基于STM32的PID闭环恒压控制系统设计

河南理工大学毕业设计（论文）说明书1摘 要在人们日常的生产生活中，随时可以遇到需要对液体压力进行恒定控制的情况。例如，生活中，单个家庭自来水水压不稳或过低导致用水设备无法正常工作；工业上，液压系统的液压需要按照工作需要进行准确控制。然而，由于我国科技发展程度低，在恒压控制方面还存在着技术落后、能源浪费严重的问题。就拿个人家庭自来水水压的控制来说，为了保证对水压有严格要求的用水设备的正常使用，目前很多商家设计的加压设备都是简单地增添一个加压水泵，接通电源加压水泵就开始工作，关断电源系统就停止工作。这样，不仅不能有效地保证水压的恒定，而且在用水低谷时系统仍额定功率工作，浪费大量能源。为了响应国家节能减排的号召，解决供水行业自动化程度过低的问题，这里设计基于STM32的PID闭环恒压控制系统。本恒压控制系统主要是由STM32微处理器组成的主控单元、电机驱动系统、加压系统、压力变送系统，人机交互系统等部分构成。压力变送系统实时检测水管管道压力；STM32作为中央处理芯片，使用PID控制算法，根据水压预设值和水压变送系统测量的实时水压数据进行算法处理，产生驱动PWM 信号；电机驱动系统按照正比例关系，输出相应的驱动电压；加压设备在驱动电机控制下，稳定供水系统的水压；系统的人机交互系统主要采用2.8寸TFT320X240LCD液晶屏，使用CPU 的FSMC 功能提高刷新速度，数据的更改和界面的显示使用了UCGUI图像显示系统，能够方便、直观、实时地显示系统工作情况。关键词：STM32 微处理器 ； PID调节；恒压供水；UCGUI窗口系统。河南理工大学毕业设计（论文）说明书2AbstractIn peoples daily life, we could see the station everywhere in whitch the fluid pressure constant control. For example, single family instability or low water pressure cause water equipment does not work in our lives. In industry, hydraulic system requires work to be done in accordance with precise control. However, due to the low level of technological development, in the constant voltage control, there are still problems such as technology backwardness and serious waste of energy. As for the personal home water pressure control, in order to ensure the normal use of water equipment in witch there are strict requirements of water pressure, in the current designs of pressurized equipment, many businesses simply added a pressure pump, power supply pumps start working, turn off the power system to stop working. Thus, it not only can not effectively ensure constant water pressure, and the system is still operating at water trough, wasting a lot of energy. In response to the call of the national energy conservation, improving the low level automation of l water supply industries, this papert designs the closed-loop control system based on constant pressure regulator PID.The constant pressure control system is mainly composed of the STM32, motor drive systems, pressure systems, pressure transmitter systems, interactive systems. Pressure transmission pipeline system detects the water pressure in real-time; STM32 works as a central processing chip, it uses PID control algorithm, the algorithm generates a driving PWM signal based on the real-time pressure data processing presets and hydraulic pressure transmission system measurement; Motor drives the system according to the proportional relationship between the output voltage corresponding to the drive; Pressure equipments stable pressure water supply systems in the control of driving motors. The systems interactive system uses TFT320X240LCD 2.8 inch LCD screen, it uses the CPUs FSMC feature to improve the refresh rate, changing the parameters displaying and interface use the UCGUI , display system work easily, intuitivelyand in real-time.Key words: STM32 microprocessor; PID control; Constant pressure water supply; UCGUIsystem.河南理工大学毕业设计（论文）说明书I目录1.绪论.11.1 恒压控制系统的设计背景及意义.11.2 恒压控制系统的现状和发展前景.11.3 本文研究的主要内容.22.恒压控制系统方案设计.42.1 恒压方案设计.42.1.1 恒功率稳压控制方案.42.1.2 设定上下限稳压控制方式.42.1.3 PID闭环调节稳压方式 .52.2 恒压系统调速方案设计.52.2.1 交流调速方式恒压控制方案.52.2.2 直流调速方式恒压控制方案.92.3 恒压控制系统要完成的主要功能.112.4 恒压控制系统方案及选择.112.5 恒压控制系统的构成.122.5.1 主控单元.132.5.2 压力变送系统.132.5.3 加压系统.152.5.4 人机界面.162.5.5 上位机.162.2.6 报警装置.163.系统硬件设计.173.1 主控单元方案设计.173.1.1 STM32F103VE单片机特点 .183.1.2 主控单元电路设计.193.2 电机驱动设计与增压设备的选型.243.2.1 增压设备选型.243.2.2 电机驱动单元.263.2.3 电机驱动部分电路设计.273.3 压力变送器设计.29河南理工大学毕业设计（论文）说明书II3.3.1 压力变送单元方案设计.303.3.2 压力变送单元电路设计.363.4 人机交互界面.383.4.1人机交互界面电路设计.383.4.2 人机交互界面电路设计.423.5 系统电源.433.5.1 开关电源选型.433.5.2 可调输出线性稳压电源设计.434.系统软件设计.464.1 系统操作流程设计.464.2系统程序模块设计.514.2.1 主函数程序设计.514.2.2 PID控制程序设计 .524.2.3 UCGUI程序设计 .554.2.4 上位机软件接口程序设计.604.3 控制程序采样周期的选择.624.4 PWM周期的计算 .635.实验验证与系统调试.645.1 PID参数调试 .645.1.1扩充临近比例度法.645.1.2扩充响应曲线法.645.1.3凑试法确定PID调节参数 .655.2 系统调试过程分析.655.2.1 比例系数的整定.665.2.2 积分系数的整定.675.2.3 微分系数的整定.685.3 系统综合性能测试.705.3.1 系统控制准确性测试.705.3.2 系统控制稳定性测试.705.3.3 系统控制快速性测试.716.总结.72致谢.73参考文献.74河南理工大学毕业设计（论文）说明书III附录1 硬件电路图.75附录2 系统实物图.76附录3 软件程序.77河南理工大学毕业设计（论文）说明书11.绪论1.1 恒压控制系统的设计背景及意义恒压控制系统在很多时候的控制对象是水泵，水泵是一种面大量广的通用型机械设备，广泛应用于石油、化工、电力冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防等领域，在国民经济中占有重要的地位。根据相关统计资料表明，水泵的电能消耗占全国电能消耗的21以上。因此大力降低泵的能源消耗，对节约能源具用十分重大的意义。针对我国水泵的耗能量如此大的情况，国内有大量的专家就如何提高水泵的效率而努力。经过几代人的付出，目前我国的水泵水力设计水平已经与国外的先进水平相当，但是，由于工艺水平和制造技术的差距导致水泵自身效率仍然比国外低2030，因此通过改进水泵自身的水力性能来提高水泵系统整体效率在短时间内很难解决。而与此同时，我国水泵机组的运行的效率依然比国外先进水平低20左右，主要原因是我国水泵运行控制模式简单，一般使水泵工作在工频条件下，保持其转速恒定，通过调整出口阀的开度控制供水水压来保持出口压力不变。这种控制方式会使大量的能量消耗在出水阀门上，造成能源利用率不高，因此选用合理的水泵系统控制策略，能够有效的达到节约能源的目的。随着科技的发展，采用节流方式调节流量的恒压控制方式逐渐被新的恒压控制方式替代。本文的系统恒压控制策略通过采用PID运算自动改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的。该方法可取代过去高位水箱和压力罐等常用供水设备，并且其启动时的电流可以控制在额定电流内，因此有效避免了启动电流对电网的冲击。另外，由于水泵的平均转速得到降低，使得水泵和阀门等部件的使用年限得到延长，并且可以消除由于启动或停机而产生的水锤效应。综上所述。该供水方式以其在操作方式，运行性能以及功能上的优势，使水泵系统供水实现了节水、节电、节能，并达到了系统的高效率运行。1.2 恒压控制系统的现状和发展前景恒压控制系统在很长的时间内都是通过额定功率设备为系统增压，使系统的压力稳定在一个恒定值，但这样有两个致命的缺点。第一是压力不稳定，由于功率已定，所以当系统压力收到外接扰动影响时，系统不能根据扰动情况实时进行压力调整，导致压力随外界扰动变化而变化；第二是效率低，由于系统的加压部分只有额定功率工河南理工大学毕业设计（论文）说明书2作状态和不工作状态，结果是系统在高压时加压部分仍然全功率运转或者在低压时加压设备仍以额定功率运转，无法为系统提供足够的压强。随着对恒压控制系统要求的提高，人们开始通过设置压力上限和下限的方法来维持压强恒定。当系统压力小于压力下限时立即让加压设备以额定功率工作；当加压设备以额定功率使得系统压力大于压力上限时，关闭加压设备。通过这种方法，恒压系统的恒压品质得到了很大的提高。但由于上下限的存在使系统的压力总是在不停地上限和下限之间来回波动，恒压系统的恒压质量还是不高。除此之外，为了保持系统压力的相对恒定，要求增压设备不停地开关，这会造成系统能量的无用损耗，频繁的开关大型的用电设备还会给电网带来谐波污染。PID闭环控制器问世至今，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或者不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。近年来又出现一种新型控制器模糊控制器。模糊控制器的优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则来组织控制决策，然后通过该表决定控制量的大小。该种控制器对复杂的和模型不清楚地系统却能进行简单有效的控制，但由于模糊控制器不具备积分环节，因而在模糊控制系统中又很难完全消除静差，而且在变量分级不足够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的震荡现象。结合模糊控制和PID 控制各自的优缺点，人们将其结合，形成了模糊PID控制器。在本系统中，由于系统控制对象复杂度不高，PID控制算法足可以达到控制效果，因此我们选用PID控制算法作为系统的核心控制算法。1.3 本文研究的主要内容现在市场上基于PLC 平台、使用PID算法、通过变频器实现系统压力恒定的系统已经存在，但对于单个家庭使用的恒压系统，PLC和变频器组合的高昂成本是个人家庭所无法承受的，而且基于PLC的方案由于其处理器的特性，使得系统的参数整定复杂困难，而本文方案使用价格低廉、功能强大的32位单片机STM32作为处理器，组成基于PID闭环调节的恒压控制系统。由于其控制对象系统自身的特性，使得用于PID控制河南理工大学毕业设计（论文）说明书3器参数整定的试凑法成为可能，又因为STM32单片机强大的软硬件功能，使得PID控制器参数的整定变得简单可行。本系统以STM32 单片机作为控制器，以 PID控制算法作为控制算法，依据压强设定值和由压强传感器PSG010 搭建的压强变送器测得的压强实际值为依据，通过不同占空比的PWM 波，控制水泵的转速，最终实现系统的压强恒定。系统的参数通过 UCGUI视窗人机交互系统进行修改和显示，在寻找系统最佳PID参数时，可以让STM32与上位机进行双机通讯，在PC上实现系统状态的实时显示。河南理工大学毕业设计（论文）说明书42.恒压控制系统方案设计2.1 恒压方案设计2.1.1 恒功率稳压控制方案恒功率控制方案是最早也是最原始的一种恒压控制方案，这种方案一般会为系统配备功率足够大的增压设备，在需要保持压强恒定时，保持增压设备以额定功率工作。由于增压设备功率冗余比较大，所以当外部的扰动不大时，扰动对系统恒定压强的影响就不大。这种稳压控制方案能够在一定程度上实现压强的相对恒定，但该方案的缺点也是很明显的。首先是耗能严重，只要系统工作，加压设备就以额定功率工作，当外界扰动对压强影响较小时，加压功率的绝大部分都损耗在了管网上；其次是稳压效果差，在外界扰动比较小时，系统压强只是随着扰动而小幅度变化，当扰动较大时，由于加压设备的功率不能实时调节，所以会导致系统恒压的效果大打折扣。2.1.2 设定上下限稳压控制方式设定上下限稳压方式是在恒定功率稳压方案之后出现的一种稳压方式。该稳压系统会设定一对压强下限和压强上限，当检测到系统压强小于压强下限时，增压设备会开始额定功率运行，当增压设备以额定功率将压强增大到超过压强上限时，系统会切断增压设备，最终效果是使系统的压强在压强上限和压强下限之间波动。这种稳压方式虽然还是采用额定功率的方式加压，但由于它添加了压强检测环节，已经能够进行压强的反馈，只要外部扰动的作用效果小于增压设备的调节作用，都能实现系统压强的在一定范围内稳定。但这种恒压控制方案仍然存在问题。首先是系统效率低。因为增压设备仍是采用额定功率，这样系统为了维持系统压强在压强上限和压强下限之间稳定就要频繁地启动和关闭增压设备，不论是直流电机还是交流电机，启动的过程都会损耗大量能量，造成能量浪费严重。不仅如此，如果系统增压设备的功率较大，频繁的开关还会对电网造成干扰，增加系统损坏的危险；其次是稳压效果差，不能实现实际压强和设定值之间无误差。考虑到尽量减少加压设备的开关次数，系统的压强上限和压强下限之间一般都不会设定的很接近，这就会导致系统的压强的波动不能降到很小，系统的压强会一直在最大和最小值之间波动。河南理工大学毕业设计（论文）说明书52.1.3 PID闭环调节稳压方式PID调节即比例、积分、微分控制，这种调节器是将设定值与输出值进行比较，