基于计算机控制技术的水塔水位的控制设计.doc
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1、河南城建学院计算机控制技术课程设计题目:水塔水位的控制系统班级专业电气工程及其自动化课程名称计算机控制技术指导教师电气与电子工程系2012年 6 月原始资料:水塔水位控制系统设计基本要求:水位控制范围105cm 控制精度:0。4cm 显示:十进制数码水塔模型: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
2、,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,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P
3、ID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16II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
4、炉汽包液位的控制,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
5、参数,难以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。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用“单片机”课程中所学的基本
6、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
7、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图2.1系统框图第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10
8、0Mpa。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
9、 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.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
10、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。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
11、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。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
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