基于單片機實現(xiàn)的液位控制器設(shè)計

1、基于單片機實現(xiàn)的液位控制器設(shè)計姓名：陳紅釗 學(xué)號：摘 要本文介紹一種基于單片機實現(xiàn)的液位控制器的設(shè)計方法，該控制器以單片機為核心，設(shè)計出了PID控制系統(tǒng)，并通過外圍硬件電路來達(dá)到實現(xiàn)控制的目的?？筛鶕?jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時具備報警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究價值。該控制器不僅可用于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)研究，還可用于生產(chǎn)實際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：傳感器；AD轉(zhuǎn)換；PID控制器；外圍硬件電路一引 言    隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電

2、子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對模型的設(shè)計可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。工業(yè)液體的液位控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中比較典型的控制應(yīng)用之一,許多控制系統(tǒng)的模型與此類似。以往在該領(lǐng)域比較成熟的控制算法是PID算法。由于過程控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜性、變量間的關(guān)聯(lián)性和非線性等原因,找到一組適合整個系統(tǒng)大范圍控制的合適的PID參數(shù)相當(dāng)困難,這對要求控制范圍寬、響應(yīng)

3、快且連續(xù)可調(diào)系統(tǒng)就顯得力不從心了。另外液位控制對象一般具有純滯后、大慣性,因此液位變化緩慢,系統(tǒng)一般呈非線性2。用常規(guī)PID控制器來控制時,其效果不理想,系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間較長。模糊控制與PID控制相結(jié)合則顯示了巨大的優(yōu)越性。模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強的優(yōu)點,又具有常規(guī)PID控制精度高的特點,在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。二. 系統(tǒng)設(shè)計方案比較說明對于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：    (1 簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控

4、制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進(jìn)行通信較難實現(xiàn)。    (2 復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。    針對上述2種控制方式，以及設(shè)計需達(dá)到的性能要求，這

5、里選擇第二種控制方式。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。三水箱液位系統(tǒng)建模圖1為過程控制實驗室的液位過程控制系統(tǒng)的原理圖。A為液罐的截面面積, h為液位高度, h0為實際液位高度, Qo為系統(tǒng)輸出流量, Qi為系統(tǒng)輸入流量。利用水泵將儲水槽中

6、的水輸出,通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)水流量,采用閉環(huán)串級控制上、下水箱的液位,使水箱液位保持恒定,液位變送器對上、下水箱液位進(jìn)行實時測量。圖3.1 水箱液位控制圖根據(jù)質(zhì)量守恒定律:假定閥的開度為x(t當(dāng)閥全開時,單位時間流過閥的液量為則根據(jù)流體學(xué)有 式(3中m是罐裝閥的結(jié)構(gòu)決定的系數(shù),對于固定閥m值不變,將式(2、(3代入式(1中有用泰勒公式線性式(3化為經(jīng)過拉氏變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為在工程應(yīng)用中因此系統(tǒng)的控制模型為考慮到調(diào)節(jié)閥與實際水箱的入口有一段距離,滯后時間t=l/v,故數(shù)學(xué)模型寫為這樣就將該系統(tǒng)的過程數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)確定了,是含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié),也是控制系統(tǒng)中比較典型的結(jié)構(gòu)。四. 系統(tǒng)硬

7、件和軟件的實現(xiàn)4.1 PID控制在模擬控制系統(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控制器和被控對象組成。圖4.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t與實際輸出值y(t構(gòu)成控制偏差：將偏差的比例(P、積分(I和微分(D通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式式中比例系數(shù)；積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)；簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1比例環(huán)節(jié)即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控制量朝著

8、減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例控制系數(shù)。比例控制的缺點是對于具有自平衡性的被控對象存在靜差。如果將系數(shù)調(diào)整過大來減少靜差會導(dǎo)致動態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。2積分環(huán)節(jié)積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使控制的動態(tài)性能變差，以至于使系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。3微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率

9、，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。對誤差進(jìn)行微分，并能在偏差比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時間和微分時間，使整個控制系統(tǒng)得到良好的性能。模糊控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PD控制器的作用，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動態(tài)特性，而靜態(tài)性能不能令人滿意，無法消除靜態(tài)誤差。由線性控制理論可知，積分控制

10、作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應(yīng)效果不是很好，比例控制作用動態(tài)響應(yīng)快，而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較高的動態(tài)響應(yīng)。因此，把PID控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成模糊PID控制，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。水位控制具有純滯后和容量滯后的現(xiàn)象，水位上升時間長且并不是等速的。由于上升時間長，如果積分參數(shù)過小，容易形成大的靜差，而積分常數(shù)過大又容易引起大的超調(diào)及振蕩；的比例增益不利于系統(tǒng)的上升作用，但大的比例增益又會造成震蕩頻率、振幅很大，使其抗干擾能力很弱，穩(wěn)定性很差。為此，設(shè)計了一種模糊自調(diào)整PID控制器，在整個控制過程中，根據(jù)PID三個參數(shù)對系統(tǒng)不同階段控制的要求，隨時調(diào)

11、整各參數(shù)。使用PID主要是基于系統(tǒng)的誤差，但由于它的控制性能依賴于PID控器的三個參數(shù)以及系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精確性，且其控制參數(shù)對系統(tǒng)的參數(shù)變比較敏感，對于非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的PID控制的自適應(yīng)性、魯棒性等性能往不能滿足系統(tǒng)性能要求。模糊控制由于具有算法簡單、易于掌握，且無知道被控對象的精確模型，具有較好動態(tài)特性，以語言描述人類知識，把表示為模糊規(guī)則或關(guān)系，具有推理、利用知識庫，把知識與狀態(tài)相結(jié)合起決定控制行為等優(yōu)點，已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。與PID結(jié)合可以運用人類識、具有推理功能，可以改變PID的參數(shù)，使PID系統(tǒng)具有較強自適應(yīng)性模糊PID控制器是將模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合的產(chǎn)物。它吸收了?？?/p>

12、制和常規(guī)PID控制的優(yōu)點模糊參數(shù)自整定PID控制利用模糊控制方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗作知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機能自動調(diào)整PID參數(shù)。這控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，只需將操作人員(專長期實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運用推理便可對PID參實現(xiàn)最佳調(diào)整。研究表明，模糊PID不僅可以解決簡單線性系統(tǒng)的控制問題，而且于許多復(fù)雜非線性、高階、時延等系統(tǒng)具有很好的效果。模糊PID控制實際上是一種變增益或自調(diào)節(jié)PID。設(shè)理想的液位為h0,實際測得的水位高度為h,選擇液位差為e=h=h0-h。將偏差e作為觀測值,將偏差和偏差變化率分別記為E與Ec,其論域均取為-

13、3-2-10123,KP、KI、KD模糊論域取-2-1012,E與Ec的模糊子集記為NBNM NS ZO PSPM PB,分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數(shù)形狀均選三角形,如圖4.2所示。PID參數(shù)模糊自整定是找出PID 3個參數(shù)與E和Ec模糊關(guān)系。在運行中不斷檢測E和Ec,根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進(jìn)行在線修改,以滿足不同的E和Ec時對控制參數(shù)的要求,使系統(tǒng)具有較好的靜動態(tài)性能的要求。針對不同的e和e,總結(jié)出了一套KP、KI與KD整定方法。 圖4.2、與、模糊子集(1 當(dāng)|e|較大時,為加快響應(yīng)速度應(yīng)取較大的KP,同時為了避免e的瞬間變化可能出現(xiàn)的微分飽和超出控制范

14、圍應(yīng)取較小KP。為避免出現(xiàn)較大的超調(diào),對積分作用加以限制,取KI=0。(2當(dāng)|e|和|e|中等時,為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào), KP應(yīng)取得小些。此時KD的取值對系統(tǒng)的影響較大應(yīng)取適中一些的取值要適當(dāng)。(3當(dāng)|e|較小時,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能,應(yīng)取較大的KP和KI, KD的取值要恰當(dāng),以避免在平衡點附近出現(xiàn)振蕩。同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附件振蕩,|e|較大時KP可取小一些。根據(jù)3個參數(shù)之間的相互作用關(guān)系及控制規(guī)律,建立了合適的模糊控制規(guī)律表。如表1、2、3所示。模糊推理采用ifthen合成規(guī)則, if e is NB and ec is NB then is NB is PBKD is NSif

15、 e is PB and ec is PB then is ZO is ZO is PB,共49條規(guī)則。根據(jù)偏差與偏差變化率得出相應(yīng)的、,再乘以相應(yīng)得量化因子,從而得出PID實時參數(shù)、。4.2 硬件的設(shè)計    原理框圖如圖4.3所示。圖4.3 控制器原理圖    基于單片機實現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：水箱(水塔液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱(水塔底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該

16、信號經(jīng)過運算放大電路放大后變成幅度為05 V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。    液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。圖4.4 AT89C51芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳分布圖圖4.5 SY-9411L-D型變送器引腳結(jié)構(gòu)圖P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。結(jié)構(gòu)上采用行列方式

17、，可定義鍵盤布局。結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。圖4.6 P1口鍵盤電路結(jié)構(gòu)圖圖4.7 顯示電路原理圖圖4.8A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖    AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。圖4.8是AD轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時先經(jīng)過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到AD轉(zhuǎn)換器。    控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報警。另外在設(shè)計過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。4.3 軟件設(shè)計    液位控制器模型的軟件設(shè)計框圖如圖4.9所示。 圖4.9 程序設(shè)計框圖(1鍵盤程序    由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，09號為數(shù)字鍵，1015號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：            (2A/D轉(zhuǎn)換子程序 &