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
