纸浆浓度的系统设计

1、一、设计背景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。纸浆浓度控制系统的数学模型纸浆浓度控制系统的工作原理三、单片机硬件电路错误!未定义书签。模数转换器错误!未定义书签。选择芯片89C51错误!未定义书签。蜂鸣器硬件原理图五、主要程序错误!未定义书签。六、设计总结1.设计背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

2、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：rel1祇阳*1隹弁？击巾1可用:把陛i要对浓度控制系统做更深入的讨论，必须要有系统的数学模型，在此给出了系统的数学模型，具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。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,

3、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，在使用中需保证来浆浓度高于设定浓度。）3 .硬件电路模数转换器ADC080用采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模一数转换的器件。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。xfrr三.否32-&#

4、171;272-9戊。0* A 口匚心 JLT-E-rXLEADC080前理图备快羿关CIjOCK.0-131 4557TH HJ T4 1 1 TJ 1II*TO)8二洋鹤舒2川电用阶博选择芯片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ATME麻密度非易失存储器制造技术制造，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CPUffi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。口 i 口”7ESiTFOLD尸”<fm:ojaa-iF

5、C尸3_Ni,EMT1i尸a3<TO>n*4<TT_iP3,5K=3-七k»，=亲.丁XT*L至ATJM_801-10匚JU匚LUUUULJL亡匚！匚1匚nmnnrmnnnfmpJnnnn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XI、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.输入输出口弓|脚：控制弓I脚：RST/VpdALE/-PROG-PSEN-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。蜂鸣器蜂鸣器用于电压越界时的声音报警蜂鸣器原理图硬件原理图硬件原理图说明：硬件原理图由89C51单片机，

6、ADC0809真数转换器，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，具主要表现在：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。问单地说，也就是调节缓慢、抗干扰能力弱、稳定性差等。在上述基础上，提出

7、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)|>Mm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

8、u(k)=u(k-1)+kikpe(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)卜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)+kikpe(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3)此时，如果|e(k)|<MS,说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，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

9、(k)<O,?e(k)?e(k1)>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6(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，止匕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)+kikpe(k)-e(k-1)+kde(k)-2e(k

10、-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)+k2kpe(k)-e(k-1)+kde(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)+kpe(k)-e(k-1)+kie(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；Mm,千TP尸11谷蛔亲

11、回联百字墟Ml用百询羊闻再t专家趣刨存华T甘VI”句手2JI处照控帘j域的aj工WH：我布IF辄上I；星一7的川瓶小、S3修改以二llMS为设定的误差界限，且Mm>MS;J由g2二卜L也反雷运疗RW'II，方案流程图5专家PID控制器在纸浆浓度控制系的应用专家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)functionname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

12、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表示状态命令用，通常为空；ts为采样时间。在加件编辑器里编写专家PID控制器S-Function主要代码为：functionsys,x0,qtr,ts=exp_pidf(t,x,u,flag,kp,ki,kd,MTab)ifabs(flag=3)i=find(abs(x(1)>MTab(:,1)%Ruleliflength(i)>0sys=(kp,ki,kd)*x;endifx(1)*x(3)>0|(abs(x(3)<eps)%Rule2ifabs(x(1)>=sys=u(3)+2*kp*x(1);elsesys=u(3)+*kp*x(1);endendifx(1)*x(3)<0&x(3)*u(4)<0%Rule5ifabs(x(1)>=elsesys=u(3)+*kp*u(2);endendifabs(x(1)<=%Rule6:Integr