基于单片机的水箱液位控制系统设计

1、黑龙江东方学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）基于单片机的水箱液位控制系统设计学 部 计算机科学与电气工程学部专 业 电气工程及其自动化 姓 名 韩国成 学 号 064160106 班 级 06级1班 指导教师 刘金琪 答辩日期 2010年5月22日 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（一）姓名韩国成学号064160106专业班级电气工程及其自动化1班总成绩毕业论文（设计）题目：答辩委员会评语答辩成绩主任签字： 年 月 日答辩委员会成员签字学部毕业论文（设计）领导小组意见组长签字： 年 月 日 学部公章黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（二）姓名韩国成学号064160106专业

2、班级电气工程及其自动化1班毕业论文（设计）题目：基于单片机的水箱液位控制系统设计指导教师评语指导教师成绩指导教师签字： 年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（三）姓名韩国成学号064160106专业班级电气工程及其自动化1班毕业论文（设计）题目：基于单片机的水箱液位控制系统设计评阅教师评语评阅教师成绩评阅教师签字： 年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）任务书姓名韩国成学号064160106专业班级电气工程及其自动化一班毕业论文（设计）题目：基于单片机的水箱液位控制系统设计毕业论文（设计）的立题依据1) 通过毕业设计进一步加深理解电工电子、单片机技术、控制理论、过程控制系

3、统等所学课程的内容。2) 掌握过程控制系统的工程设计方法。3) 掌握51单片机的工程应用方法。4) 掌握过程控制系统的工程实验调试方法。主要内容及要求1） 查阅国内外资料，了解连续生产过程的现代控制技术和方法，了解过程控制系 统的国内外发展动态。2） 进行方案论证和方案分析；采用执行机构采用交流变频器交流电机水泵 的结构形式，控制水箱的液位高度。3） 单片机控制器设计，完成PID调节的控制功能。4） 实验验证：进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，分析实验结果。进度安排2009.10-200911 熟悉设计题目内容、查找资料、复习过程控制、51单片机应用的基本知识、调研，写出开题报告。20

4、09.11-200912 在实验装置上进行液位控制试验，掌握双容水位过程控制特点，进行液位过程控制系统的总体方案设计。2009.12-2010.01 设计以51单片机为核心的PID调节器的硬件电路和程序编写。2010.03-2010.04 双容液位过程控制系统的实验调试及参数整定，同时进行单片机控制器软件的调试。2010.04-2010.05 撰写毕业论文,结题、准备毕业答辩。学生签字：指导教师签字：年 月 日黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）基于单片机的水箱液位控制系统设计摘 要介绍一种基于单片机实现的水箱液位控制系统的设计方法，该控制系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现控制的目

5、的。可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。本文根据毕业设计任务书得要求重点分析了单片机的水箱液位PID控制系统的工作原理、特点、PID匹配关系等。关键词：自动检测系统；过程控制；电路结构；PID设计；单片机33 Based on SCM Tank Level Control System DesignAbstractIntroduces a method based on single c

6、hip microcomputer control system of water level, the design method of control system based on singlechip, through the peripheral hardware circuit to realize the aim of control. According to need to set the level control, along with alarm, high altitude display function, due to the increased gas pres

7、sure sensor, which does not contact with liquid surface, poisonous, corrosive liquid level control, and has high value. This controller can be used not only in the school teaching research, also can be used in the actual production, is the relatively lack of a product. According to requirements of g

8、raduation design specification mainly analyzed the water level chip PID control system of the working principle, features, PID matching relation, etc.Keywords:Automatic;detection;system;Process;control;Circuitstructure;PIDdesign.目录 摘要Abstract第1章 绪论1 1.1 过程控制系统的发展动态 1 1.2 生产过程的现代控制技术和控制方法 31.3 过程控制系统

9、发展状况 41.3.1 过程控制系统体系结构的发展 41.3.2 过程控制检测仪表和执行机构的发展 51.3.3 过程控制策略的发展61.4 课题设计的目的和意义 7 第2章 液位控制系统分析 8 2.1 过程控制系统的特点 8 2.2 单溶液位系统 102.3 双容液位系统 112.4 本章总结 12第3章 水箱液位控制系统的设计方案 13 3.1 总体设计方案 13 3.2 调节器的设计 133.3 水箱液位控制系统的软件设计 203.4 本章总结 22 结论 23参考文献24附录25致谢26基于单片机的水箱液位控制系统设计第1章 绪 论随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制系统

10、广泛应用于电子产品中，为了使我们对单片机控制的智能型控制系统有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型水箱液位控制系统作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水箱液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。本文介绍一种基于单片机实现的水箱液位控制系统的设计方法，该控制系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现控制的目的。可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液

11、体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时使测量值与给定值无偏差存在。一般言

12、之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti选择合理，也能使 表1-1 PID调节器的参数整定系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。1.1 过程控制系统的发展动态随着人们物质生活水平的提高以及市场竞

13、争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以

14、及节省能源等均起着十分重要的作用。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。本期中国重型机械研究院自动化研究所米进周和高朝波撰写的连铸过程控制系统的研究和应用详细阐述了作为钢铁企业实现企业信息化管理重要组成部分的连铸过程控制系统，集成了先进的工艺数学模型和控制技术，使铸坯质量得到极大提高、生产管理更加方便，增

15、强了企业竞争力，发展前景十分广阔。过程控制是自动化技术的重要分支，在石化、电力、冶金、轻工等连续型生产过程中有着广泛的应用。今年来。过程控制技术本身及其应用领域得到了迅速发展。无论是在现代复杂工业生产过程中，还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。自20世纪90年代以来，作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域的到了迅速的提高和发展。自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各

16、个行业现代化水平的重要标志。过程控制（Process Control）通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调节生产过程，生产效率很低。40年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术（自动化技术也是IT技术的组成部分）的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。过程控制装置与系统的

17、发展历程，大致经过以下几个阶段。1.局部自动化阶段20世纪50年代，过程控制技术开始得到发展。在这一阶段过程控制系统绝大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；控制的目的书保持这些工艺参数的稳定，确保生产安全。当时的生产规模比较小，多用气动仪表进行测量与控制，采用0.02-0.1MPa的气动信号作为统一标准信号，压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制，主要解决在生产过程较为正常的情况下，为满足工艺要求的参数而进行的定制控制问题。大多数测量仪表分散在各生产单元工艺设备上，操作人员在生产现场查看仪表及采取相应的操作。20世纪50年代后期-60年代，先后出现了气动

18、和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。这对当时迫切希望提高设备效率和扩大生产过程规模的要求起到了有力的促进作用，适应了工业生产设备日益大型化与连续化的客观需要。2.集中控制阶段20世纪60年代，工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂、产品质量越来越高，也对过程控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。随着电子技术的迅猛发展，半导体产品取代了电子真空管。随后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性大为提高，逐步取代了气动仪表。过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。为了提高控制质量

19、和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案，如串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制等。特别是前馈控制、选择控制品质、安全性大为提高。前馈控制使控制质量显著提高；选择控制自动实现保护型自动控制，以避免强制性连锁停车，改变了过去不得不切向手动或被迫连锁停车的状况，从而扩大了自动化的范围。以此同时，计算机开始在库存控制领域应用。3.集散控制阶段20世纪70年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高，采用冗余技术和自诊段措施的工业计算机完全满足工业控制对可靠性的要求，为新的过程控制仪表、装置于系统的设计开发提供了强有力的支持。大型生产过程一般都是分散系

20、统，使生产过程控制分散进行、整个生产过程的监视、操作与管理相对集中的设计思想被大型过程控制系统生产商和用户普遍接受。基于集中管理，分散控制理念，在数字化仪表和技术基于网络技术基础上开发的集散性控制系统在大型生产过程控制中得到广泛应用，使课程控制系统的控制功能、可靠性、安全性、可操作性以及经济效益等方面都达到了新水平。课程控制系统的结构也有单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定制控制发展到最优控制、自适应控制等。进入20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散性控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性

21、、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生质的飞跃。工厂自动化、技术及集成过程控制、技术及集成制造系统和企业资源综合规划等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。1.2 生产过程的现代控制技术和控制方法 从20世纪40年代开始至今，采用 PID控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进行控制系统的分析和设计。从20世纪60年代初期逐渐发展起来的以状态空间为基础的现代控制理论日趋完善，形成了状态反馈、状态观测器、最优控制等一系列多变量控制系统的设计方法。随着过程工业日益走向大规模、复杂化，出现了先进过程控制，如自适应

22、控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属于先进控制。随着科学技术的迅速发展，现代控制理论在经典理论的基础上得以建立和发展，在工业控制领域以及其他领域，如航空航天、核技术、生物工程等新兴领域中发挥着越来越重要的作用。现代科学技术的迅速发展，对自动控制的精度、速度、范围及适应能力的要求越来越高，从而推动了自动控制理论和技术的迅速发展，从1932年奶奎斯特发表反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论学科走过了60年的发展历程。可以这样划分：前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段；后30年是现代控制理论的形成和发展阶段。经典控制理论是一种单回路线性控制理论，只适用于单输入单输出控制

23、系统。主要研究对象是单变量常系数线性系统，系统数学模型简单，基本分析和综合方法是给予频率法和图解法。若引入等效的线性化环节，把相应线性控制系统的概念和分析方法进行修正和开拓，经典控制理论也可以有效地处理简单的非线性控制系统。经典控制理论的研究对象、数学方法和计算手段与讲点控制理论比较，具有如下特点：1.控制对象结构的转变控制对象结构由简单的单回路模式向多回路模式转变，即从单输入单输出向多输入多输出转变。它可以处理极为复杂的工业生产过程的优化和控制问题。2.研究工具的转变积分变换法向矩阵理论、几何方法转变，由频率法转向状态空间的研究。由于计算机技术的发展，使手工计算转向计算机计算。3.建模手段的

24、转变由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识的统计建模方法。由此可知，控制理论研究不再局限于简单常系数线性系统模式，而是研究更为复杂的各类系统。由于航天技术、信息技术和制造工业技术的革命，要求控制理论能处理更加复杂的系统控制问题，提供更加有效的控制策略，因而促使现代控制理论不断发展，出现了许多分支，如最优控制理论、最优估计理论、随机控制理论、非线性控制理论、大系统理论以及最近备受关注的模糊控制理论、智能控制理论等。1.3 过程控制系统发展状况 随着现代工业生产的迅速发展，作为自动控制技术重要部分的过程控制技术也得到迅猛发展。工业生产过程控制的发展历程，可以根据其组成话话化划分为体系

25、结构、检测仪表和执行机构、控制策略三部分。1.3.1 过程控制系统体系结构的发展 回顾工业生产自动化的发展历程，过程控制体系结构大致经历三个发展阶段。 （1）仪表化与局部自动化阶段：20实际5060年代 仪表化与局部自动阶段的主要特点是：采用过程检测和控制仪表主要为基地式仪表和部分单元组合仪表，而且多数是气动仪表；过程控制系统实现单输入-单输出的单回路定制控制；被控量主要是温度、压力、流量和液位等生产过程中的热工参数；系统设计和分析的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。这一阶段的控制目的主要是保持上述工艺参数的稳定和生产安全。 （2）综合自动化阶段：20世纪6070年代 工业生产

26、的不断发展对过程控制提出了新的要求，电子技术的发展也为生产过程自动化的发展提供了条件。在这一阶段，出现了一个车间乃至一个工厂的综合自动化，其主要特点是：大量采用单元组合仪表（包括气动和电动）和组装式仪表。同时，计算机也开始应用于过程控制领域，实现直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）和设定值控制（Set PointControl，SPC）。在过程控制系统的结构方面，为提高控制品质，满足一些特殊控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，如串级控制、前馈-反馈控制及比值、均匀、分程控制等。过程控制系统分析与设计的理论基础，从经典控制理论发展到现代控制理论，以满足更为复杂的

27、控制需求。 （3）全盘自动化阶段 这一阶段，微型计算机广泛用于过程控制领域，实现了整个工艺流程、全工厂乃至整个企业的操作管理和控制。过程控制体统结构从单变量单回路的仪表控制系统发展到多变量多回路的微机控制系统，并经历了直接数字控制、集中控制、分散控制和集散控制几个发展阶段，进入计算机集成过程控制系统（Computer Integrated Process Contrel，CIPC）阶段。所谓CIPC是指利用计算机技术，对整个企业的运行过程进行综合管理和控制，包括生产计划调度、产品分配、成本管理和工艺过程控制、优化等。20世纪90年代，随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，出现了现场总线

28、控制系统（Fieldbus Control System，FSC），它是上述技术与自动控制技术相结合的产物。控制系统中的各种仪表单元随之也进入了网络时代，并深刻的改变了传统过程控制系统一对一的基本结构和连接方式，从而构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互联、多变量、多点和多站的通信和控制系统，它是过程控制系统的发展方向。1.3.2 过程控制检测仪表和执行机构的发展过程控制检测仪表和执行机构的发展是与其体系结构的发展相适应的。（1）基地式仪表基地式仪表是把检测、显示和控制等环节放在一个表课内，可就地安装的仪表。它以指示，记录仪表为主体，附加控制机构而组成，不仅能对某变量进行指示或记录，还具有

29、控制功能。基地式仪表功能较完全，可以减少管线连接所导致的滞后，常用于中昂小企业里输将不多或分散的就地控制系统和单机的局部控制系统。（2）单元组合式仪表单元组合式仪表是根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用需求，将仪表做成能实现某种功能的独立单元，包括:变松单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给丁单元和辅助单元。上述各单元之间采用统一的标准信号彼此联系。这些单元可以进行灵活组合，构成功能多样的自动监测和控制系统。这类仪表使用灵活、通用性强，适用于中、小型企业的自动化系统。（3）智能仪表以微处理器为核心，采用先进传感器与电子技术的智能变送器和智能阀门定位器是新型现场变送类和

30、执行类仪表，其精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越。它们可输出全数字信号或模拟数字混合信号，并且可以通过现场总线通信网络与计算机相连接，能满足集散系统和现场总线控制系统的应用要求。1.3.3 过程控制策略的发展 （1）经典控制策略：20世纪50年代以前 这个阶段以微分方程和传递函数为基础，采用时域分析方法、S域分析法和频域分析方法对系统进行研究。PID控制策略是这一阶段的主要成果。PID控制规律原理简单、易于实现，适用于没有时间延迟的单回路控制系统。在该阶段，通常将一个复杂的过程分解为若干个简单的过程，再采用由单个传感器、控制器和执行器构成的单输入-单输出控制系统完成控制任务。随着生产过程的

31、大型化、控制对象的复杂化，这种简单控制模式已不能满足系统要求，迫切需要新的理论支撑。 （2）现代控制策略：20世纪60年代以后 在该阶段，以状态空间作为分析基础的现代控制理论为新的控制技术发展提供了理论基础。主要包括以最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为基础的最优控制、以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计等。上述分析方法深刻揭示了系统的内在变化规律，为实现全局最优控制提供实现依据。 （3）复杂控制策略：20世纪70年代以后 为解决大规模复杂系统的优化与控制问题，以系统分解与协调、多级递阶优化与控制为核心思想的大系统理论成为研究热点、控制理论研究中心也逐渐从有限维系统转向无穷维系统，

32、从确定性系统转向不确定性和随机性系统，从线性系统转向非线性系统，从可用微分方程描述的系统转向离散事件动态系统。相应出现了非线性控制、自适应控制、随机控制、分布参数系统等众多研究方向。同时，以专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制等为代表的智能控制策略也在该阶段得到迅猛发展。1.4 课题设计的目的和意义1）通过毕业设计进一步加深理解电工电子、单片机技术、控制理论、过程控制系统等所学课程的内容。2）掌握过程控制系统的工程设计方法。3）掌握51单片机的工程应用方法。4）掌握过程控制系统的工程试验调试方法。第2章 液位控制系统分析2.1 过程控制系统的特点 自动控制技术在工业、农业、科技以及人

33、们的日常生活中发挥着重要的作用。自20世纪90年代以来，作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展。自动化技术作为国家高科技的重要重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。 过程控制（Process Control）通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的技术组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。 过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度、PH值和物性等）进行控制，使其保

34、持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。连续性生产过程的特点是特征是：呈流动状的各种原材料在连续（或间歇）流动过程中，伴随着物理变化、化学反应、生化反应、物质能量的转化与传递。连续性生产系统常常要求苛刻的工艺条件，如要求高温、高压等；现场存在易燃、易爆或有害物泄露等危险，生产条件恶劣；需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等。在大型的连续生产系统中，影响生产过程中的因素和条件一般不止一个，各自所起的作用也不同，这就决定了过程控制的复杂性和多样性。大型的连续生产过程是一个十分复杂的大系统，存在不确定性、时变性以及非线性等因素，控制相当困难。实际的

35、生产过程千变万化，要解决生产过程的各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。这就是过程控制要研究和解决的问题。 由于控制对象的特殊性，除了具有一般自动化技术所具有的共性之外，过程控制系统对于其他控制系统还具有以下特点。 1. 控制对象复杂、控制要求多样连续生产过程多种多样，规模大小不同，工艺要求各异，生产的产品差别，因此过程控制的被控过程（也称被控对象）也多种多样。由于机理不同，不同生产过程的控制参数不同，或参数相同，但要求控制的品质可能有很大差别；不同过程的参数变化规律各异，参数之间的关联特性、对生产过程的影响也不一样。有些过程的工作机理也复杂，至今尚未被人们所认识，很难用解析方法得出其

36、精确的动态数学模型；有些生产过程在大型生产设备中进行，它们的动态特性具有大惯性、大时延性的特点，常伴有非线性特性。例如：热工过程中的锅炉、热交换器、动力核反应堆，冶金过程中的平炉、转炉，机械工业中的热处理炉，石油化工中的精馏塔、化学反应器等。而有的生产过程则进行得非常迅速，像压力、流量的变化等。要设计能适应各种过程中的通用控制系统非常困难。由于被控过程（包括被控参数）的多样性，使过程控制系统明显地区别于运动控制系统。 2. 控制方案丰富生产过程的复杂性和工艺要求的多样性，决定了过程控制系统的控制方案必然是多样的。为了满足生产过程中越来越高的要求，控制方案也越来越丰富。既有单变量控制系统，也有多

37、变量控制系统；有常规仪表控制系统，也有计算机集散控制系统；有提高控制品质的控制系统，也有实现特殊工艺要求的控制系统；有传统的PID控制，也有新型的自适应控制、预测控制、推理控制、模糊控制等。这些都说明过程控制的控制方案是十分丰富的。 3. 控制多属慢过程参数控制在流程工业中，常用一些物理量来表征生产过程是否正常。例如石化、冶金、电力、轻工、建材、制药等生产过程中，这些物理量多半是以温度、压力、流量、液位、成分等参数表示，被控过程大多具有大惯性、大滞后等特点，因此，过程控制具有慢过程参数控制的特点。 4. 定值控制是过程控制的一种主要控制形式过程控制不同于航空器的姿态控制和机器人的动作控制，在多

38、数过程控制系统中，其设定值是保持恒定的或在很小范围内变化，过程控制系统的主要目的是减小或消除外界扰动对被控参数的影响，使被控参数维持在设定值或其附近，达到优质、高产、低消耗与生产持续稳定的目标。所以，定值控制是过程控制系统的一种主要控制形式。 5. 过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成过程控制通过采用各种检测、控制仪表和计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测和控制。传统的简单过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表（包括测量元件、变送器、调节器和执行器）两部分组成。图2-1是传统过程控制系统框图。从图2-1中可以看出，组成一个完整的过程控制 图2-1过程控制系统框图系统一般

39、有调节器（在本论文中调节器与控制器含义相同）、执行器、被控过程和测量变送器四个环节，其中调节器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表，所以，也可认为过程控制系统=检测和控制仪表+被控过程 随着过程控制技术的发展，在先进的过程控制系统（如集散控制系统）中，图2中的传统的调节器已被DDC（Direct Digital Control）控制器或计算机控制系统替代。2.2 单容液位系统单容过程是指只有贮蓄容量的过程。单容过程又分为自衡单容过程和无自衡单容过程。对大多数被控过程，其阶跃响应的特点是被控量的变化是单调无振荡、有时延和惯性的。所谓自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，平衡状态被破坏后，无需操作

40、人员或仪表-的干预，依靠自身能够恢复平衡的过程。而无自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，其平衡状态破坏后，若无操作人员或仪表的干预，依靠其自身的能力不能重新恢复平衡的过程。被控过程的数学模型就是与Q1之间的数学表达式。根据动态物料（能量）平衡关系，有 (2-1)写成增量形式 (2-2) 式中,、和分别为偏离某平衡状态Q10、Q20和0的增量；A为贮罐的截面积，设为常量。静态时，应有，。Q1发生变化，液位也随之发生变化，使贮罐出口处的静压力发生变化，因此，Q2也发生变化。设Q2与近似成线性关系，则 (2-3)式中，R2为阀门2的阻力系数，成为液阻。 将式（2-3）代入式（2-20），经整理可得微

41、分方程为 (2-4)式（2-4）经拉普拉斯变换后，得单容液位过程的传揥函数为 (2-5)式中，K0为过程的放大系数，K0=R2、T0为过程的时间常数，T0=R2C；C为过程的容量参数，或称为过程容量，此处C=A。 图2-2 单容液位过程被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。 在过程控制中，常会碰到过程的纯时延问题，例如，物料的传送带输送过程，管道输送过程等。上图中，若以体积容量Q0为过程的输入量（控制量），则阀门1的开度变化后，Q0需流经长度为的管道后才能进入贮罐，使液位发生变化。设Q0流经长度

42、为的管道所需时间为、称为纯时延时间。具有纯时延过程微分方程表达式为 (2-6)写出传揥函数形式 (2-7) 2.3 双容系统模型 在过程控制中，往往碰到由多个容积和阻力阻力件构成的被控过程，称为多容过程。下面仅讨论双容过程的建模方法。图2-3 双容液位过程图2-2为有自衡能力的双容过程。以2为被控参数，Q1为控制参数。那么，根据动态物料平衡关系，可列出下列增量方程：对水箱1 (2-8) (2-9)对水箱2 (2-10) (2-11)式中，C1和C2分别为水箱1和水箱2的容量系数；R2和R3分别为阀2和阀3的阻。从式（2-18）式（2-210中消去、和，并整理得 (2-12)式（2-22）中，令

43、T1=C1R2，T2=C2R3，则得 (2-13)对式（2-23）进行拉普拉斯变换，并分解因式，的传递函数为 (2-14)式中，K0为过程的放大系数，K0=R3；T1为水箱2的时间常数。可见，该液位过程为二阶过程，当输入量Q1阶跃变化时，双容过程的被控参数2的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段时延时间后才达到最大值。这一段时延时间称为容量时延，这是由于两个容积之间存在阻力，致使2的响应时间向后推移的缘故。双容过程也可用于单容过程来近似，其方法是2的响应曲线的拐点D作切线，与时间轴交于A，与2的稳态值交于C，C点在时间轴的投影为B，即为容量时延；即为过程的时间常数T0.于是式（2-24）

44、传递函数可近似写成 (2-15) 在图2-2中，若水箱1与水箱2之间由于管道长度形成纯时延，不难看出其传递函数为 (2-16)式中的。如果过程为n个容积连接，不难求得双容过程的模型为 (2-17)若，则式（2-27）可表示为 (2-18) 2.4 本章小结本章分析了液位控制系统，分析了单容液位控制系统和双容液位控制系统的特点和结构。了解了单容和双容液位控制系统的区别。第3章 水箱液位控制系统的设计方案3.1 总体设计方案框图图3-1 总体设计方案图控制原理：首先由给定值和反馈值进行运算，把运算值送给调节器，再由调节器输出信号给变频器，变频器控制电机旋转，电机再控制泵1抽水给上水箱供水，上水箱再

45、给下水箱供水，控制下水箱水位，检测变送2检测下水箱的水位，把检测值作为反馈值参与给定值的运算。本系统控制结构如图3-1所示，主水箱(下水箱)液位具有较大的延迟，进水箱(上水箱)液位具有明显的导前作用，从而构成了以上水箱为副参数，下水箱为主参数的串级控制系统4_5。系统中的副回路可以很快的消除作用于内回路中的各种扰动，当有扰动咒。()作用于副对象(上水箱)时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路扰动，当扰动竹z()作用于主对象(下水箱)时，由于副回路的存在也使系统的响应加快，消除扰动的影响，使主回路控制作用加强。根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型，选择控制器的控制规律如

46、下6：主调节器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节；副调节器选择比例控制律(P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对系统进行控制，整个回路构成双闭环负反馈系统(如图3-1)。3.2 调节器的设计调节器做控制器方案论证DDZ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。型仪表的主要特点如下：1.采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4-20MA，控制室联络信号为DC1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250欧姆。这种信号制的主要优点是电气零点不是从零开始，而是从4mA开始，容易

47、识别断电、断线等故障。同样，因为最小信号电流不为零，为现场变送器实现俩线制创造了条件。现场变送器与控制室仪表仅用俩根导线联系，DC4-20mA即反映了信号又为现场变送器提供了能源，避免强电进入现场，有利于安全防爆。 2.广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。3.整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ型仪表是按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表能在危险场所中使用。DDZ型仪表的基本型品种是全刻度指示PID调节器。为满足各种特殊控制系统的要求，还有各种特殊控制器，例如断续控制器、自整定控制器、前馈控制器、

48、非线性控制器等。特殊控制器是在基本型控制器的基础上附加各种单元而构成。这里一全刻度指示PID调节器为例介绍DDZ型控制器的组成及操作。 全刻度指示调节器的面板包括：1、自动/软手操/硬手操切换键 2、输入指示器 3、内给定设定轮 4、硬手操杆 5、输出指针 6、软手操杆 7、外给定指示灯 8、阀门调节区域记忆针 9、输出指示器 10、仪表标牌 11、12、手操器插孔液位控制系统中，流入量为Q1，有阀门1的开度u控制Q1的大小：流出量为Q2，随下游工序的需要而变化，其大小由阀门2的开度控制：在阀门2开度不变的情况下，液位越高，储液箱底静压越大，流出量Q2越大。下面以阀门1的开度u为液位过程输入，

49、水位为被控参数即输出，分析阀门1开度u与液位之间的动态关系，建立该过程的数学模型。此系统属慢过程参数控制有大惯性、大滞后等特点。负反馈控制系统的一个主要优点是输出量（被控制量）经检测元件检测后反馈到系统的输入端与给定值相比较，所得的偏差信号经调节器处理后变成一个对被控过程控制的信号，从而实现被控制量排除系统内外扰动的影响而保持基本不变的目的。图3-2所示的流量控制系统就是这样一种系统。该系统的输出随着给定量的大小而变化。流量控制系统与液位控制系统一样，它的控制质量完全取决于所用调节器的结构和参数。比例调节器是调节比例度来实现对系统的控制。一般言之，越小，系统的余差也越小，但超调量等动态性能指标

50、变差。反之，越大，系统的余差也越大，系统的动态过程缓慢，超调量变小。比例积分（PI）调节器产生的控制作用有2 个部分：与偏差成比例部分和偏差的积分部分。由于积分的作用，可使系统无余差产生，但积分时间常数不能太小，否则会使系统的动态性能变差，甚至会不稳定。 比例积分微分（PID）调节器既可以实现无余差又能改善系统的稳定度和响应的快速性，其可调参数有3 个：、Ti 和Td。 图3-2 流量控制系统 基于单片机实现的水箱液位控制系统是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空

51、气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为05 V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。1.硬件设计 液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。2. 单片机单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片，如图3-3所示。其中，P0口用于AD转换和显示；P1口连接一个35的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。图3-4是AT89C51芯片的引脚功能说明。 图3-3 AT89C51芯片外形结构和引脚 图3-3 AT89C51芯片引脚结构图3. 传感