带PID的液位控制系统课程设计.doc

过程控制过程控制 课课程程设设计计 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 210992 专业班级 专业班级 电气工程及其自动化 电气工程及其自动化 1 班 班 指导教师 指导教师 二二 一二一二 年年 六六 月月 十五十五 日日 2 目目 录录 1 课程设计目的 3 2 课程设计题目和要求 3 3 设计内容 4 3 1课程设计的方案 4 3 2 硬件设计 7 3 3 软件设计 10 4 设计总结 18 5 参考书目 18 附录 19 3 1 1 课程设计目的 课程设计目的 通过本课程设计 主要训练和培养学生的以下能力 1 查阅资料 搜集与本设计有关部门的资料 包括从已发表的文献中和从生产 现场中搜集 的能力 2 方案的选择 树立既考虑技术上的先进性与可行性 又考虑经济上的合理性 并 注意提高分析和解决实际问题的能力 3 迅速准确的进行工程计算的能力 计算机应用能力 4 用简洁的文字 清晰的图表来表达自己设计思想的能力 2 2 课程设计题目和要求 课程设计题目和要求 题目 带 PID 的液位控制系统 要求 1 要求设计液位系统 要求通过阀门准确控制液位 采用带有增量式的 PID 要求无余差 超调小 加热速度快 2 硬件采用 51 系列单片机 3 采用 keil c 作为编程语言 采用结构化的设计方法 4 3 3 设计内容 设计内容 3 13 1 课程设计的方案课程设计的方案 在工业生产过程中 如图 2 1 所示的加热炉 为了保证生产正常进行 物料进出均需平衡 炉内温度也需恒定 选择被控参数 根据工艺可知 加热炉的液位要求维持在某给定值上下 所以直接选取液位为被控参数 加热炉的温度则以炉壁的温度为被控参数 选择控制参数 液位控制以流出加热炉的物料流量为控制参数 温度控 制以供给燃料的流量为控制参数 选择调节阀 液位控制为保证不产生溢出 选用气关式 选择对数流量 特性 温度控制燃料为可燃性物质 为保证安全 选用气开式 选择对数流 量特性 选择控制器 因为需精确控制液位和温度 且无余差 超调小 加热速 度快 调节器采用 PID 作用 液位控制的控制器用正作用调节器 温度控制 的控制器用反作用调节器 5 图 2 1 系统流程图 图 2 2 是基于单片机为控制器单容加热炉液位和温度控制系统的基本组 成硬件框图 主要由液位传感器 进水阀门 出水阀门 温度传感器 燃 料阀门 A D 转换电路 D A 转换电路 键盘电路 显示电路 单片机 51 系列 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 温度传感器利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度 转换为电量的器件 单片机信号得经由计算机 PID 算法计算传回 工作原理 控制入水阀门的流量 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 同时 温度传感器检测炉壁温度 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 路实时显示炉壁温度的实际值 信息数据经过 D A 转换控制燃料流入阀门 的开闭 6 图 2 2 系统框图 图 2 3 系统液位控制框图 7 图 2 4 系统温度控制框图 3 23 2 硬件设计硬件设计 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 13 2 1 传感器模块传感器模块 1 液位传感器 本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器 如下图所示它是一款 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 8 柯普乐浮球液位传感器 2 AD590数字温度传感器 品牌 昆仑中科 类型铂热电阻 型号 AD5 系列分度号AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源 具有线性优良 性能稳定 灵敏度高 无需补偿 热容量小 抗干扰能力强 可远距离测温且使用方便等优点 测温范围为 55 150 电源电压范围为 4V 30V 它可测量热力学温度 摄氏温度 两点温度差 多点最低温度 多点 平均温度的具体电路 广泛应用于不同的温度控制场合 3 2 23 2 2 A DA D 转换和转换和 D AD A 转换模块转换模块 该模块 A D 转换选用 ADC0804 它是属于连续渐进式 Successive Approximation Method 8 位单通道的 A D 转换器 工作电压 5V 模拟输 入电压范围 0 5V 分辨率 8 位 转换值介于 0 255 之间 转换时间 100us 转换误差 1LSB 这类型的 A D 转换器除了转换速度快 几十至几百 us 分辨率高外 还有价钱便宜的优点 普遍被应用要求不高的场合 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 9 3 2 33 2 3 按键模块按键模块 本次设计中有复位 开始和停止按钮 如图 3 1 3 2 所示 图 3 1 复位按钮 图 3 2 开始 停止按钮 3 2 43 2 4 显示模块显示模块 本设计温度显示采用 2 位 LED 数码管显示电路 LED 数码管实际上是由七 个发光管组成 8 字形构成的 加上小数点就是 8 个 如图 3 3 所示 这些段分 别由字母 a b c d e f g dp 来表示 当数码管特定的段加上电压后 这些特定 的段就会发亮 以形成我们眼睛看到的字样了 为了便于实时显示 本设计采 用动态显示 用 74LS164 驱动 液位显示用 LCD1602 它显示的内容为 16X2 即可以显示两行 每行 16 个 字符液晶模块 显示字符和数字 如图 3 4 所示 工作电压 5V 对比度可调 内含复位电路 能提供各种控制命令 如 清屏 字符闪烁 光标闪烁 显示移 位等多种功能 微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧 常用在袖珍式仪 表和低功耗应用系统中 本设计用 74hc595 驱动 图 3 3 LED 数码管 图 3 4 LCD1602 10 3 33 3 软件设计软件设计 3 3 13 3 1 PIDPID 算法算法 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 0 1 t D P I T de t u tKe te t dt Tdt 2 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 11 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 P K 快 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 P K 小 则会降低调节精度 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 I T 过小 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 I T 调 若过大 将使系统静态误差难以消除 影响系统的调节精度 I T 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 D T 延长调节时间 而且会降低系统的抗干扰性能 3 3 23 3 2 增量型增量型 PIDPID 控制算法控制算法 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 12 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 O T 式 4 2 可得离散的 PID 表达式为 4 5 0 1 k D P j I TT u kKe ke je ke k TT 或 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 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 k A 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 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 13 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 只要使用前后 3 次测量值的偏差 即可由式 4 11 或式 4 P K I K D K 12 求出控制增量 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 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 0 k j u ku j 而目前较多的是利用算式通过执行软件来完成 1 u ku ku k 14 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 5 PID 增量型控制算法流程图 3 3 33 3 3 主程序控制流程主程序控制流程 15 图 4 6 液位控制主程序流程图 16 燃料阀保持原开度 系统初始化 读取炉壁温度 温度值送显示 显示值等于设 定值 A D 转换 设定值扫描 有设定值 控制燃料阀开度比例 读输入值 偏差计算 PID N 系统上电 图 4 6 温度控制主程序流程图 Y N 17 3 3 43 3 4 部分程序部分程序 PIDPID 部分 部分 include define uint unsigned int define uchar unsigned char uchar code table1 err void main int PID uint err uint pid p pid i pid d Int Kp 50 Ti 50 Ki Td 0 01 Kd while 1 pid p kp err pid i err pid d err pid pid p ki pid i kd pid d return pid 18 4 4 设计总结设计总结 经过一周的课程设计 使我深刻的感受到所学知识的综合使用 像 PID 的 运用 单片机的运用 C 语言编程 protel 画原理图 检测与转换技术的传感 器等 一开始设计时还真有点迷茫 只能重新翻开以前的书本 才一点一点的 理解过来 有了思路 而且以前不是特别明白或根本就不懂的地方 通过重新 学习和实践弄懂了不少 对它们的原理有了更深的认识 也使我感受到了理论 与实践相结合的重要性 不但使我对所掌握的知识有了更深刻的认识 还提高 了我独立思考能力 遇到不懂的地方要的动手