单容水箱液位控制系统设计计算机课设

1、辽宁工业大学微型计算机控制技术课程设计（论文）题目：单容水箱液位控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化074学 号：070302120学生姓名：俞洁华指导教师：（签字）起止时间：2010.12.15 2010.12.24课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化号学吉O俞华Llil 111课程设计论文任务44J、0 0M时H-攵触位谕询站啖ha 液离初善训前？的加&当昴即技上 示WL 第m的用机D设史应如片P、，秋上w种县计0 cm M业域W加设！ 一书。0训 、，阿丸讥朔 何设如为皿德算三+二一诊匕h肪油、一 V 象希n殳：、w >晞范妙沮梭怪马

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3、仿真，并通过整定PID参数，利用MATLAB使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：水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID目录第1章绪论1第2章课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构2第3章硬件设计33.1 单片机最小系统设计 33.2 传感器模块

4、33.3 A/D转换和D/A转换模块 33.4 键盘模块33.5 显示模块4第4章软件设计54.1 PID 算法54.2 位置式PID控制系统 64.3 增量型PID控制算法84.4 PID 计算104.5 主程序控制流程114.6 显示部分12第5章系统测试和分析/实验数据及分析145.1 MATLA 程序145.2 MATLA成象曲线14第6章课程设计总结15参考文献16附录：系统硬件原理图17第1章绪论过程控制是自动技术的重要使用领域，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使用。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

5、，民用水塔的供水，如果水位太低，贝U会影响居民的生活用水；工矿企业 的排水和进水，如果排水或进水控制得当和否，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，控制精度和工艺的高低 会影响产品的质量和成本等。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，弓I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，

6、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控制是控制系统中使用最 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。第2章课程设计的方案2.1 概

7、述本次设计主要是综合使用所学知识，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使用“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算法在现实中使用的基本方法。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

8、液位，和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。传感器液位信号图2.1系统框图第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 干簧和电阻链，由此产生的电压和液位成正比例关系。工作原理简单使用 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

9、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：-80C+200C ;压力：真空1001。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。是目前国内使用最广泛的8位通用A/D芯 片。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。和微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价 格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机使用系统中得到广

10、泛的使用。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行和第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。键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据

11、、查询和控制系统的工45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，一般在单片机使用系统中广泛使用S1S4S7S1 0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

12、本单元是PN结，目前较多采 用磷神化镒做成的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，本设计采用动态八显人示。Title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 制算法及其具体使用。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

13、被控对象组成。c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和实际输出值c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 t p/+1 dt + TDde I ,、u二心 e(t) T,o e dt(4-2)1.1 dt写成传递函数形式为G(s)詈 二心(1 卡(4-3)E(S)Tq式中 Kp 比例系数； Ti 积分时间常数； Td 微分时间常数；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

14、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。心越大，系统的响应速度越快，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。Kp取值过小，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。丁越小，系统的静态误差消除越快，但过小，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调。若1过大，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Td过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节

15、时间，而且会降低 系统的抗干扰性能。1.2 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： IrnkT(k =O,1,2JI|) tkk.oe(t)dt ： T' e(jT) =T' e(j)(4-4)j=0j=0de(t) e(kT) e(k1 )T e(k)e(k1)j dt T - T'式中T采样周期。显然，上述离散化过程

16、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T。将式(4-4)代入式(42),可得离散的PID表达 式为 Tk Td ru(k)二 Kp e(k) e(j)¥ %k)e(k-?(4-5)或ku(k)二 Kpe(k) KA e( j) KD e(k) -e(k-l)l(4-6)j=0 式中k采样序号，k=0,1,2,HI ；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；Ki积分系数，Ki =KpT/T| ；Kd微分系数，Kd 二 KPT°/T

17、；由Z变换的性质ze(k-1)HzJE(z)kz卜 e(j)-j=0E(z) (1-z式(4-6 )的z变换式为U(zaKpE(z) K|-a KdE(Z)-ZE亿)(47)1-z由式(4-7)便可得到数字PID控制器的z传递函数为二心上(4-8) 飞 Kd(1-z,)或者G(Z>=dz 7KP(1-zJ )Ki Kd(1-zJ )2(4-9)数字PID控制器如图4.2所示。图4.2数字PID 控制 器的E(z)丽出K心-Z)Kd(1-ZU(z)U(kT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(

18、4-5)或式(46)为位置式PID控制算法。r(k)PID位置算法u(k)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，所以每次输出均和过去的状态有关，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°1.3 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

19、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k 二u(k 1)=KPe(k-1) Kr e(j) Ke(k-1)-e(k -2)(4-10.)j=O用式用-6)减式(4-10),可得Lu(k) KPe(k) e(k-1) Kp(k) KDe(k) 2e(k-1) e(k -2)=KP ： e(k) Kie(k) KD£(k), e(k-1)(4-11)式中：e(k) = e(k)_ e( k_ 1 )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(411)进一步改写为u(

20、k)二 Ae(k) - Be(k-1) Ce(k -2)(4-12)式中 A 二心(1 T ©) B = Kp(1 2tD) x C 二 KpTd/TTiTT它们都是和采样周期、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 Kp、Ki、Kd,只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式(411)或式(4-12)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(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ku(kA ： u(j)需采用一定的方法来解决，例如用有积

21、累作用的元件来实现；目前较 j=s多的是利用算式u(k)二u(k-1)r： u(k)通过执行软件来完成。由图4.3、图4.4可以看出，就整个系统而言，位置式和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的确定仅和最近k次的采样值有关，所以较容易

22、 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。图4.5 PID增量型控制算法流程图1.4 PID计算因为单容水箱液位控制系统传函是一阶惯性环节。使用MATLAB仿真，直接调试,调节 kp 和 k, kd4.5主程序控制流程图4.6 主程序流程图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

23、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in putd = pv + (in putlast - pv) * (kd / 60)in putlast = pvinputdf = inputdf + (inputd - inputdf) * dfilter / 60output = (sp - inputdf) * (kp /100) + feedbackIf output > 100 Then'出水阀开度取值范围是0100%output

24、 = 100End IfIf output < 0 The noutput = 0End IfHScroll2.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第5章系统测试和分析/实验数据及分析5.1 MATLAB!序5.2 MATLAB成象曲线图5.2 一阶惯性环节MATLA逼序图和 k=0.5, kd=1.3由图得第6章课程设计总结在该系统的构想之初有不少困惑

25、。主要是关于PID算法不知道如何使用到设计中。这次课设还要求有计算机仿真，一涉及到各门学科相联系使用于实践的设计，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和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