单容水箱液位控制系统设计计算机课设.doc

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资源描述

1、辽 宁 工 业 大 学微型计算机控制技术 课程设计(论文)题目:单容水箱液位控制系统设计院(系): 电气工程学院专业班级:自动化074 学 号:070302120 学生姓名: 俞洁华 指导教师: (签字)起止时间:2010.12.152010.12.24课程设计(论文)任务及评语院(系):电气工程学院 教研室:自动化 学 号 070302120 学生姓名 俞洁华 专业班级 074课程设计题目 单容水箱液位控制系统设计课程设计(论文)任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能以单片机为控制核心,加上相应的输入输出通道,采用常规 PID 控制算法,将液位控制在规定范围内,并要求实时显示当

2、前液位值。设计任务及要求1、确定系统设计方案,包括单片机的选择,输入输出通道,键盘显示电路;2、建立被控对象的数学模型;3、推导 PID 控制算式,设计 PID 算法的程序流程图或程序清单;4、仿真研究,验证设计结果。5、撰写、打印设计说明书一份;设计说明书应在 4000 字以上。技术参数液位控制范围:10100cm误差:5cm三位 LED 显示液位高度进度计划布置任务,查阅资料,确定系统方案(1 天)被控对象建模(1 天)算法推导,程序设计(3 天)仿真研究(2 天)撰写、打印设计说明书(2 天)答辩(1 天)指导教师评语及成绩平时: 论文质量: 答辩: 总成绩: 指导教师签字: 年 月 日

3、本科生课程设计(论文)IV摘 要本文根据液位系统过程机理,建立了单容水箱的数学模型。介绍了 PID 控制的基本原理及数字 PID 算法,并根据算法的比较选择了增量式 PID 算法。建立了基于单片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序,进行了系统仿真,并通过整定PID 参数,利用 MATLAB 应用软件对系统进行仿真得到图线。系统由进出水阀门,单片机,A/D 转换器,D/A 转换器,传感器,显示电路和键盘电路等组成。整个过程保持进水阀的开度比例不变,由传感器检测电路连续不断地相应液位值,送入 A/D 转换器中处理,输出的数字量送给单片机,控制显示电路实时显示实际液位值,由键盘输入设定值

4、,控制器比较其值控制出水阀门的开度比例,以保持液位稳定在要求范围内。关键词:水箱建模,液位控制,PID 算法,增量式 PID本科生课程设计(论文)V目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述 .22.2 系统组成总体结构 .2第 3 章 硬件设计 .33.1 单片机最小系统设计 .33.2 传感器模块 .33.3 A/D 转换和 D/A 转换模块 .33.4 键盘模块 .33.5 显示模块 .4第 4 章 软件设计 .54.1 PID 算法 .54.2 位置式 PID 控制系统 .64.3 增量型 PID 控制算法 .84.4 PID 计算 .104.5 主程序控

5、制流程 .114.6 显示部分 .12第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .135.1 MATLAB 程序 .135.2 MATLAB 成象曲线 .13第 6 章 课程设计总结 .14参考文献 .15附录:系统硬件原理图 .16本科生课程设计(论文)1第 1 章 绪论过程控制是自动技术的重要应用领域,它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制,在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用,比如,民用水塔的供水,如果水位太低,则会影响居民的生活用水;工矿企业的排水与进水,如果排水或进水控制得当与否,关系到车间的生产状况;锅炉汽包液位的控

6、制,如果锅炉内液位过低,会使锅炉过热,可能发生事故;精流塔液位控制,控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里,基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质,极容易出现操作失误,引起事故,造成厂家的的损失。可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以,为了保证安全条件、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。液位控制是工业中创建的过程控制,它对生产的影响不容忽视。但荣液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征,能够很好地模拟工业过程特征。对于液位控制系统,常规的 PID 控制由于采用固定的参数,难以

7、保证控制适应系统的参数变化和工作条件的变化,得不到理想效果。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象,水箱的液位为被控制量,选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点,建立了基于单片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是,要想取得良好的控制效果,必须合理的整定 PID 的控制参数,使之具有合理的数值。本科生课程设计(论文)2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识,设计单容水箱液位控制系统设计,并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应

8、用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌握计算机控制算法和 PID 算法在现实中应用的基本方法。2.2 系统组成总体结构 图 2.1 是基于单片机为控制器单容水箱液位控制系统的基本组成硬件框图。主要由液位传感器,进水阀门,出水阀门,A/D 转换电路, D/A 转换电路,键盘电路,显示电路,单片机(89C51)组成。液位传感器可精确快速的测量微小液位差,把差值转换为电参数的器件。单片机信号得经由计算机 PID 算法计算传回。工作原理:控制进水阀门的流量,液位传感器检测液位,与设定值相比得到的差值经过 A/D 转换,送入单片机中,经过 PID 算法分析传回单片机,控制显示电路实时显示液

9、位的实际值,信息数据经过 D/A 转换控制出水阀门的开闭。传感器液位信号 显示电路A/D 转换电路单片机差动电路键盘电路出水阀门PC机D/A 转换复位电路电路电路本科生课程设计(论文)3图 2.1 系统框图本科生课程设计(论文)4第 3 章 硬件设计3.1 单片机最小系统设计本次设计中的最小系统模块中包括 CPU、复位电路和晶振。3.2 传感器模块本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器。它是一款根据浮力原理,并采用三线分压器原理对也未进行测量及信号得变送。浮球内磁钢的磁力线穿过导管,感应导管内干簧与电阻链,由此产生的电压与液位成正比例关系。工作原理简单应用范围广泛,对于液位的连续测量,能

10、可靠稳定获取液位信号,不受被测介质的物理化学状态变化影响,支持信号源距离传送。适用范围:温度:-80+200;压力:真空100Mpa。耐腐蚀性强,适用于各种场合。误差在 20mm 之内。3.3 A/D 转换和 D/A 转换模块该模块 A/D 转换选用 ADC0809 是 M 美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8通道,8 位逐次逼近式 A/D 转换器。其内部有一个 8 通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯片。DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全

11、兼容。这个 DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A 转换器由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。3.4 键盘模块本次设计中采用的 4*4 的非编码键盘。矩阵式非编码键盘的电路原理图如图3.4 所示。当没有键按下时,行线和列线之间是不相连。若第 N 行第 M 列的键被按下,那么第 N 行与第 M 列的线就被接通。如果在行线上加上信号,根据列线的状态,便可得知是否有键按下。如果在行线上逐行加上一个扫描信号(本实验中用的低电平) ,就可以判断按键的位置。常用的按键识别有两种方法:一种是传统的行

12、扫描法;另一种是速度较快的线反转法。本实验中采用的是线反转法进行识键。本科生课程设计(论文)5键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的工作状态,都要用到键盘,键盘是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码,每按下一个键,键盘能自动生成按键代码,键数较多,而且还具有去抖动功能。这种键盘使用方便,但硬件较复杂,PC 机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关工作状态,其他工作由软件完成,这种键盘键数较少,硬件简单,一般在单片机应用系统中广泛使用。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNum

13、ber RevisionSizeBDate: 1-Jul-2010 Sheet of File: D:Study09-10 second仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪仪protelMyDesign.ddbDrawn By:S1S2S3S13S4S5S6S14S7S8S9S15S10S11S12S16P00 P01 P02 P03P04P05P06P07图 3.1 键盘模块硬件原理图3.5 显示模块本设计采用三位 LED 显示电路。即常用的七段显示器件:半导体数码管将十进制数码分成七个字段,每段为一发光二极管。半导体数码管(或称 LED 数码管)的基本单元是 PN 结,目前较多采用磷砷化镓做

14、成的 PN 结,当外加正向电压时,就能发出清晰的光线。单个 PN 结可以封装成发光二极管,多个 PN 结可以按分段式封装成半导体数码管。有动态显示和静态显示两种。为了便于实时显示,本设计采用动态显示。本科生课程设计(论文)6第 4 章 软件设计4.1 PID 算法数字 PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法,在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍 PID 控制的基本原理,液位控制系统中用到的数字 PID 控制算法及其具体应用。一般,在控制系统中,控制器最常用的控制规律是 PID 控制。常规 PID 控制系统原理框图如图 4.1 所示。系统由模拟 PID 控

15、制器和被控对象组成。积分比例微分被控对象u(t)e(t)r(t) -c(t)图 4.1 PID 控制系统原理框图PID 控制器是一种线性控制器,它是根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t) (4-1)将偏差的比例(P) 、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量,对被控对象进行控制,故称 PID 控制器。它的控制规律为(4-2)0()1()()()tDPITdetutKet写成传递函数形式为(4-3)()PDIUsGsE式中 比例系数;PK积分时间常数;IT微分时间常数;D从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,PID 控制器各

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