帶PID的液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)概要

1、過程控制課程設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：210992專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化（1）班指導(dǎo)教師:二O二年六月十五 日目錄1. 課程設(shè)計(jì)目的 32. 課程設(shè)計(jì)題目和要求 33. 設(shè)計(jì)內(nèi)容 43.1 課程設(shè)計(jì)的方案 43.2 硬件設(shè)計(jì) 7.3.3 軟件設(shè)計(jì) 104. 設(shè)計(jì)總結(jié) 185. 參考書目 18附錄 191、課程設(shè)計(jì)目的通過本課程設(shè)計(jì) , 主要訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的以下能力 :(1) . 查閱資料：搜集與本設(shè)計(jì)有關(guān)部門的資料 ( 包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn) 現(xiàn)場中搜集 ) 的能力；(2) . 方案的選擇：樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性 , 又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性 并注意提高分析和解決實(shí)際問題的能力；

2、(3) . 迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力 , 計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；(4) . 用簡潔的文字 , 清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。2、課程設(shè)計(jì)題目和要求題目： 帶 PID 的液位控制系統(tǒng)要求：1. 要求設(shè)計(jì)液位系統(tǒng)，要求通過閥門準(zhǔn)確控制液位，采用帶有增量式的PID，要求無余差，超調(diào)小，加熱速度快。2.硬件采用 51 系列單片機(jī)。3 采用 keil c 作為編程語言，采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法3、設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 課程設(shè)計(jì)的方案在工業(yè)生產(chǎn)過程中，如圖 2.1 所示的加熱爐，為了保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，物 料進(jìn)出均需平衡，爐內(nèi)溫度也需恒定。選擇被控參數(shù)：根據(jù)工藝可知，加熱爐的液位要求維持在某給定值上下， 所以直接

3、選取液位為被控參數(shù)。加熱爐的溫度則以爐壁的溫度為被控參數(shù)。選擇控制參數(shù)：液位控制以流出加熱爐的物料流量為控制參數(shù)。溫度控 制以供給燃料的流量為控制參數(shù)。選擇調(diào)節(jié)閥：液位控制為保證不產(chǎn)生溢出，選用氣關(guān)式，選擇對(duì)數(shù)流量特 性。溫度控制燃料為可燃性物質(zhì)，為保證安全，選用氣開式，選擇對(duì)數(shù)流量特 性。選擇控制器：因?yàn)樾杈_控制液位和溫度，且無余差，超調(diào)小，加熱速度 快，調(diào)節(jié)器采用 PID 作用。液位控制的控制器用正作用調(diào)節(jié)器，溫度控制的控 制器用反作用調(diào)節(jié)器。圖2.1系統(tǒng)流程圖圖2.2是基于單片機(jī)為控制器單容加熱爐液位和溫度控制系統(tǒng)的基本組 成硬件框圖。主要由液位傳感器，進(jìn)水閥門，出水閥門，溫度傳感器，

4、燃料 閥門，A/D轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，鍵盤電路，顯示電路，單片機(jī)（51系 列）組成。液位傳感器可精確快速的測量微小液位差，把差值轉(zhuǎn)換為電參數(shù) 的器件。溫度傳感器利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為 電量的器件。單片機(jī)信號(hào)得經(jīng)由計(jì)算機(jī) PID算法計(jì)算傳回。工作原理：控制入水閥門的流量，液位傳感器檢測液位，與設(shè)定值相比 得到的差值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)中，經(jīng)過 PID算法分析傳回單片機(jī)， 控制顯示電路實(shí)時(shí)顯示液位的實(shí)際值，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換控制出水閥門的開閉。同時(shí)，溫度傳感器檢測爐壁溫度，與設(shè)定值相比得到的差值經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)中，經(jīng)過PID算法分析傳回單片機(jī)

5、，控制顯示電路實(shí)時(shí)顯 示爐壁溫度的實(shí)際值，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換控制燃料流入閥門的開閉。圖2.2系統(tǒng)框圖圖2.3系統(tǒng)液位控制框圖擾功圖2.4系統(tǒng)溫度控制框圖3.2硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)模塊中包括 CPU復(fù)位電路和晶振傳感器模塊1、液位傳感器本次設(shè)計(jì)中差壓傳感器選用柯普樂浮球液位傳感器。如下圖所示它是一款根據(jù)浮力原理，并采用三線分壓器原理對(duì)也未進(jìn)行測量及信號(hào)得變送。浮球內(nèi)磁鋼的磁力線穿過導(dǎo)管，感應(yīng)導(dǎo)管內(nèi)干簧與電阻鏈，由此產(chǎn)生的電壓與液位成正比例 關(guān)系。工作原理簡單應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)于液位的連續(xù)測量，能可靠穩(wěn)定獲取液位 信號(hào)，不受被測介質(zhì)的物理化學(xué)狀態(tài)變化影響， 支持信號(hào)源距離傳送。適用范圍

6、: 溫度：-80 C +200C ；壓力：真空100Mpa耐腐蝕性強(qiáng)，適用于各種場合。誤 差在20mn之內(nèi)?？缕諛犯∏蛞何粋鞲衅?、AD59數(shù)字溫度傳感器，品牌昆侖中科類型鉑熱電阻型號(hào)AD5-系列分度號(hào)AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。具有線性優(yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可 遠(yuǎn)距離測溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)，測溫范圍為-55 C+150C,電源電壓范圍為4V 30V,它可測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均 溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換模塊該模塊 A/D轉(zhuǎn)換選用 ADC0804它是屬于連

7、續(xù)漸進(jìn)式(Successive Approximation Method ) 8位單通道的A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓：+5V,模擬輸入 電壓范圍：0+5V,分辨率：8位，轉(zhuǎn)換值介于0255之間。轉(zhuǎn)換時(shí)間：100us 轉(zhuǎn)換誤差：土 1LSB 這類型的A/D轉(zhuǎn)換器除了轉(zhuǎn)換速度快(幾十至幾百us)、分辨率高外，還有價(jià)錢便宜的優(yōu)點(diǎn)，普遍被應(yīng)用要求不高的場合。DAC0832是 8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到 廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電 路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。32

8、3按鍵模塊本次設(shè)計(jì)中有復(fù)位，開始和停止按鈕，如圖3.1、3.2所示y】cap圖3.1復(fù)位按鈕3.2.4顯示模塊圖3.2開始、停止按鈕本設(shè)計(jì)溫度顯示采用2位LED數(shù)碼管顯示電路。LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè) 發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。如圖3.3所示，這些段分別由 字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了，為了便于實(shí)時(shí)顯示，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài) 顯示，用74LS164驅(qū)動(dòng)。液位顯示用LCD1602 它顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè) 字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字），如圖3.4所示。工作電壓+5

9、V,對(duì)比度可調(diào)， 內(nèi)含復(fù)位電路，能提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移 位等多種功能，微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀 表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)用 74hc595驅(qū)動(dòng)。圖 3.4 LCD16023.3軟件設(shè)計(jì)算法在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。r(t)c圖4.1 PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)(4-1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線

10、性組合可以構(gòu)成控制量， 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器。它的控制規(guī)律為u(t)二 Kp e(t)Jde(t)】dt(4-2)寫成傳遞函數(shù)形式為G(s)U(s)E(s)1-Kp(1TdS)TiS(4-3)式中 Kp比例系數(shù);T 積分時(shí)間常數(shù)；Td 微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié)用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng) 態(tài)特性變壞。2、

11、積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。T|越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但T|過 小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象， 從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。 若 T|過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的 變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 Td過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延 長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。增量型PID控制算法現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代 替微分，則可作如下近似變換："kT(k =0,1,2,川)tkke(t)dt T e(jT) e

12、(j)(4-4)j=0j=0de(t) _ e(kT) e(k1)T e(k)e(k1)l dt T- T .式中T采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采用周期 T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去To將式(4-4)代入式(4-2)，可得離散的PID表達(dá)式為u(k)=心 e(k) e(j) 匹e(k)-e(k-1)lIT| y TJku(k)二 KPe(k)e(j)KDe(k) - e(k-1)1式中k 采樣序號(hào)，k=0,1,2，Hi ；u(k)第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;(4-5)(4-6)j=oe(k)第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k

13、-1)第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;K| 積分系數(shù)，K| =KpT/T ；Kd 微分系數(shù)，Kd 二 KpTd/T ；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量(例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī))時(shí)，可由式(4-6)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得kUu(k-1) =Kpe(k-1) Ke(j) KDe(k-1)-e(k-2)(4-10.)j=0用式(4-6)減式(4-10)，可得Lu(k)二 KP【e(k) -e(k-1) K2(k)ae(k)-2e(k-1) e(k-2)二 KP e(k) Qe(k) KD e(k) - e(k1)(4-11)式中：e(k) =e(k) _e(k 一1)圖4.4增

14、量型PID控制系統(tǒng)框圖式（4-11）稱為增量式PID控制算法。圖4.4給出了增量式PID控制系統(tǒng)示意圖?？梢詫⑹剑?-11）進(jìn)一步改寫為.心（k） = Ae（k） - Be（k -1） Ce（k -2）（4-12）式中 A = Kp（1 * 半）、B=Kp（1 2半）、C=KPTD/T它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T, 一旦確定了 Kp、Ki、 Kd，只要使用前后3次測量值的偏差，即可由式（4-11 ）或式（4-12）求出控 制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量 u（k）對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置

15、（閥門開度）的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累ku（ku（j）需采用一定的方法來解決，例如用有積累作用的元件來實(shí)現(xiàn)；而j =o目前較多的是利用算式u（k） =u（k -1） *：u（k）通過執(zhí)行軟件來完成。圖4.5 PID增量型控制算法流程圖主程序控制流程圖4.6液位控制主程序流程圖圖4.6溫度控制主程序流程圖部分程序（ PID 部分）#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table1="err"void main()int

16、 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;4. 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過一周的課程設(shè)計(jì)，使我深刻的感受到所學(xué)知識(shí)的綜合使用，像PID的運(yùn)用，單片機(jī)的運(yùn)用，C語言編程，protel畫原理圖，檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器 等，一開始設(shè)計(jì)時(shí)還真有點(diǎn)迷茫，只能重新翻開以前的書本，才一點(diǎn)一點(diǎn)的理解 過來，有了思路。而且以前不是特別明白或根本就不懂的地方，通過重新學(xué)習(xí)和實(shí)踐弄懂了不少，對(duì)它們的原理有了更深的認(rèn)識(shí)。也使我感受到了理論與實(shí)踐相 結(jié)合的重要性，不但使我對(duì)所掌握的知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)， 還提高了我獨(dú)立思 考能力。遇到不懂的地方要的動(dòng)手查閱資料或問同學(xué)、老師。這次設(shè)計(jì)為以后的學(xué)