纸浆浓度的系统设计说明

目录
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。

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·································
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··················································
3.4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、减少纸定量波动、增加抄纸生产稳定性、提高纸质量,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。

）
图2
3.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89C51
89C51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：①电源引脚
Vcc（40脚）：典型值＋5V。

Vss（20脚）：接低电平。

②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.③输入输出口引脚：
④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)+k1 k p 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)|> M S，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 { k p [e(k)-e(k-1)]+ k i e(k)+ k d [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 { k p [e(k)-e(k-1)]+ k d [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)|<ε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-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 ；
ε
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?) 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)>0
sys=(kp,ki,kd)*x;
end
if x(1)*x(3)>0 | (abs(x(3))<eps) %Rule2
if abs(x(1))>=0.05
sys=u(3)+2*kp*x(1);
else
sys=u(3)+0.4*kp*x(1);
end
end
if x(1)*x(3)<0 & x(3)*u(4)<0 %Rule5
if abs(x(1))>=0.05
else
sys=u(3)+0.6*kp*u(2);
end
end
if abs(x(1))<=0.001 %Rule6:Integration separation PI control sys=0.5*x(1)+0.010*x(2);
end
sys=[sys; x(3)];
else if flag==0
sys=[0;3;2;4;1;1];
else sys=[];
end
6.设计总结
采用专家P1D控制实现较为简单，可以得出。

由纯滞后引起的控制品质下降得到了很好的抑制，而且超调量和调节时间明显缩短。

其控制效果优于常规PID控制，有利于企业在节省生产成本的基础上提高纸质量。