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C8051F410 的貨源和報價 C8051F410 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號

基于C8051F410 的負(fù)壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

     摘要:負(fù)壓的精確控制在燒結(jié)生產(chǎn)中有重要意義,針對燒結(jié)過程中存在的時滯和大超調(diào)問題,設(shè)計了一個基于C8051F410 單片機的負(fù)壓在線監(jiān)控系統(tǒng)。采用帶死區(qū)的積分分離PI 控制算法,并用Smith 預(yù)估器補償純滯后環(huán)節(jié)。仿真及實際運行結(jié)果表明,該系統(tǒng)響應(yīng)速度快,控制精度高,具有較強實用價值。

　　1 引言

　　本課題來自某燒結(jié)實驗裝置的負(fù)壓控制系統(tǒng)。眾所周知, 抽風(fēng)負(fù)壓是影響燒結(jié)礦質(zhì)量的重要因素之一, 在燒結(jié)的三個階段(點火,燒結(jié),冷卻)對抽風(fēng)負(fù)壓的大小要求不同, 且在各階段均需保持恒壓。能否保持恒定的負(fù)壓是影響燒結(jié)礦質(zhì)量的關(guān)鍵。而目前很多類似實驗設(shè)備仍采用手動調(diào)節(jié)的方式, 不僅調(diào)節(jié)時間長, 波動大, 直接影響了燒結(jié)礦質(zhì)量和實驗參數(shù)的可信度。加上現(xiàn)場有多種影響負(fù)壓的因素: 如風(fēng)管漏風(fēng)、原混合料的透氣性、燒結(jié)過程中料層透氣性的波動、電網(wǎng)電壓波動引起的風(fēng)機輸出功率的變化等, 也增加了調(diào)節(jié)的難度。

　　針對以上問題, 本文設(shè)計了基于單片機的負(fù)壓監(jiān)控系統(tǒng),采用帶死區(qū)的積分分離PI 控制,和Smith 預(yù)估器,補償了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的滯后時間,實現(xiàn)對負(fù)壓的精確控制。

　　2 燒結(jié)工藝介紹

圖1 燒結(jié)實驗裝置簡圖。

　　燒結(jié)實驗裝置主要設(shè)備連接簡圖如圖1 所示。燒結(jié)前向燒結(jié)杯內(nèi)填裝混合料,填滿后按比例向點火罩內(nèi)通液化氣和空氣,并同時按下高壓點火器點火(點火罩初始位置處于燒結(jié)杯一側(cè))。當(dāng)點火罩溫度升到點火溫度后,啟動抽風(fēng)風(fēng)機和負(fù)壓調(diào)節(jié)器,并點火罩移至燒結(jié)杯正上方, 開始對混合料加熱, 此時的負(fù)壓需保持在5kPa 。當(dāng)點火時間到后, 點火罩恢復(fù)至初始位置, 混合料利用余熱和自燃產(chǎn)生的熱量向下燒結(jié),此時的負(fù)壓要求保持在10kPa。待燒結(jié)終點出現(xiàn),負(fù)壓降至2kPa,冷卻2 分鐘后燒結(jié)完成。

　　由于采用旁路放空的方式來改變主風(fēng)管的流量,進而改變真空室負(fù)壓,所以在對調(diào)節(jié)閥進行控制時應(yīng)遵循一定的規(guī)則:負(fù)壓偏大時, 需減少主風(fēng)管流量, 應(yīng)增大調(diào)節(jié)閥開度以增加旁路流量; 負(fù)壓偏小時, 則應(yīng)減小調(diào)節(jié)閥開度。

　　3 數(shù)字控制器設(shè)計

　　常規(guī)PID 控制作為一種傳統(tǒng)的控制方法,以其計算量小、實時性高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于過程控制[1]。針對燒結(jié)杯真空室負(fù)壓這個控制對象,發(fā)現(xiàn)使用常規(guī)PID 算法對其進行控制,易產(chǎn)生大超調(diào)、振蕩、執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)動作滯后且過于頻繁等現(xiàn)象。經(jīng)分析決定使用帶死區(qū)的積分分離PI 控制算法,并用Smith 預(yù)估器進行滯后補償。

　　造成調(diào)節(jié)動作滯后的原因主要有兩個: 一, 調(diào)節(jié)閥自身的限制, 由于調(diào)節(jié)閥本身是一個閉環(huán)控制系統(tǒng), 內(nèi)部控制器比較當(dāng)前位置和目標(biāo)位置進行運算輸出,并由內(nèi)部電機經(jīng)過機械減速器減速后帶動閥門改變開度,每次調(diào)節(jié)都需要一定時間;二,旁路調(diào)節(jié)閥離負(fù)壓測量點較遠, 且壓力不能突變, 也造成了信號反饋的滯后。因此在PI 控制器兩端反向并接一個Smith 預(yù)估器以補償系統(tǒng)滯后。

　　為避免控制動作過于頻繁, 消除因頻繁動作引起的振蕩,采用了帶死區(qū)的PI 控制算法。當(dāng)偏差在死區(qū)范圍內(nèi), 則PI 控制器輸出為零;當(dāng)偏差超出了死區(qū)的范圍則采用PI 調(diào)節(jié)。死區(qū)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)實驗確定, 太小,則使調(diào)節(jié)過于頻繁,達不到穩(wěn)定被調(diào)節(jié)對象的目的;太大, 則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后。

　　此外, 在燒結(jié)過程中某兩個階段切換時, 由于負(fù)壓給定值差距較大,短時間出現(xiàn)較大偏差, 造成PI 運算的積分飽和從而引起系統(tǒng)的超調(diào)。為了解決這一問題,使用了積分分離PI 控制算法:即偏差較大時,采用P 控制,使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);當(dāng)偏差較小時,采用PI 控制,以保證系統(tǒng)的控制精度。

　　改進后的PI 控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 改進后的PI 控制原理框圖。

　　圖2 中r(t) 為實際負(fù)壓給定, e1(k) 為負(fù)壓偏差,e2 (k)為經(jīng)過Smith 預(yù)估器補償后的負(fù)壓偏差, u(k ) 為控制器的輸出量用來控制調(diào)節(jié)閥開度, yt (k) 為Smi th 預(yù)估器的輸出, y(k) 為當(dāng)前負(fù)壓實際值。

　　Smith 預(yù)估器的控制算式如下所示:

　　式中:T 為采樣時間, Tf 為被控對象時間常數(shù), K f 為被控對象的放大系數(shù), N = t /T , t 為純滯后時間。

　　由式(1)可以得出,進入PI 控制器的偏差e2 (k)的表達式為:

　　在得出e2 (k ) 的基礎(chǔ)上,配合死區(qū)及積分分離的要求,則數(shù)字PI 控制器的位置式輸出u(k ) 控制算式如下:

　　式中e 為死區(qū)門限值, b 為積分分離門限值, KP 、KI 分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)。

　　由式(3)可以看出, 經(jīng) Smi th 預(yù)估器補償后的負(fù)壓偏差e2 (k) 的大小是選擇控制器輸出的唯一判斷依據(jù),即:當(dāng)e2 (k) ? e 時,負(fù)壓控制器輸出不變,則負(fù)壓調(diào)節(jié)閥開度不變;當(dāng)e < e2 (k ) ? b 時,負(fù)壓控制器按PI 調(diào)節(jié)輸出,改變負(fù)壓調(diào)節(jié)閥開度,調(diào)節(jié)真空室負(fù)壓;當(dāng)b < e2 (k)時, 為避免積分飽和,負(fù)壓控制器采用P 調(diào)節(jié)輸出, 改變負(fù)壓調(diào)節(jié)閥開度,調(diào)節(jié)真空室負(fù)壓。

　　4 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)燒結(jié)負(fù)壓控制要求,CPU 應(yīng)具用較高的數(shù)據(jù)處理速度和控制精度。設(shè)計選用了完全混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F410。C8051F410 單片機是新華龍公司出品的一款經(jīng)濟、高性能單片機, 其主要內(nèi)部資源及特性有:32KB 閃存、2304 字節(jié)RAM、4 個通用16 位定時器;24通道12 位逐次逼近型ADC;2 個12 為電流輸出DAC 及可編程內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源; 18 個可變優(yōu)先級中斷源; 采用流水線指令結(jié)構(gòu),最高指令執(zhí)行速率高達50M,帶內(nèi)部高精度24.5M(± 2%)晶振,與傳統(tǒng)8051 指令集完全兼容,并且具有豐富的接口資源, 滿足負(fù)壓控制要求。

　　AD 采樣部分采用C8051F410 內(nèi)置的AD 轉(zhuǎn)換器,C8051F410 的ADC0 子系統(tǒng)集成了一個27 通道的模擬多路選擇器(AMUX0)和一個200ksps 的12 位逐次逼近型ADC,ADC 中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測和硬件累加器, 且有4 種方式啟動A/D 轉(zhuǎn)換。設(shè)計中將此子系統(tǒng)配置成突發(fā)模式, 在此模式下, 一旦停止采集, 子系統(tǒng)便進入低功耗模式, 通過向ADC0CN 的AD0BUSY 位寫1 喚醒AD 轉(zhuǎn)換器,連續(xù)自動采集并累加16(1、4、8、16 可選)個采樣值。不僅滿足了采樣的準(zhǔn)確性,且對采樣值進行了累加,便于數(shù)字濾波,簡化控制程序。

　　DA 部分采用了C8051F410 內(nèi)部的12 位電流型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(IDAC)。因其轉(zhuǎn)換滿度電流最大為2mA,為了和電動調(diào)節(jié)閥0~5VDC 的輸入信號相匹配,IDAC 輸出和調(diào)節(jié)閥輸入中間增加了一級信號調(diào)理電路,實現(xiàn)I/V 轉(zhuǎn)換及信號放大,其中使用了集成運放為AD620,此運放增益范圍可達1~1000,使用方便(只需確定一個電阻大小即可)且具有較高的轉(zhuǎn)換精度。圖3 給出了AD620 的放大電路圖:

圖3 AD620 放大電路圖。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　燒結(jié)杯負(fù)壓控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。壓力變送器檢測真空室負(fù)壓, 并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號, 經(jīng)調(diào)理電路,使壓力信號大小落在A/D 轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。采樣值經(jīng)過數(shù)字控制器運算輸出,數(shù)字信號經(jīng)內(nèi)部D/A 及調(diào)理電路后,控制調(diào)節(jié)閥的開度,改變旁路流量,實現(xiàn)控制燒結(jié)杯真空室負(fù)壓。

　　液晶顯示和鍵盤輸入相結(jié)合, 構(gòu)成了友好的人際交互界面,操作簡單、靈活、方便;單片機通過485 總線與上位機進行通訊, 實現(xiàn)真空室負(fù)壓的全自動檢測和控制, 同時創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存貯采集的壓力值, 繪制、打印過程曲線, 便于數(shù)據(jù)調(diào)用、分析等。

　　5 仿真及實際運行曲線

圖5 傳統(tǒng) PID 控制仿真曲線圖。

圖6 改進 PI 控制仿真曲線。

圖7 負(fù)壓控制實際曲線。

　　根據(jù)系統(tǒng)近似模型,采用MATLAB 進行仿真,仿真時采用純滯后時間常數(shù)t = 30s ,給定值經(jīng)歷三次突變,圖5 是采用傳統(tǒng)PID 控制下的響應(yīng)曲線,圖6 是采用改進后的PI 控制下的響應(yīng)曲線,圖7 為燒結(jié)杯真空室負(fù)壓控制系統(tǒng)調(diào)試運行結(jié)果。

　　可以看出,在傳統(tǒng)PID 算法控制下的系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)大,穩(wěn)定時間長。相比之下,采用帶Smi t h 預(yù)估器的改進PI 算法控制下的系統(tǒng),響應(yīng)快,穩(wěn)態(tài)精度高,無超調(diào)。

　　實際運行曲線也證明這種控制方式可行且有效。

　　6 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的基于C8051F410 單片機的負(fù)壓監(jiān)控系統(tǒng),采用帶死區(qū)的積分分離PI 控制加上Smith 預(yù)估補償?shù)姆桨? 不僅響應(yīng)快, 精度高, 且克服了較大的時滯性,為燒結(jié)實驗提供了良好的負(fù)壓環(huán)境。