纸浆浓度的系统设计

1、.目 录一、设计背景················································&#

2、183;········1二、纸浆浓度控制系统的数学模型及工作原理.错误! 未定义书签。2.1 纸浆浓度控制系统的数学模型· ····························2.2 纸浆浓度控制系统的工作原理·

3、································三、单片机硬件电路 .错误! 未定义书签。3.1ADC0809模数转换器 .错误! 未定义书签。3.2 选择芯片 89C51.错误! 未定义书签。3.3 蜂鸣器····

4、3;·············································3.4 硬件原理图···&

5、#183;···········································五、主要程序 .错误! 未定义书签。六、设计总结··&

6、#183;················································.1. 设计背

7、景在制浆生产过程中 , 纸浆浓度的精确控制可以稳定打浆效果, 对于抄纸过程则可以稳定上网纸浆浓度、减少纸张定量波动、增加抄纸生产稳定性、提高纸张质量 , 因此 , 稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标, 达到质量标准的重要环节 , 也是较难解决的问题之一。纸浆浓度的调节过程是一个纯滞后过程, 其滞后时间受浆料流速、浓度变送器的安装位置等因素影响 。基于上述基础之上，提出了专家 PID 控制的方案。2 纸浆浓度控制系统的数学模型及工作原理2.1 纸浆浓度控制系统的数学模型浓度控制系统由纸浆浓度变送器（浓度计）、电动调节阀、浓度控制器三部分组成，如图 1 所示：要对浓度控制系统做更深入的讨论，必须要有

8、系统的数学模型，在此给出了系统的数学模型，其浓度控制的传递函数表达式为： .为纸浆浓度测量的拉氏变 换， U(s)为阀门开度的拉氏变换。2.2 纸浆浓度控制系统的工作原理纸浆浓度自动控制系统组成如图 2 所示。纸浆浓度变送器把浆管内流动的浆料的浓度转 换成 4-20mA 电流信号送入浓度控制器。经过 A/D 转换成浓度数值信号送显示器，并将此浓 度值与用户设定值比较，控制器按两者差值调节.电动阀的开度，从而调节进入浆泵的稀释水量，使输浆管内的浆料浓度发生变化，这时浓度变送器将检测到新的浓度。重复上述过程，使浆料浓度逐渐接近用户设定的浓度值， 最终得到浓度稳定的浆料。 （因为是用稀释手段调节浓度

9、，在使用中需保证来浆浓度高于设定浓度。）图 23.硬件电路3.1ADC0809 模数转换器ADC0809是采样分辨率为8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。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。它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8 位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近。.ADC0809原理图3.2 选择芯片 89C5189C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100 次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器

10、制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 89C51是一种高效微控制器。引脚说明：电源引脚Vcc（ 40 脚）：典型值 5V。Vss（20 脚）：接低电平。外部晶振 X1、 X2 分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时， X2 接振荡信号， X1 接地 .输入输出口引脚：控制引脚： RST/Vpd、ALE/-PROG 、 -PSEN、 -EA/Vpp 组成了 MSC-51 的.控制总线。3.3 蜂鸣器蜂鸣器用于电压越界时的声音报警。蜂鸣器原理图3.4 硬件原理图硬件原理图.说明：硬件原理图由

11、89C51 单片机， ADC0809 模数转换器， DA 数模转换器，电位器，蜂鸣器和七段 LED 显示其组成。4 PID 控制目前在造纸行业中普遍采用传统PID 算法，传统 PID 算法虽然具有结构简单实现方便、适应性强等特点，但在实际运行过程中不能满足实际生产的要求，其主要表现在： 1）在纸浆浓度调节中，由于电动执行器属于惯性环节，采用传统 PID 调节必产生严重的滞后效应，很难使系统取得良好的控制效果；2 ）由于过程参教在生产过程中变化很大， 加之设备的老化和来自其它方面的干扰，因此，一般的固定参数控制器无法适应这些变化，不能始终保持最优运行， 有时甚至出现稳定性问题。间单地说，也就是调

12、节缓慢、抗干扰能力弱、稳定性差等。在上述基础上，提出了专家PID 控制改进方案。专家系统是指将专家系统理论和技术同控制理论方法技术相结合，在未知环境下， 仿效专家的智能， 实现对系统的控制。而专家 PID 控制是将专家控制原理与常规PID 控制相结合，可以相互取长补短，进一步提高系统的控制性能。专家PID 控制器原理框图如图3 所示。.PID 控制器原理框图根据常规 PID控制的误差值 e(k)及其变化特征，可设计专家PID控制规则，该控制规则可分为如下 6种情况 :(1)当 | ?e(k)|> M m 时，说明误差的绝对值比较大。此时，不论误差变化趋势如何，都应考虑较强的控制作用，即控

13、制器的输出应按最大或最小方向输出，以使误差尽快减小而达到迅速调整误差的目的。控制器输出可为u(k)=u(k-1)+ k1kp e(k)(2)当 e(k) ?e(k)>0 时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时，如果|e(k)|> MS ，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出可为u(k)=u(k-1)+ k1 kp e(k)-e(k-1)+ ki e(k)+ kd e(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3) 此时，如果 |e(k)|< M S ，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝

14、对值本身并不很大，为防止超调，可根据误差的大小选择适当的控制量扭转误差的变化趋势，使其朝误 差绝对值减小方向变化即可。(3) 当 e(k) ?e(k)<O, ?e(k) ?e(k 一1)>0 或者时，说明误差的绝对值朝减小的方向 变化，此时，比例作用应该同步减小 ;由于系统输出的变化率增大，所以微分作用应该加强，。(4) 当e( k)=0 时，说明系统已经达到平衡状态，此时，可考虑采取保持控制器输出 u(k) 不变。(5) 当e(k) ?e(k)<O, ?e(k) ?e(k-1)<0 时，说明误差处于极值状态，此时如果引人 积分作用是不合适的， 对于没有纯滞后或时滞很小

15、的快速过程来说， 这一点影响不大，即 |e(k)|>MS ，可以考虑实施较强的比例微分 (PD) 控制作用u(k)=u(k-1)+ k1 kp e(k)-e(k-1)+ kd e(k)-2e(k-1)+e(k-2)如果此时误差的绝对值较小，即 |e(k)| < MS ,可考虑实施较弱的比例微分 (PD) 控制作用 u(k)=u(k-1)+ k2 kp e(k)-e(k-1)+ kd e(k)-2e(k-1)+e(k-2).(6) 当|e(k)|< 时，说明误差的绝对值很小，此时为减少稳态误差，控制器采用比例积分 (PI) 作用 u(k)=u(k-1)+ kp e(k)-e(k

16、-1) + ki e(k) 式中， u(k) 为第 k次控制器的输出； u(k-1) 为第 k-1 次控制器的输出； e(k) 为误差 e的第 k个极值；k1 为增益放大系数，且 k1 >1 ；k2 为抑制系数，且 0< k2 <1； M m , M S 为设定的误差界限，且 Mm > MS ；方案流程图5 专家 PID 控制器在纸浆浓度控制系的应用5.1 专家 PID 控制器 S-Function 的实现 用Matlab 编写 S-Function ，其基本为 :sys,x0,str,ts=Functionname(t,x,u,flag,cl,c2?) functio

17、nname表 S-Function的名字； t表示仿真时间；x表示状态矢量 ; x0 表示初始状态值，没有状态时为空； u表示模块输入； flag 为标志参数，用于控制在每个仿真阶段对 S-Function 的调用， sys 为返回参数，返回值取决于 flag 的值 ;cl,c2 ， 表示模块的传递参数； str 表示状态命令串，通常为空；ts为采样时间。在 M文件编辑器里编写专家PID 控制器 S-Function 主要代码为：function sys,x0,qtr,ts=exp_pidf(t,x,u,flag,kp,ki,kd,MTab)if abs(flag=3)i=find(abs(x(1)>MTab(:,1) %Rulel.if length(i)>0sys=(kp,ki,kd)*x;endif x(1)*x(3)>0 | (abs(x(3)<eps) %Rule2if abs(x(1)>=0.05sys=u(3)+2*kp*x(1);elsesys=u(3)+0.4*kp*x(1);endendif x(1)*x(3)<0 & x(3)*u(4)<0 %Rule5if abs(x(1)>=0.05el