用一阶纯滞后系统近似等效复杂的实际系统,选择控制算法及控制器[1]。工程上应用最为普遍的是PID算法,但针对液位控制过程中的大滞后、时变等特性,传统的PID算法在控制精度、快速方面尚有所欠缺,尤其当液位变化范围较大时,控制效果不佳。因此在控制过程中需要对PID的三个调节参数进行调节,否则会产生液位在一定范围内振荡的现象,控制精度受到影响。实践中也证实,在双容水箱模型的液位控制过程中,由于液位具有较大的容积滞后,控制对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间等等诸多因素,需要对PID的三个参数不断进行整定。而新兴的模糊控制,不需要知道准确的数学模型,是模仿人的思文创建的控制方法。模糊PID控制系统,具备PID控制精度高的优点以及模糊控制的灵活性和适应性强优点。
随着时代的发展,工业生产过程对实时液位控制的要求越来越高,信号传输也越来越向高速化、大容量发展,对于高速采集的数据需要对应的处理方法。目前的数字信号处理器(DSP)技术正飞速发展,其运算能力越来越强大,在控制领域应用广泛。例如美国TI公司旗下产品2000系列的数字信号处理器芯片,由于其运算速度快、实时性强、功耗较低、抗干扰能力强等优势,已经在不同的控制领域被采用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 控制器
1.2.2 DSP的数据采集、存储和输出应用
1.3 本文主要工作
DSP具有快速运算能力,在信号采集方面准确、高效,双容水箱液位控制系统采用DSP作为核心,将更加适应当前生产的需求和发展。故本课题以THJ-3型高级过程控制系统实验装置中双容水箱为平台,在控制器的设计上以数字信号处理器DSP芯片TMS320F28335为核心,设计液位控制程序。
具体如下:
1)本课题以THJ-3型高级过程控制系统实验装置中双容水箱为控制对象,根据双容水箱特性,选择合适的控制方法;
2)设计系统硬件上选择DSP芯片TMS320F28335;学习C语言以及DSP的相关知识,重点学习DSP数模转换器ADC以及SPI串行输出,熟悉CCS软件的各项功能;
3)设计模糊PID算法,利用CCS软件使用C语言进行编程;
4)完成双容水箱液位控制系统设计,运用到THJ-3型高级过程双容水箱控制系统平台并调试运行,完善设计。
2 模糊PID控制方法
2.1 PID算法
PID在长期的发展与改进中,技术趋向于成熟,在连续系统中应用最为广泛。其控制原理如图2.1所示。
图2.1 PID调节原理图
在模拟系统中,PID算法的表达式如公式(1)所示:
将式(1)写成传递函数的形式,如式(2)所示:
式中: , ,其中T为采样周期。
由于数字式调节器能进行的运算一般比较简单,对于复杂的运算(如积分、微分运算等),需要变出简单的加、减、乘、除运算。数字调节器按照一定的采样时间,从生产过程中取得信号,并把运算结果输出到执行机构,将连续的时间函数转化成离散的时间函数,式(2) 转化成差分方程式,如式(6)所示:
令
令 , , 等依此类推,则当 时,有 (6)
PID调节器的三个环节具体作用如下:
比例环节:成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即输出一个结果,从而保证系统的快速性;
积分环节:积分环节主要针对于系统的静态误差,积分时间常数Ti决定了积分作用的强弱,Ti越大时,积分作用越弱,反之越强。
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