儲(chǔ)水罐液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)儲(chǔ)水罐液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)學(xué)院名稱信電工程學(xué)院專業(yè)名稱電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師2010年6月8日 專心-專注-專業(yè)目 錄112.2工作原理223.2 D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)學(xué)型33.3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖4 3.3系統(tǒng)總體方案··························&

2、#183;·················································&

3、#183;··················44傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)·····························

4、;·······································4 4.1液位傳感器選型·········

5、;··················································

6、;··································4 4.1.1液位傳感器簡(jiǎn)介·············

7、83;·················································

8、83;·························4 4.1.2液位傳感器工作原理······················

9、;··················································

10、;···········4 4.1.3液位傳感器選型····································

11、83;·················································

12、83;····5 4.2水泵選型············································

13、··················································

14、·········55控制器與硬件電路的設(shè)計(jì)·······································

15、;··············································6 5.1控制器總體方案設(shè)計(jì)·

16、83;·················································

17、83;··································6 5.2硬件電路的設(shè)計(jì)·············

18、83;·················································

19、83;····························7 5.2.1振蕩電路···················

20、3;·················································

21、3;···························7 5.2.2復(fù)位電路·····················

22、;··················································

23、;··························7 5.2.3數(shù)碼管顯示電路·····················

24、83;·················································

25、83;················8 5.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路·······························&

26、#183;·················································&

27、#183;··········8 5.2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路·····································

28、··················································

29、····96軟件設(shè)計(jì)·············································

30、··················································

31、············11 6.1軟件設(shè)計(jì)模塊····································

32、··················································

33、·········11 6.1.2軟件設(shè)計(jì)模塊······································

34、3;·················································

35、3;··11 6.1.2PI算法·············································

36、3;·················································

37、3;····11 6.2軟件設(shè)計(jì)流程圖···········································

38、83;················································12結(jié)論·

39、;··················································

40、;··················································

41、;·············13參考文獻(xiàn)····································

42、;··················································

43、;······················14附錄···························&

44、#183;·················································&

45、#183;····································15附錄1············&#

46、183;·················································&#

47、183;··············································15附錄2··

48、83;·················································

49、83;·················································

50、83;·····151 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明1.1 題目說(shuō)明被控系統(tǒng)為一儲(chǔ)水罐。系統(tǒng)如圖1-1所示，儲(chǔ)水罐內(nèi)為清水，下部設(shè)有出水管，流量記為Q2。儲(chǔ)水罐通過(guò)水泵將清水池內(nèi)的清水補(bǔ)入罐內(nèi)，流量記為Q1，清水池內(nèi)的水位可視為固定值2米（即在儲(chǔ)水罐補(bǔ)水過(guò)程中液位不變化）。已知儲(chǔ)水罐的截面積A=1平方米，高度H=2米，要求控制目標(biāo)液位高度為1米。 圖1-11.2設(shè)計(jì)要求1要求控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts2分鐘，超調(diào)量10%。2 設(shè)計(jì)人機(jī)接口實(shí)時(shí)顯示。 2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2-1中的控制器為PID控制器，其功能由計(jì)算計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)有強(qiáng)

51、大的運(yùn)算，邏輯判斷和記憶功能。當(dāng)給初始量和反饋量后，依照偏差值進(jìn)行PID控制算法的運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)系統(tǒng)的控制。2.2 工作原理如圖1-1所示打開(kāi)電源水泵工作，將水抽入儲(chǔ)水罐中，進(jìn)水流量為, 水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量 的速度流出。水槽中有一個(gè)液位控制器測(cè)量液位懂的高度，液位傳感器將液位高度經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器傳至計(jì)算機(jī)與給定液位高度比較得到偏差，經(jīng)控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制值，控制信號(hào)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)控制水泵抽水，從而達(dá)到給定的高度。3控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與總體控制方案3.1儲(chǔ)水槽數(shù)學(xué)模型儲(chǔ)水罐流入量與流出量之差可用式3-1表示。 式（

52、3-1）式中 表示輸入水流量的增量； 表示輸出水流量的增量； 表示儲(chǔ)水罐液體貯存量； 表示儲(chǔ)水罐橫截面面積； 表示儲(chǔ)水罐液位高度的增量；輸出水量增量可由式3-2表示 式（3-2） 式中 表示流量系數(shù)； 表示出水管的開(kāi)度變化；流出量與液位高度的關(guān)系式為 這是一個(gè)非線性關(guān)系式，可在平衡點(diǎn) 進(jìn)行線性化，得到液阻表達(dá)式 式（3-3） 將式（3-2）和式（3-3）帶入式3-2可得 式（3-4） 式中 對(duì)式3-4兩端進(jìn)行拉式變換得到儲(chǔ)水罐的傳遞函數(shù)為 式（3-5） 由條件已知 ；假設(shè)： ； ;則 式（3-6）3.2 D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型D/A轉(zhuǎn)換器把離散數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程可以用零

53、階保持器取代，查閱相關(guān)資料得到零階保持器的傳遞函數(shù)為： 式（3-7）將該傳遞函數(shù)近似實(shí)現(xiàn)： 式（3-8） 式（3-9）3.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1注：式中的符號(hào)T,K1,K2,K3將在硬件選擇這一部分中確定。3.4系統(tǒng)總體方案方案一：基于PLC的液位控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是以可編程序邏輯控制器PLC為核心，以STEP7-Micro/WIN軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的各種設(shè)備為對(duì)象使用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行PLC控制程序的開(kāi)發(fā)來(lái)控制各種設(shè)備。MCGS組態(tài)軟件用于生成和運(yùn)行水塔監(jiān)控的組態(tài)工程文件。完成構(gòu)建的PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能。方案二：基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中

54、采用以AT89C51單片機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集用8位ADC0809，輸出控制數(shù)據(jù)采用8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832用來(lái)把計(jì)算機(jī)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)再通過(guò)放大器把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)控制水泵，達(dá)到對(duì)液位的控制。以上兩種方案均能實(shí)現(xiàn)對(duì)液位高度的控制，結(jié)合本學(xué)期所學(xué)課程（單片機(jī)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)），采用方案二比較現(xiàn)實(shí)。4傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)4.1液位傳感器的選型4.1.1液位傳感器簡(jiǎn)介液位傳感器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器靜壓投入式液位變送器（液位計(jì)）是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感原件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正

55、，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（一般為420mA）。靜壓投入式液位變送器精巧的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。4.1.2液位傳感器工作原理用靜壓測(cè)量原理：當(dāng)液位投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為： = .g.H +Po式（4-1）式中： P ：變送器迎液面所受壓力； ：被測(cè)液體密度 ； g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?； Po ：液面上大氣壓 ； H ：變送器投入液體的深度；通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔連，以抵消傳感器背面的 Po 使

56、傳感器測(cè)得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過(guò)測(cè)取壓力 P ，可以得到液位深度。4.1.3液位傳感器選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求液位目標(biāo)高度為1m，故傳感器量程不能選擇太大，精度要高。 查閱相關(guān)資料選擇URS-100投入式液位變送器結(jié)構(gòu)原理：URS-100系列靜壓式液位計(jì)變送器是通過(guò)測(cè)量液體高度而產(chǎn)生的靜壓力來(lái)測(cè)定液體液位的。當(dāng)把液位變送器的傳感器部分投入到液體介質(zhì)中時(shí)，傳感器把液體的靜壓轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化成420mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。主要技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍：01m；0100m輸出信號(hào)：420mADC二線制精確度：0.2級(jí)，可提供0.1級(jí)介質(zhì)溫度：-40100環(huán)境溫度：-3080環(huán)境

57、溫度影響：在溫度外償范圍內(nèi)，零位變化量±0.3%/10 量程變化量: ±0.2%/10電源電壓:24VDC,按負(fù)載特性,電源電壓可達(dá)1240VDC電源電壓影響：在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，輸出變換量0.01%/1V射頻干擾影響：當(dāng)變送器正常安裝及罩殼蓋緊時(shí)，對(duì)射頻頻率為271000MHz之間和場(chǎng)強(qiáng)30V/m的干擾，輸出變化量0.1%長(zhǎng)期穩(wěn)定性：±0.3%(6個(gè)月)防爆標(biāo)志：本安型：Ex ib CT4T6隔爆型：Ex d BT4外殼防爆等級(jí)：IP65連接形式：URS-100型-法蘭安裝：DN50 PN1.0凸面法蘭標(biāo)準(zhǔn)：HG20598-97支架安裝，衛(wèi)生快裝卡箍：DN50U

58、RS-100S型-螺紋安裝：G3/44.2水泵選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間ts2分鐘，水泵的選型要考慮調(diào)節(jié)時(shí)間的限制。由于儲(chǔ)水槽到達(dá)液位高度時(shí)水槽中水的容量為1000L. 查閱相關(guān)資料選擇WKA1300型水泵，參數(shù)如下： 表4-1電壓電流流量最大抽水高度處于最大抽水高度時(shí)泵的抽水速率（L/min）12V<400mA1.3L/min3m>50024V<240mA1.3L/min3m>500 圖4-1水泵實(shí)物圖5控制器與硬件電路的設(shè)計(jì)5.1控制器總體方案設(shè)計(jì)本液位控制系統(tǒng)采用以MCS51單片機(jī)為主控芯片的控制器，外擴(kuò)A/D傳感器采集液位傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)碼管顯示電路顯示

59、液位高度，采用一定的控制算法與標(biāo)準(zhǔn)液位高度進(jìn)行比較，利用PWM波對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制從而調(diào)節(jié)液位高度?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示： 振蕩電路數(shù)碼管顯示電路P0 單片機(jī)P2.0-P2.2P1 復(fù)位電路液位傳感器A/D傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5-1注：1單片機(jī)的P0口控制數(shù)碼管顯示液位高度； 2單片機(jī)得P1口用于采集A/D信號(hào)；3單片機(jī)的P2.0-P2.2口用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；5.2硬件電路的設(shè)計(jì)5.2.1振蕩電路單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)有兩種方式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。引腳XTAL1 和XTAL2引腳上外接晶振構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后就構(gòu)成了自激振蕩

60、器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖，本控制器采用12MHZ的晶振其電路圖如圖5-2：圖5-25.2.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路有上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種方式，本控制器采用開(kāi)關(guān)復(fù)位，其電路圖如圖5-3所示：圖5-3如圖按下復(fù)位開(kāi)關(guān)K后由于電容C1的充電和反相門的作用，使REST持續(xù)一段時(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵K后松開(kāi)，也能使REST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位的操作。5.2.3數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路用來(lái)顯示液位高度，本控制器的設(shè)計(jì)方法是用兩片74HC573鎖存芯片接單片機(jī)的P0口控制數(shù)碼管的位選和斷選，這樣做可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口，其電路圖如圖5-4所示：圖5-45.

61、2.4A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路主要是用來(lái)采集傳感器的信號(hào)，將傳感器采集的液位高度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)做相關(guān)處理。本控制器采用ADC0804芯片，其連接電路如圖5-5：圖5-5根據(jù)ADC0804的數(shù)據(jù)手冊(cè)連接電路，引腳VIN+,VIN-作為模擬信號(hào)的輸入端，DB0-DB7將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)的P1口對(duì)數(shù)據(jù)做相關(guān)處理。5.2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本課程設(shè)計(jì)所選水泵為WKA1300型微型水泵，此水泵為直流控制，相當(dāng)于一個(gè)直流電機(jī)；用單片機(jī)控制直流電路通常是通過(guò)I/O口輸出PWM波來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)。目前流行的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以 很方便

62、實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分 別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。 它的基本原理圖如圖5-6所示。 全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管都工 作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí) 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電 壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。圖5-6由于H橋搭建比較繁瑣，有集成了H橋的驅(qū)動(dòng)芯片用來(lái)控制電機(jī)。本課程設(shè)計(jì)采用的是L293D芯片采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開(kāi)量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具

63、有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過(guò)內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來(lái)設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路I/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路如圖5-7：圖5-76軟件設(shè)計(jì)6.1軟件設(shè)計(jì)概要6.1.1軟件設(shè)計(jì)模塊：本課程設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括以下幾