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基于CAN总线的液位模糊控制系统的设计与分析.pdf

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承诺书本人郑重声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的学位论文在解密后适用本承诺书作者签名趣鱼者{}{f‘Et 期 丝£1 2.坊南京航空肮犬人学硕十学何论文1.1引言第一章绪论液位控制就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制,从而使液体的高度保持在所希望的数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及,对此进行研究有很高的实用价值。本课题是以食品灌装线中的液位控制为例,完成对此控制任务的实现,但研究目的并不局限于此,而是要设计一比较通用的液位控制器,并在现有的液位控制器的基础上增加一些新的功能。目前在实际生产中应用的液位控制系统,主要以传统的PID控制算法为主。PID控制无论是理论研究还是工程应用,都已经经过了长期的发展,取得了丰硕成果。PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式,对于简单的线性、时不变系统,数学模型容易建立,采用PID控制能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统,其数学模型往往难以获得,通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性,在此数学模型基础上的控制效果可想而知。对于此类问题,传统的PID控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍,种类繁多,其中不乏一些大型的复杂系统,譬如在石油化工等工业生产中。它主要有以下几个特点1、时滞性很大。在大型、复杂的液位控制系统中,当改变进出容器的液体流量来控制液位时,控制效果在较长的时阳J后才能得到体现,这会使得最后的稳态误差较大,液位在期望值附近波动。2、时变性。液位控制一般是通过控制液体流入量的大小来控制液位的,流出量是根据后续工艺生产的需求而调节,这种需求的数量和速度是在不断变化的。3、非线性。容器内液体流出量不仅随后续工艺生产需求变化,即使在控制阀门保持不变的情况下,实际的流出量也随着液位高度的变化而发生一种非线性的变化。这几个特点,都严重影响PID控制的效果,当实际生产对控制有较高的性能指标要求时,就需要寻找一种新的控制方式。基T CAN总线的液位模糊控制系统的设计及研究1.2本系统的特点针对以上的问题,本课题中将智能控制方法引入到液位控制系统中来。智能控制是控制理论发展的高级阶段。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法,它研究的主要目标不再是被控对象,而是控制器本身,因此对被控对象的数学模型并没有太高的精度要求。智能控制的特点就是具有拟人的智能或仿人的智能,这种智能不是智能控制系统中固有的,而是人工赋予的人工智能,这种智能主要体现在智能决策上。智能控制经过几十年的发展,已经取得了长足的进步,目前智能控制主要有以下三个方面,基于专家系统的专家智能控制,基于模糊推理和计算的模糊智能控制,基于人工神经网络的神经网络智能控制。在本系统中,主要是应用模糊逻辑及推理,设计了液位模糊逻辑控制器,这是本系统的特点之~。本系统的另一个特点就是使液位控制器具有了CAN总线通讯能力。目前常用的液位控制器在和别的控制系统进行信息交流时,大多数情况下是通过RS232或RS485形式将信息送给上层管理机,然后再由管理机将信息传送到别的地方。这种信息交流方式效率极低,很不利于信息资源共享。而且,对于现在应用比较先进的现场总线控制系统FCSfieldbus control system,当选用目前的液位控制器构成系统时,需要对液位控制器的功能进行改进,以增加其通讯能力,显得极不方便。在本次设计中,选用了Philips公司的SJAl000芯片,使液位控制器增加了CAN总线通讯能力,CAN总线就属于现场总线的范畴。虽然现场总线方式代替传统的串行通讯方式是控制仪器仪表进行信息交流发展的必然趋势,但为了和以前的系统兼容,同时仍保留了RS232/485通讯口,这种设计方式,使得液位控制器的适应能力更强。1.3本课题的研究目的和主要工作1.3.1研究目的a.通过本次课题设计,熟悉工程应用中一个控制系统从方案的论证、器件的选择、PCB板的绘制到程序的编写、调试整个流程。掌握对CPLDComplex南京航空航天大学硕士学位论文ProgranⅡned Logic Device器件的正确编程、使用方法。掌握实现CAN总线通讯能力的软硬件设计。b.模糊控制技术在理论上已经经过了几十年的发展,工程实际应用也早在1975年马丹尼就取得成功。但在目前的控制系统中,模糊控制方法的应用并不普及。通过本课题的研究,用常用的元器件来实现模糊控制,力争为模糊控制技术的实际应用探索一些经验,使模糊控制技术更好地为人们的实际生产、日常生活服务。c.模糊控制主要是根据操作者和专家的经验,编写一定的规则来模拟人进行控制的,在模糊控制器的设计过程中有很大的主观性和随意性。这样设计出来的控制器需要经过反复的实验来调整修改其中的参数,以企达到理想的控制效果,但缺乏理论依据,没有一定的规律可寻,而且不容易掌握。遗传算法是一种基于生物遗传和物种进化的优化方法,将遗传算法和模糊控制器的设计结合起来,使得模糊控制器中参数的确定更快捷,准确。1.3.2主要工作a. 针对液位控制的要求,选定了液位控制系统的基本器件,应用Protel软件,绘制了液位控制系统的原理图和PCB图。b. 选用Atmel公司的AT89S51单片机作为控制芯片,应用汇编语言,编写了液位模糊控制系统的整个系统程序。其中的主要程序模块有对温度检测器件18820的读取程序;对液晶显示屏sMcl602A的控制程序;基于SJAl000的CAN总线程序以及主控制程序。c. 研究了遗传算法在模糊控制器设计中的应用,主要是运用改进的遗传算法对模糊控制器中模糊变量的隶属函数和控制规则进行了优化。在MATLAB环境下,编写了遗传算法的各种操作算子的程序模块及对隶属函数进行优化的主程序,并进行了仿真研究。i.4本文的内容与结构本文的内容共分为六章第一章绪论概括了目前液位控制系统的状况及缺点,给出了本系统的特点,研究目的及内容。基于CAN总线的液位模糊控制系统的设计及研究4第二章控制系统硬件实现介绍了各部分硬件电路的功能与原理,分析了部分元器件的选择依据及使用方法。第三章模糊控制系统的通讯部分分别介绍了RS232/485和CAN总线接口,其中详细分析了基于SJAl000的CAN总线节点电路的工作原理、通讯特点及部分程序模块的实现。第四章基于单片机的模糊控制系统的设计介绍了液位模糊控制系统从输入变量的选择、隶属函数的确定到控制规则的获得及最终程序的实现,并给出了部分程序的流程图。第五章基于遗传算法的模糊控制律的优化介绍了遗传算法的基本原理,分析了遗传算法和其它的优化方法相比较的特点,最后运用遗传算法对模糊控制器中的隶属函数的参数和控制规则确定进行了优化,编写了各种遗传算子的程序及对隶属函数进行优化的主程序,并进行了仿真研究。第六章总结对本次课题的设计过程进行了总结,分析了其中尚存在不足的地方,为今后的进一步完善提出了建议。南京航空航天火学硕十学位论文第二章控制系统硬件实现2.1系统的组成和基本工作过程液位控制系统功能框图如图2.1所示。其中,模糊控制器的功能是通过单片机AT89S51来实现的。实际上,对于控制器件的选取,有单片机和PC微机两种方案可以选择,最终选择单片机是考虑单片机系统成本低,体积小,安装方便。钱蒸疆琢I一 堕’母模7器糊灌瞧梭渊卜控制 ._一涟位梭测转燕卜一。肼辫玳卜 器擞块 I’’削2 I系统功能框图系统工作过程液位检测编码器将容器内液体的高度检测出来经过转换送给单片机,单片机在采样时刻读取此值,然后通过和设定值比较产生偏差,再计算出偏差变化率,最后经模糊控制算法获得应该输出的控制量。至于最终输出什么形式的控制量,可根据执行元件的要求来确定,本液位控制器提供了数字和模拟两种输出形式。在液位控制器工作时,通过液晶显示屏可实时显示设置的液位值,实际的液位值,当日i的环境温度等信息。该模糊控制器可以构成一个独立的控制系统,也可以通过CAN总线构成分布式控制系统。图2 2是本次课题中设计的液位模糊控制器的PCBPrint Circuit Board板效果图,液晶显示器另外固定,通过插座的形式和这个电路板相连。下面就分别说明各部分的功能和原理,关于通讯部分,它是本系统的一个重点,单独安排在第三章进行介绍。基丁I CAN总线的液位模糊控制系统的蹬计及研究幽22模糊控制器电路板效果幽2.2控制芯片AT89S51单片机AT89S5l是本系统的控制芯片,它属于805l系列单片机,从作用和重要性方面来看,它是系统的核心元件,理应给出详细的介绍。但是,805l系列单片机的应用极为普遍,它的资料随处可见,所以这旱只就为什么选用它给出一定的说明,关于它的技术信息不再赘述。虽然目前的单片机种类繁多,各有特点,但805l系列单片机在单片机应用市场的占有率处于绝对的领先地位。AT89S5 1有DIP40和PLCC44两种封装形式,选用它作为本系统的控制芯片是出于以下几点考虑1价格便宜51系列的单片机通常只有10元左右,对工程应用来说,有极大的价格优势,和AVR、ARM等系列的单片机相比,要便宜很多。2货源稳定AT89S51是Atmel公司生产的产品,由于其应用量很大,所以生产连续,价格和货源都比较稳定。即使该公司的货源有问题,和AT89S5l完全兼容的其它公司的产品也很多,可以直接拿来使用,软硬南京航空lj亢大人学碗十学何论文件都不用做任何改动。3支持的开发工具多 由于AT89S51系列单片机应用极为普及,许多公司都相继开发了支持该系列单片机的仿真机、编程器,用户在选择开发工具时有更多的选择。目前在南京应用较多的有伟福、万利、爱思等公司的开发工具。另外还有一点况明一下,实际上AT89S5l是Atmel公司近几年爿椎出的产品,它的前一代产品是AT89C5l。AT89S51比AT89C51抗干扰能力更强,可靠性更高,最大的区别是它支持ISPIn System Programming--在系统编程功能,方便软件的升级,可以节省编程器。它完全兼容AT89C5l。对于液位控制系统的一般环境下,AT89S51单片机通常都能可靠的工作。在一些特殊的应用场合,比如说有较强的电磁干扰,影响到AT89S51的『F常工作时,可以考虑选用微芯的PIC系列或盛群的HT46RXX系列等抗干扰能力更强的单片机。2.3输出转换元件AD420AD420是~’种D/A转换元件,在本课题设计的液位控制器构成的系统中,它把单片机输出的数字控制量转换成4mA--20mA电流信号,然后送给阀门。下面就介绍一下它的特点和应用电路1 3 JI。AD420是AD公司专fq为满足工业控制市场的需求而生产的一种数字量到电流量之间的转换器件,它提供了一种高精度、低成本的产生电流信号的单芯片的解决方案,有SOIC24和PDIP24两种封装形式。AD420的输入为16位的数字量,输出为电流.范围可通过编程分别设置为4mA--20mA,0mA--20mA或者0mA--24mA。同时,AD420电提供了一种电压输出方式,其范围可分别设置为OV一5V,OV一10V,.5V一5V或者.10V一10V,在这种方式下外面需额外的连接一运算放大器。AD420和微控制器之问的接口被设计成串口形式,这样就可以工作在“三线”模式或“异步通讯”模式,节省了微控制器的I/0口和对控制信号的数量要求,而它的波特率可以达到3.3M,速度并不比一般的并口慢。AD420引脚图如图2 3所示,引脚功能见表2.1。基T-CAN总线的液位模糊控制系统的设计及研究AD唾20TOP%W棚口tb§c埘VccHCC≯2Cp,∞OSTVOuT09PSET TR撇R£F婀REFoUTNCNC一oCON畦e1剧2 3 AD420引脚图表2 l AD420引脚功能说明引脚 符号 功能说明I、12、l 3、 NC 朱连接22、242 VLL 内部数字电路电源信号3 FAUL』T DETECT 故障检测端,用来检测输山是否正常4、5 RANGE 选择端,用来设置输出的类型和范同6 CLEAR 清0信号.使输出为设置范甬内的最小值7 LATCH 数据锁存端8 CLOCK 时钟输入端9 DATA TN 数据输入10 DATA oUT 数据输山11 GND 电源地14 REF OUT 参考电压输出15 REF IN 参考电压输入16 oFFSET TRIM 误差调整端17 VOUT 转换的电压输出端1 8 loUT 转换的电流输出端19 BoOST 可以通过电阻和电源相连,州来降低功耗20、21 CAPl、2 分别通过电容和电源相连,剧米对内部滤波23 VCC 电源正极南京航空航天人学硕十学何论文参数极限值● 电源电压12V一32V·工作环境温度范围一40℃一85℃·最大输出误差0 1 5%●输入时最大波特率3.3MBPS·输出阻抗电流模式25MQ·转换时间3ms在本系统应用AD420时,输出选择的是电流模式,范围为4mA--20mA,在和单片机之问连接时,由于它们的供电电源不同单片机电源为5V。AD420电源为15V,中间用了光电隔离器件NEC2501,避免了单片机和后向通道之间的直接电气相连,提高了系统的可靠性。而且,光电隔离器件NEC2501也是通过CPLD器件XC9536才连接到单片机口的,至于为什么要用XC9536,我们将在2.6节中给出详细说明。有关AD420的外围电路如图2A所示,其中,LATCH,cLOCK,DATA IN是由单片机控制.用来给AD420输入数字量的,I OUT是输出的电流。到2 4 AD420廊川电跆削
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