基于单片机的液位系统设计开题报告.doc

沈阳航空航天大学自动化学院毕业设计(论文)开 题 报 告学生姓名： 刘丽萍 学 号： 2009040702040 专 业： 自动化 指导教师： 刘艳梅 负责教师： 刘艳梅 论文题目：基于单片机的液位控制系统2013年 3 月10 日一、立题意义温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简单，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。本设计将研究的内容及研究的意义。二、研究内容及目标 模拟量闭环控制较好的方法之一是PID控制，现在依然广泛地被应用。人们在应用的过程中积累了许多的经验，PID的研究已经到达一个比较高的程度。 PID 控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID 算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。在S7-200 中PID 功能是通过PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。本设计由PLC实现温度PID控制算法设计，并应用组态软件实现上位机控制界面的设计。具体内容： （1）学习并掌握序PID控制器的使用原理和方法；（2） 学习西门子S7-200可编程序控制器工作原理和编程方法；（3） 学习组态软件，进行系统软硬件测试。 目标： （1）温度稳态控制精度5；（2） 温度超调5；（3） PID控制参数自整定。三、实现方案(方法、手段等可行性内容)本设计是基于PID控制原理应用PLC来实现温度的定值控制，PID控制它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，PID调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零。比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。其特点是具有快速反应，控制及时，但不能消除余差。在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制可以消除余差，但具有滞后特点，不能快速对误差进行有效的控制。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。在微分控制(D)中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制具有超前作用，它能猜测误差变化的趋势。避免较大的误差出现，微分控制不能消除余差。 PID控制，P、I、D各有自己的长处和缺点，它们一起使用的时候又和互相制约，但只有合理地选取PID值，就可以获得较高的控制质量。本设计中PID 功能是通过S7-200 PID 指令功能块实现的。通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。1系统设计本设计用PLC来实现PID温度定值控制的系统框图如图1所示,控制器为PLC,被控变量为温度，执行器为调压器。图1 系统原理图 3、 硬件设计 控制器选用西门子公司的S7-200系列PLC, 能够进行PID控制。S7-200CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）。传感器选用热电阻，热电阻是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成电信号输出，以满足信息的控制要求。 执行器选用调压器，通过调节调压器两端电压来实现温度控制。4、 软件设计模拟量输入模块传感器检测到温度转换成电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压转换成数字信号再传送入PLC中进行处理。模拟量输出模块PLC模拟量输出模块是把PLC检测到的数字信号转化成温度信号，送到调压器中进行处理。PID控制模块S7-200 的编程软件Micro/WIN 提供了PID 指令向导，以方便地完成这些转换标准化处理。除此之外，PID 指令也同时会被自动调用。新版编程软件STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个PID 调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID 参数。对于没有“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID 手动调节。上位机监控界面组态软件能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势 曲线等，可便利的生成各种报表。5、 可能出现的问题PID控制回路的参数整定是模拟量闭环控制中的一个难点，如果初始参数选择不当，可能会出现很大的超调量，甚至使系统不稳定。系统加入自整定功能后，可以进行调整，但是前提整个PID控制回路必须相对稳定的条件下，输出、反馈变化平缓，并且使反馈比较接近给定。否则PID的自整定参数就可能不会可靠。四、参考文献 1肖军、 孟令军，可编程控制器原理及应用，北京，清华大学出版社，20082王仁祥，现代电气控制与PLC应用教程，北京，机械工业出版社，20053祁文钊、霍罡，CS/CJ系列PLC应用基础及案例,北京，机械工业出版社，20064黄友锐、 曲立国，PID控制器参数整定与实现，北京，科学出版社，20035崔坚、赵欣,西门子S7可编程序控制器:STEP7编程指南，北京，机械工业出版社，20106蔡自兴，智能控制: 基础与应用，北京，科学出版社，19987涂序彦, 王枞, 刘建毅，智能控制论，北京，科学出版社,20108刘华波，西门子S7-200 PLC编程及应用案例精选，北京，机械工业出版社,2009.9宋极群，过程控制系统基础与实践，北京，化学工业出版社,201110程子华, 詹永瑞，视频学工控:西门子S7-200 PLC应用技术，北京，人民邮电出版社,2010五、计划进度一览表 （阶段内容再具体些）序号阶 段 及 内 容起止时间阶 段 成 果 形 式1选题：选题及查阅资料第7学期19-20周