單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計說明

1、下載可編輯遼寧工程技術(shù)大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計題目單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)教師院（系、部）專業(yè)班級學號姓名日期.專業(yè) .整理 .下載可編輯課程設(shè)計成績評定表學期姓名專業(yè)班級課程名稱計算機控制技術(shù)設(shè)計題目單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計成績合格評定不合格評定評分項目設(shè)1.獨立工作能力獨立完成設(shè)計不能獨立完成設(shè)計計表2.上交設(shè)計時間按時遲交現(xiàn)設(shè)計思路清晰，結(jié)設(shè)計思路不清晰， 結(jié)構(gòu)方案良好，設(shè)計構(gòu)方案不合理， 關(guān)鍵設(shè)3. 設(shè)計內(nèi)容參數(shù)選擇正確，條設(shè)計參數(shù)選 擇有錯理清楚，內(nèi)容完整，誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容計結(jié)果正確不完整，有明顯錯誤說不規(guī)范、不整潔、無明4.設(shè)計書寫、字規(guī)范、整潔、有條條理，排版有問題很

2、書體、排版理，排版很好大5. 封面、目錄、完整不完整參考文獻圖6. 繪圖效果滿足要求很差7.布局合理布局混亂紙8.繪圖工程標準符合標準不符合標準答9.回答問題回答基本正確或正回答不正確辯確總評定評定說明：（1）不合格標準1）設(shè)計說明書不合格否決制，即3、4 兩項達不到要求，不予合格；2） 9 項評分標準中，有6 項達不到要求，不予合格。（2）合格標準除設(shè)計說明書的 3、4、5 項必須滿足要求外，其余 6 項，至少有 4 項滿足要求，給予合格。（3）請在評定欄里打“”評定，若全部滿足要求，不必分項評定，只需在總評定中打“”即可，最后給出最終成績，并簽字。最終成績：評定教師簽字：.專業(yè) .整理 .

3、下載可編輯計算機控制技術(shù)課程綜合設(shè)計任務(wù)書姓名題目單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計1、維持水位在 0.6 米高，水箱的超調(diào)小于5%，要求調(diào)節(jié)時間更小。設(shè)計要求2、確定單容水箱系統(tǒng)的數(shù)學模型、分析系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)，給出詳細步驟。3、完成單容水箱系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計4、完成系統(tǒng)仿真設(shè)計的主要內(nèi)容1、分析單容水箱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2、了解系統(tǒng)的詳細工程應(yīng)用背景3、得到水箱系統(tǒng)的數(shù)學模型4、采取 PID，對系統(tǒng)進行穩(wěn)、準、快分析5、根據(jù)系統(tǒng)性能指標的要求，提出控制策略，對系統(tǒng)的性能進行改善。6、系統(tǒng)仿真與實驗7、繪制主要硬件電路圖.專業(yè) .整理 .下載可編輯摘要本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程機理，建立了單容水箱

4、的數(shù)學模型。介紹了PID 控制的基本原理及數(shù)字 PID 算法，利用 simulink軟件對系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真，并進行了整定PID 參數(shù)，得到整定后的仿真曲線。系統(tǒng)由進出水閥門， C51單片機， A/D 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器，傳感器，顯示電路和鍵盤電路等組成。整個過程保持出水閥的開度比例不變， 由傳感器檢測電路連續(xù)不斷地相應(yīng)液位值，送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中處理，輸出的數(shù)字量送給單片機，控制顯示電路實時顯示實際液位值，由鍵盤輸入設(shè)定值，控制器比較其值控制進水閥門的開度比例，以保持液位穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：單容水箱；水箱建模；液位控制；PID 算法Abstract.專業(yè) .整理 .下載可編輯Ba

5、sed on theprocess mechanism oftheliquidlevelsystem,thispaper establishesthe mathematicalmodel ofthesingle-capacitywatertank.The basic principleofPIDcontrol and the digital PID algorithm are introduced. The system simulation isperformedusing simulinksoftware,and the PID parametersareadjustedto obtain

6、thesimulation curve after the tuning.The systemconsistsofinletandoutletvalves,C51 microcontroller,A/Dconverter, D/A converter, sensor, display circuit and keyboard circuit. Throughoutthe entire process, the proportion of opening of the outlet valve is kept constant,and the corresponding level value

7、of the sensor detection circuit is continuouslysent to the A/D converterforprocessing.The outputdigitalquantityissenttotheSCM, and the control display circuit displays the actual liquid level in real time.Value, thesetvalue isinputby thekeyboard,and the controllercompares thevalueto controltheopenin

8、gratio of the inletvalvetokeep theliquidlevelstablewithinthe required range.Key words: Singlecapacitywater tank;Water tankmodeling;Liquidlevelcontrol;PIDalgorithm.專業(yè) .整理 .下載可編輯.專業(yè) .整理 .下載可編輯目錄0前言 . .11設(shè)計方案 . .21.1概述 . .21.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) . .22水箱系統(tǒng)建模 . .32.1水箱結(jié)構(gòu)圖 . .32.2水箱模型計算 . .33硬件設(shè)計 . .53.1C51 單片機最小系統(tǒng) .53.

9、2傳感器 . .53.3A/D轉(zhuǎn)換模塊 .53.4D/A轉(zhuǎn)換模塊 .53.5顯示模塊 . .63.6鍵盤模塊 . .63.7調(diào)節(jié)閥 . .64 PID 算法與軟件設(shè)計 .74.1PID算法分析 .74.2位置式 PID .84.3主程序流程圖 . .104.4顯示子程序 . .11.專業(yè) .整理 .下載可編輯4.5鍵盤子程序 .114.6 A/D 子程序115 系統(tǒng)仿真 .125.1系統(tǒng)自衡仿真 .125.2 simulink仿真圖125.3 simulink曲線136 結(jié)論 .14參考文獻 .15附錄：系統(tǒng)硬件電路圖16.專業(yè) .整理 .下載可編輯0 前言液位控制技術(shù)在現(xiàn)實生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了

10、重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水，排水或進水控制得當與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失?？梢姡趯嶋H生產(chǎn)中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、 經(jīng)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、 方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。在本設(shè)計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為

11、研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了進水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。在單閉環(huán)狀況下使用PID 控制來控制水箱的水位。.專業(yè) .整理 .下載可編輯1 設(shè)計方案1.1概述本次設(shè)計的水箱用于鍋爐冷卻供水的蓄水池，維持一定水量，保證冷卻供水穩(wěn)定。通過計算機控制系統(tǒng)對水箱液位進行控制的系統(tǒng)設(shè)計?？刂破鞯倪x擇是C51單片機，通過傳感器采樣并 A/D 轉(zhuǎn)換，然后通過單片機對數(shù)據(jù)進行處理，控制閥門開度大小改變流量，達到對水箱水位的控制，主要應(yīng)用PID 算法。1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機控制基本的系統(tǒng)框圖如圖1-1 所示：圖 1-1 計算機控制系統(tǒng)框圖Fig. 1-1 System block Diagram根據(jù)課題

12、要求，設(shè)計簡單的系統(tǒng)硬件框圖如圖1-2 所示：圖 1-2單容水箱硬件系統(tǒng)框圖Fig. 1-2 The block diagram of the single volume tank hardware system工作原理：控制出水閥門的開度，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，送入單片機中，經(jīng)過單片機進行PID 算法分析，控制顯示電路實時顯示液位的實際值，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換控制進水閥門的開度。.專業(yè) .整理 .下載可編輯2 水箱系統(tǒng)建模2.1水箱結(jié)構(gòu)圖圖 2-1 單容水箱結(jié)構(gòu)圖Fig. 2-1 The structure diagram of the single

13、 capacity water tank2.2水箱模型計算由圖 2-1 可知，被控對象的被控量為水箱的液位h，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量 Q1, ，Q2 為水箱中流出的流量。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在平衡狀態(tài)時?10 -?20 = 0(2-1)動態(tài)時，則有?1 -?(2-2)?2 = ?式中 V 為水箱的容積，?為水貯存量的變化率，它與h 的關(guān)系為 dV=Adh,即? = ? ?(2-3)A 為水箱底面積。把式（ 2-3 ）代入式（ 2-2 ）得?1 - ?2= ?(2-4)?基于 ?2 = ?,Rs 為下閥的液阻，則式（2-4 ）可改寫為h ?1 - ? = ? ?即?ARs? + ? =

14、 ?(2-5)或.專業(yè) .整理 .下載可編輯?( ?)?(2-6)?1(?) = ?+ 1上式中 T=ARs，它與水箱的底面積 A 和下閥的 Rs有關(guān)； K=Rs。式（ 2-6 ）就是單容水箱的傳遞函數(shù) 1 。水箱截面為直徑 1m 的圓形，水箱截面積為0.79m2 ，根據(jù)選擇的入水閥門T940H-16，DN=400mm，Cv=630t/h ，即 0.175m3/s 。調(diào)節(jié)閥 2 后，可測得 Rs 為 52。G?( s) =5(2-7)3.95?+ 1.專業(yè) .整理 .下載可編輯3 硬件設(shè)計3.1 C51 單片機最小系統(tǒng)對 51 系列單片機來說，單片機要正常工作，必須具有五個基本電路：電源電路、

15、時鐘電路、復(fù)位電路、程序存儲器選擇電路、外圍電路。因此，單片機最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括單片機、晶振電路、復(fù)位電路、外圍電路等 3 。3.2傳感器本次液位傳感器采用zlm620 型投入式液位傳感器， 投入式液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標準電信號，一般適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測量。特點：穩(wěn)定性好，精度高，安裝使用相當方便，固態(tài)結(jié)構(gòu)，無可動部件，高可靠性，使用壽命長從水、油到粘度較大的糊狀都可以進行高

16、精度測量，不受被測介質(zhì)起泡、沉積、電氣特性的影響寬范圍的溫度補償。3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊A/D 轉(zhuǎn)換模塊選用 ADC0832芯片。 A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)字化測量和顯示儀表的重要組成部分 , 其轉(zhuǎn)換速度、精度和分辨率 , 直接影響著測量結(jié)果和顯示的質(zhì)量指標。 ADC0832是使用非常普遍的位 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 其最高分辨可達 256 級 , 由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器 , 故可以直接與單片機接口。 ADC0832以電流形式輸出 , 當需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時 , 可外接運算放大器 4 。3.4 D/A轉(zhuǎn)換模塊D/A 轉(zhuǎn)換模塊選用 DAC0832。數(shù)模轉(zhuǎn)換處理是微型計算機或單片計算機生產(chǎn)過程實時測控系

17、統(tǒng)輸出過程通道中的重要組成部分。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，把經(jīng)過計算機運算處理后的數(shù)字電量轉(zhuǎn)換成為模擬電量，進而驅(qū)動和控制執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)動作，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)節(jié)和控制5 。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DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(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。.專業(yè) .整理 .下載可編輯3.5顯示模塊此次設(shè)計顯示部分采用LCD1602顯示屏。 LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊 6 ，采用單片

18、機系統(tǒng)對LCD1602進行控制，具有接口更加簡單可靠，編程易于實現(xiàn)，操作更加方便，顯示質(zhì)量高的優(yōu)點。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多7 。3.6鍵盤模塊本次設(shè)計的鍵盤一共設(shè)計四個按鍵，分別為：功能鍵，數(shù)值加，數(shù)值減，確定鍵。功能鍵：移動 LCD1602的光標，按動一次，移動一次；數(shù)值加 / 減鍵：對光標數(shù)字在0 至 9 間進行加一或減一；確定鍵：在數(shù)值輸入完成后通過確定鍵把設(shè)定值輸入單片機進行運算。3.7調(diào)節(jié)閥本次選用 T940H-16電動調(diào)節(jié)閥， DN選用 400mm，查表可知 Cv=630t/h 。電動調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化

19、過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。隨著工業(yè)領(lǐng)域的自動化程度越來越高，正被越來越多的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。與傳統(tǒng)的氣動調(diào)節(jié)閥相比具有明顯的優(yōu)點：電動調(diào)節(jié)閥節(jié)能，環(huán)保，安裝快捷方便。閥門按其所配執(zhí)行機構(gòu)使用的動力，按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。.專業(yè) .整理 .下載可編輯4 PID 算法與軟件設(shè)計4.1 PID算法分析數(shù)字 PID 控制是在實驗研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID 控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字 PID 控制算法及其具體應(yīng)用。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID 控

20、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 PID控制系統(tǒng)原理框圖Figure 4-1 PID control system schematic diagramPID 控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差()()- c(t )(4-1)e t= r t將偏差的比例（ P）、積分（ I ）和微分（ D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID 控制器。它的控制規(guī)律為u(t ) = ?( ?) +1?(?)(4-2)?( ?) ? + ?0其傳遞函數(shù)形式為( )=?(?)1

21、?(4-3)G s?(?) = ? ( 1 + ? ? + ?)?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。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)，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使.專業(yè) .整理 .下載可編輯響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的

22、調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動態(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，對偏差變化進行提前預(yù)報。但過大，會使響應(yīng)過程提前制動，從而延長調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。4.2位置式 PID計算機控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，其只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此式（4-2 ）中的積分和微分不能直接使用，需要進行離散化處理。利用外接矩形法進行數(shù)值積分，一階后向差分進行數(shù)值微分，當選定采樣周期為T 時，有?= ? ? +? = ? + ? ( ? - ?- 1)(4-4)?或? =? + ?( ? - ?- 1)(4-5)? ? + ? ?= 0如果采樣周期足夠小，這種

23、離散逼近相當準確。式（ 4-4 ）式（4-5 ）中，ui 為全量輸出，它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)第 i 次采樣時刻應(yīng)達到的位置，因此，上兩式稱為 PID 位置型控制算式。由 z 變換的性質(zhì)?-1? ?z ?1= ?( )?(?)z ? =-1?= 0(1- ?)式（ 4-5 ）的 z 變換式為()=?(?)+?( ?)- 1- 1 + ?(1 -) ?(?)(4-6)U z?1- ?由式（ 4-6 ）可得 PID 控制規(guī)律的脈沖傳遞函數(shù) 8()?(?)?- 1= ?(?)?(4-7)D z= ? + 1- ?-1 + ?(1 - ? )數(shù)字 PID 控制器如圖 4-2 所示。.專業(yè) .整理 .

24、下載可編輯圖 4-2數(shù)字 PID 控制器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 4-2 structure diagram of digital PID controllerPID 具體數(shù)值調(diào)節(jié)因為單容水箱液位控制系統(tǒng)傳函是一階慣性環(huán)節(jié)。應(yīng)用MATLAB仿真，直接調(diào)試，調(diào)節(jié)KP,K I ,K D。.專業(yè) .整理 .下載可編輯4.3主程序流程圖圖 4-3主程序流程圖Fig. 4-3 Main program Flowchart.專業(yè) .整理 .下載可編輯4.4顯示子程序在測控系統(tǒng)中無論是測量值還是設(shè)定值都需要顯示到屏幕上給人以直觀的影響。因此在本設(shè)計中采用 LCD1602顯示測量值和給定值。 對 1602 液晶首先要

25、進行初始化， 初始化后就可以將要顯示的字符或數(shù)字在兩行上任意顯示。上行為實際值，下行為設(shè)定值。圖 4-4 LCD 顯示流程圖圖 4-5鍵盤流程圖圖 4-6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Figure4-4 LCDdisplayflowchartFigure4-5 Keyboard flowchartFigure4-6 A/D conversionflowchart4.5鍵盤子程序鍵盤作為人機接口的重要部分，可以很好的將指令送到單片機中，本設(shè)計中鍵盤的主要任務(wù)是設(shè)定液位值。在設(shè)計中采用的是四鍵式獨立式按鍵，它的掃描過程是首先根據(jù)高低電平判斷是否有鍵按下、延時后看是否鍵還在按下狀態(tài)，若是低電平則說明確實按下。四

26、個按鍵分別實現(xiàn)功能鍵、加鍵、減鍵、確認鍵 9 。流程圖如圖 4-5 。4.6 A/D子程序首先對采樣值進行A/D 轉(zhuǎn)換，其次判斷其是否轉(zhuǎn)換完成，如果沒有完成則繼續(xù)轉(zhuǎn)換直到轉(zhuǎn)換完成，再次，將碼值Nx 送到單片機緩存單元存儲。等單片機進行處理。AD 轉(zhuǎn)化流程圖如圖 4-6 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯5 系統(tǒng)仿真5.1系統(tǒng)自衡仿真本次設(shè)計的單容水箱的液位變化是一個自衡過程，輸入單位階躍，液位變化如圖5-1 。圖 5-1系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig. 5-1 System response curve從上圖可以看出系統(tǒng)自衡過程需要接近20 秒的時間。5.2 simulink仿真圖圖 5-2 simulink

27、仿真圖Figure 5-2 Simulink simulation diagram.專業(yè) .整理 .下載可編輯5.3 simulink曲線設(shè)定輸入值為 0.6 ，采樣周期為1s，通過試湊法 10 來得到 KP=0.82 ，KI =0.087 ， KD=0.09 。圖 5-3 simulink輸出曲線Figure 5-3 Simulink Output curve在此基礎(chǔ)上，在15s 的時候加入一個幅值為0.1 的負擾動，輸出曲線為圖 5-4擾動曲線Fig. 5-4 the perturbation curve由上兩圖可知在 KP=0.82 ，KI =0.087 ， KD=0.09 時候，超調(diào)量小于 5%，液位最終都維持在了 0.