单容水箱液位控制系统设计计算机课设.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：单容水箱液位控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级：自动化自动化074074 学学 号：号：070302120070302120 学生姓名：学生姓名： 俞洁华俞洁华 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2010.12.152010.12.152010.12.242010.12.24 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号070302120学生姓名俞洁华专业班级074 课程设计 题目 单容水箱液位控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能 以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用常规 PID 控制算 法，将液位控制在规定范围内，并要求实时显示当前液位值。 设计任务及要求 1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电 路； 2、建立被控对象的数学模型； 3、推导 PID 控制算式，设计 PID 算法的程序流程图或程序清单； 4、仿真研究，验证设计结果。 5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 液位控制范围：10100cm 误差：5cm 三位 LED 显示液位高度 进度计划 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1 天） 被控对象建模（1 天） 算法推导，程序设计（3 天） 仿真研究（2 天） 撰写、打印设计说明书（2 天） 答辩（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） IV 摘 要 本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。介绍了 PID 控制的基 本原理及数字 PID 算法，并根据算法的比较选择了增量式 PID 算法。建立了基于单 片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定 PID 参数，利用 MATLAB 应用软件对系统进行仿真得到图线。 系统由进出水阀门，单片机，A/D 转换器，D/A 转换器，传感器，显示电路和键 盘电路等组成。整个过程保持进水阀的开度比例不变，由传感器检测电路连续不断地 相应液位值，送入 A/D 转换器中处理，输出的数字量送给单片机，控制显示电路实 时显示实际液位值，由键盘输入设定值，控制器比较其值控制出水阀门的开度比例， 以保持液位稳定在要求范围内。 关键词关键词：水箱建模，液位控制，PID 算法，增量式 PID 本科生课程设计（论文） V 目 录 第1 章 绪论.1 第 2 章 课程设计的方案 2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 硬件设计 3 3.1 单片机最小系统设计 .3 3.2 传感器模块 .3 3.3 A/D 转换和 D/A 转换模块 3 3.4 键盘模块 .3 3.5 显示模块 .4 第 4 章 软件设计 5 4.1 PID 算法 5 4.2 位置式 PID 控制系统 .6 4.3 增量型 PID 控制算法 .8 4.4 PID 计算 .10 4.5 主程序控制流程 11 4.6 显示部分 12 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 13 5.1 MATLAB 程序 13 5.2 MATLAB 成象曲线 13 第 6 章 课程设计总结 .14 参考文献 15 附录：系统硬件原理图 16 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量 进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技 术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低， 则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否， 关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过 热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与 成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作 性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中， 液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的 安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制 方法和策略。 液位控制是工业中创建的过程控制，它对生产的影响不容忽视。但荣液位控制 系统具有非线性、滞后、耦合等特征，能够很好地模拟工业过程特征。对于液位控 制系统，常规的 PID 控制由于采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化 和工作条件的变化，得不到理想效果。 在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选 择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置 的特点，建立了基于单片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序。虽然 PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制 效果，必须合理的整定 PID 的控制参数，使之具有合理的数值。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识，设计单容水箱液位控制系统设计，并在实 践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课程 中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握计算机控制算法和 PID 算法在现实中应 用的基本方法。 2.2 系统组成总体结构 图 2.1 是基于单片机为控制器单容水箱液位控制系统的基本组成硬件框图。 主要由液位传感器，进水阀门，出水阀门，A/D 转换电路，D/A 转换电路，键 盘电路，显示电路，单片机（89C51）组成。液位传感器可精确快速的测量微 小液位差，把差值转换为电参数的器件。单片机信号得经由计算机 PID 算法计 算传回。 工作原理：控制进水阀门的流量，液位传感器检测液位，与设定值相比得 到的差值经过 A/D 转换，送入单片机中，经过 PID 算法分析传回单片机，控制 显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过 D/A 转换控制出水阀门的开闭。 传感器 液位信号 显示电路 A/D 转换电路 单 片 机 差动电路 键盘电路 出水阀门 P C 机 D/A 转换 复位电路 电路电路 本科生课程设计（论文） 3 图 2.1 系统框图 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 本次设计中的最小系统模块中包括 CPU、复位电路和晶振。 3.2 传感器模块 本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器。它是一款根据浮力原理， 并采用三线分压器原理对也未进行测量及信号得变送。浮球内磁钢的磁力线穿过导 管，感应导管内干簧与电阻链，由此产生的电压与液位成正比例关系。工作原理简 单应用范围广泛，对于液位的连续测量，能可靠稳定获取液位信号，不受被测介质 的物理化学状态变化影响，支持信号源距离传送。适用范围：温度：-80+200； 压力：真空100Mpa。耐腐蚀性强，适用于各种场合。误差在 20mm 之内。 3.3 A/D 转换和 D/A 转换模块 该模块 A/D 转换选用 ADC0809 是 M 美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 转换器。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。是目前 国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯片。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA 芯 片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛 的应用。D/A 转换器由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换电路及转 换控制电路构成。 3.4 键盘模块 本次设计中采用的 4*4 的非编码键盘。矩阵式非编码键盘的电路原理图如图 3.4 所示。当没有键按下时，行线和列线之间是不相连。若第 N 行第 M 列的键被按 下，那么第 N 行与第 M 列的线就被接通。如果在行线上加上信号，根据列线的状态， 便可得知是否有键按下。如果在行线上逐行加上一个扫描信号（本实验中用的低电 平） ，就可以判断按键的位置。常用的按键识别有两种方法：一种是传统的行扫描法； 另一种是速度较快的线反转法。本实验中采用的是线反转法进行识键。 本科生课程设计（论文） 5 键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的 工作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。 键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码， 每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这 种键盘使用方便，但硬件较复杂，PC 机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供 按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在 单片机应用系统中广泛使用。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:1-Jul-2010 Sheet of File:D:Study09-10 second仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪protelMyDesign.ddbDrawn By: S1 S2 S3 S13 S4 S5 S6 S14 S7 S8 S9 S15 S10 S11 S12 S16 P00P01P02P03 P04 P05 P06 P07 图 3.1键盘模块硬件原理图 3.5 显示模块 本设计采用三位 LED 显示电路。即常用的七段显示器件：半导体数码管将十进 制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。半导体数码管（或称 LED 数码管）的 基本单元是 PN 结，目前较多采用磷砷化镓做成的 PN 结，当外加正向电压时，就能 发出清晰的光线。单个 PN 结可以封装成发光二极管，多个 PN 结可以按分段式封装 成半导体数码管。有动态显示和静态显示两种。为了便于实时显示，本设计采用动 态显示。 本科生课程设计（论文） 6 第 4 章 软件设计 4.1 PID 算法 数字 PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位 控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍 PID 控制的基本原理，液位 控制系统中用到的数字 PID 控制算法及其具体应用。 一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。常规 PID 控制系 统原理框图如图 4.1 所示。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。 积分 比例 微分 被控对象 u (t) e (t) r(t) c (t) 图 4.1 PID 控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控 制偏差 e(t)=r(t)-c(t) (4-1) 将偏差的比例（P） 、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对 被控对象进行控制，故称 PID 控制器。它的控制规律为 (4-2) 0 ( )1 ( )( )( ) t D P I T de t u tKe te t dt Tdt 写成传递函数形式为 (4-3) ( )1 ( )(1) ( ) PD I U s G sKT s E sT s 式中 比例系数； P K 积分时间常数； I T 微分时间常数； D T 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID 控制器各 本科生课程设计（论文） 7 校正环节的作用如下： 1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快， P K 系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会 P K 降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 2、积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小， I T I T 在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大， I T 将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 3、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变 化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节 D T 时间，而且会降低系统的抗干扰性能。 4.2 位置式 PID 控制系统 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此式（4-2）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟 PID 控制算法的算式（3-2） ，现以一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间 t，以和式代替 积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换： （4-4） 0 00 (0,1,2,) ( )()( ) ( )()(1) ( )(1) kk t jj tkT k e t dtTe jTTe j de te kTe kTe ke k dtTT 式中 T采样周期。 显然，上述离散化过程中，采用周期 T 必须足够短，才能保证有足够的精度。 为书写方便，将 e(kT)简化表示成 e(k)等，即省去将式（4-4）代入式（4-2） ，可 O T 得离散的 PID 表达式为 （4-5） 0 ( )( )( )( )(1) k D P j I TT u kKe ke je ke k TT 或 本科生课程设计（论文） 8 （4-6） 0 ( )( )( )( )(1) k PID j u kK e kKe jKe ke k 式中 k采样序号，；0,1,2,k u(k)第 k 次采样时刻的计算机输出值； e(k)第 k 次采样时刻输入的偏差值； e(k-1)第(k-1)次采样时刻输入的偏差值； 积分系数，； I K/ IPI KK T T 微分系数，； D K/ DPD KK TT 由 z 变换的性质 1 (1)( )z e kz E z 1 0 ( ) ( ) (1) k j E z ze j z 式（4-6）的 z 变换式为 （4-7） 1 1 ( ) ( )( ) ( )( ) 1 PID E z U zK E zKKE zz E z z 由式（4-7）便可得到数字 PID 控制器的 z 传递函数为 （4-8） 1 1 ( ) ( )(1) ( )1 I PD KU z G zKKz E zz 或者 （4-9） 11 2 1 1 ( )(1)(1) 1 PID G zKzKKz z 数字 PID 控制器如图 4.2 所示。 P K 1 /(1) I Kz 1 (1) D Kz U(z) u(k) E(z) e(k) 本科生课程设计（论文） 9 图 4.2 数字 PID 控制器的结构图 由于计算机输出的 u(k)直接去控制执行机构（如出水阀门） ，u(k)的值和执行机 构的位置（如阀门开度）是一一对应的，所以通常称式（4-5）或式（4-6）为位置 式 PID 控制算法。 图 4.3 位置式 PID 控制系统结构图 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算 时要对 e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的 u(k)对应的 是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构 位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造 成重大的生产事故，因而产生了增量式 PID 控制的控制算法。所谓增量式 PID 是指 数字控制器的输出只是控制量的增量 u(k)。 4.3 增量型 PID 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电动机）时，可由式（4-6） 导出提供增量的 PID 控制算式。根据递推原理可得 （4-10.） 1 0 (1)(1)( ) (1)(2) k pID j u kK e kKe jKe ke k 用式（4-6）减式（4-10） ，可得 ( ) ( )(1)( ) PI u kKe ke kK e kA ( )2 (1)(2) D Ke ke ke k （4-11）( )( )( )(1) PID Ke kK e kKe ke k 式中 ( )( )(1)e ke ke k PID 位置 算法 D/A 执行 机构 被控 对象 A/D r(k) + u(k)e(k) r(k) + D/A u(k) PID 增 量算法 A/D 执行 机构 被控 对象 u(t ) u(t) 本科生课程设计（论文） 10 图 4.4 增量型 PID 控制系统框图 式（4-11）称为增量式 PID 控制算法。 图 4.4 给出了增量式 PID 控制系统示意图。 可以将式（4-11）进一步改写为 （4-12）( )( )(1)(2)u kAe kBe kCe k 式中 、(1) D P I TT AK TT (12) D P T BK T / PD CK TT 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期 T，一旦确定了、 P K 、，只要使用前后 3 次测量值的偏差，即可由式（4-11）或式（4-12）求出控 I K D K 制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量 u(k)对应的是本次执行机构位置 （例如阀门开度）的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累 需采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件来实现；目前 0 ( )( ) k j u ku j 较多的是利用算式通过执行软件来完成。( )(1)( )u ku ku k 由图 4.3、图 4.4 可以看出，就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本 质区别，或者仍然全部由计算机承担其计算，或者一部分由其它部件去完成。 增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： （1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去 掉。 （2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障 时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。 （3）算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 k 次的采样值有关，所 以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求 高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系 统中，则可采用增量控制算法。 本科生课程设计（论文） 11 被 控 对 象 离线计算，置 0 q 1 q 2 q 120e ke k 将 A/D 结果赋给 y k 求 e kr ky k 计算控制增量 u k D/A 21e ke k 1e ke k A/D 将输出给 D/A u k 采样时刻 到否？ 否 到 图 4.5PID 增量型控制算法流程图 4.4 PID 计算 因为单容水箱液位控制系统传函是一阶惯性环节。应用 MATLAB 仿真，直接 调试，调节和， pk ikdk 本科生课程设计（论文） 12 4.5 主程序控制流程 出水阀保持原开度 系统初始化 读取水箱液位 液位值送显示 显示值等于设 定值？ A/D 转换 按键扫描 有设定值？键盘键入 控制出水阀开度比例 读输入值 偏差计算 PID N Y 系统上电 图 4.6主程序流程图 本科生课程设计（论文） 13 4.6 显示部分 该函数主要为各显示函数调用。其工作流程为先向 LCD 发送控制命令，再传送 待显数据，最后刷新屏幕。其流程图如图 4.7 所示。 入口 发送命令 延时 发送数据 延时 显示 返回 图 4.7 LCD 显示函数流程图 4.7 程序部分 Private Sub pid loop() dfilter = 10 数字滤波器 inputd = pv + (inputlast - pv) * (kd / 60) inputlast = pv inputdf = inputdf + (inputd - inputdf) * dfilter / 60 output = (sp - inputdf) * (kp / 100) + feedback If output 100 Then 出水阀开度取值范围是 0-100% output = 100 End If 本科生课程设计（论文） 14 If output 0 Then output = 0 End If HScroll2.Value = 100 - output 自动模式下调节出水阀开度 Text6.Text = HScroll2.Value 显示出水阀门开度值 feedback = feedback - (feedback - output) * ki / 60 End Sub 本科生课程设计（论文） 15 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 5.1 MATLAB 程序 图 5.1 一节惯性环节 MATLAB 程序图 5.2 MATLAB 成象曲线 图 5.2 一阶惯性环节 MATLAB 程序图 由图得=1 和=0.5，=1.3 pk ikdk 本科生课程设计（论文） 16 第 6 章 课程设计总结 在该系统的构想之初有不少困惑。主要是关于 PID 算法不知道如何应用到设计 中。这次课设还要求有计算机仿真，一涉及到各门学科相联系应用于实践的设计， 心里就开始发怵。因为在学习上都是单纯的学习某一门知识，知道怎么解题，如何 理解题目的思路，对解题的用途投注了太少的注意力，以至于很多知识可能理解， 会用，但是却不知道怎么把它用到设计里去。又或者是一些选修课，本来上课讲的 内容就少，还一知半解，到用着的时候只能干瞪眼，或者重新去学了。 课程设计深刻的结合了所学综合了各门学科，像单片机，计算机控制， protel，MATLAB 等，都需要我们在平时去关注去学习运用的。以前不是特别明白 的地方也通过实践弄懂了。总的来说，这次课程设计使我 感受到了理论与实践相结 合的目的及其重要意义，不但使我对所掌握的知识有了更深刻的认识，还提高了我 的动手查阅资料的能力而且还锻炼了自己的独立思考能力。设计思路是最重要的， 只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前 做好充分的准备，像查找详细的资料，这对于我掌握，理解学习过的知识有很大的 帮助，对于思维 、逻辑及其理论知识的运用等多方面有了更加进一步的掌握。 遇到不懂的地方就要问，老师都会热情的帮助我们，不要怕问题简单幼稚，怕 下不来面子，要知道谁都是从不懂到懂的，才能对自己有所助益，进步才能更加迅 速。 在这里我也感谢所有给予我关心帮助的老师和同学，希望以后有更多的机会来 锻炼自己的综合素质，为以后的学习、生活打下良好的基础，在这次课设中也暴露 了自己的一些缺点，基础知识不够扎实，我会在以后的日子里加以改正，来提高自 己综合能力。 本科生课程设计（论文） 17 参考文献 1 喻其炳. 工程中液位控制的三种常见方式. 渝州大学学报,2002，19（4）： 91-93 2 陶永华，尹怡欣，葛芦生. 新型 PID 控制及其应用.北京：机械工业出版社, 1998.9:1-8 3 张毅刚.单片机原理及接口技术M .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2007：55-66 4 胡文金.单片机应用技术