单容水箱液位控制系统设计说明.docx
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单容水箱液位控制系统设计说明
工程技术大学
计算机控制技术课程设计
设计题目单容水箱液位控制系统设计
指导教师
院（系、部）
专业班级
学号
姓名
日期
课程设计成绩评定表
学期
专业
班级
课程名称
计算机控制技术
设计题目
单容水箱液位控制系统设计
成绩
评分项目
合格
评定
不合格
评定
设计表现
1.独立工作能力
独立完成设计
不能独立完成设计
2.上交设计时间
按时
迟交
设计说明书
3.设计容
设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，容完整，结果正确
设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，容不完整，有明显错误
4.设计书写、字体、排版
规、整洁、有条理，排版很好
不规、不整洁、无条理，排版有问题很大
5.封面、目录、参考文献
完整
不完整
图纸
6.绘图效果
满足要求
很差
7.布局
合理
布局混乱
8.绘图工程标准
符合标准
不符合标准
答辩
9.回答问题
回答基本正确或正确
回答不正确
总评定
评定说明：
（1）不合格标准
1）设计说明书不合格否决制，即3、4两项达不到要求，不予合格；
2）9项评分标准中，有6项达不到要求，不予合格。
（2）合格标准
除设计说明书的3、4、5项必须满足要求外，其余6项，至少有4项满足要求，给予合格。
（3）请在评定栏里打“√”评定，若全部满足要求，不必分项评定，只需在总评定中打“√”即可，最后给出最终成绩，并签字。
最终成绩：
评定教师签字：
《计算机控制技术》课程综合设计任务书
题目
单容水箱液位控制系统设计
设计
要求
1、维持水位在0.6米高，水箱的超调小于5%，要求调节时间更小。
2、确定单容水箱系统的数学模型、分析系统和设计系统，给出详细步骤。
3、完成单容水箱系统的硬件设计和软件设计
4、完成系统仿真
设计的主要容
1、分析单容水箱系统的研究现状和发展趋势
2、了解系统的详细工程应用背景
3、得到水箱系统的数学模型
4、采取PID，对系统进行稳、准、快分析
5、根据系统性能指标的要求，提出控制策略，对系统的性能进行改善。
6、系统仿真与实验
7、绘制主要硬件电路图
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，利用simulink软件对系统进行系统仿真，并进行了整定PID参数，得到整定后的仿真曲线。
系统由进出水阀门，C51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。
整个过程保持出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进水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求围。
关键词：
单容水箱；水箱建模；液位控制；PID算法
Abstract
Basedontheprocessmechanismoftheliquidlevelsystem,thispaperestablishesthemathematicalmodelofthesingle-capacitywatertank.ThebasicprincipleofPIDcontrolandthedigitalPIDalgorithmareintroduced.Thesystemsimulationisperformedusingsimulinksoftware,andthePIDparametersareadjustedtoobtainthesimulationcurveafterthetuning.
Thesystemconsistsofinletandoutletvalves,C51microcontroller,A/Dconverter,D/Aconverter,sensor,displaycircuitandkeyboardcircuit.Throughouttheentireprocess,theproportionofopeningoftheoutletvalveiskeptconstant,andthecorrespondinglevelvalueofthesensordetectioncircuitiscontinuouslysenttotheA/Dconverterforprocessing.TheoutputdigitalquantityissenttotheSCM,andthecontroldisplaycircuitdisplaystheactualliquidlevelinrealtime.Value,thesetvalueisinputbythekeyboard,andthecontrollercomparesthevaluetocontroltheopeningratiooftheinletvalvetokeeptheliquidlevelstablewithintherequiredrange.
Keywords:
Singlecapacitywatertank;Watertankmodeling;Liquidlevelcontrol;PIDalgorithm
0前言
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，排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉液位过低，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。
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，选择了进水阀门作为控制系统的执行。
在单闭环状况下使用PID控制来控制水箱的水位。
1设计方案
1.1概述
本次设计的水箱用于锅炉冷却供水的蓄水池，维持一定水量，保证冷却供水稳定。
通过计算机控制系统对水箱液位进行控制的系统设计。
控制器的选择是C51单片机，通过传感器采样并A/D转换，然后通过单片机对数据进行处理，控制阀门开度大小改变流量，达到对水箱水位的控制，主要应用PID算法。
1.2系统结构
计算机控制基本的系统框图如图1-1所示：
图1-1计算机控制系统框图
Fig.1-1SystemblockDiagram
根据课题要求，设计简单的系统硬件框图如图1-2所示：
图1-2单容水箱硬件系统框图
Fig.1-2Theblockdiagramofthesinglevolumetankhardwaresystem
工作原理：
控制出水阀门的开度，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，经过单片机进行PID算法分析，控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过D/A转换控制进水阀门的开度。
2水箱系统建模
2.1水箱结构图
图2-1单容水箱结构图
Fig.2-1Thestructurediagramofthesinglecapacitywatertank
2.2水箱模型计算
由图2-1可知，被控对象的被控量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1,，Q2为水箱中流出的流量。
根据物料平衡关系，在平衡状态时
（2-1）
动态时，则有
（2-2）
式中V为水箱的容积，
为水贮存量的变化率，它与h的关系为dV=Adh,即
（2-3）
A为水箱底面积。
把式（2-3）代入式（2-2）得
（2-4）
基于
Rs为下阀的液阻，则式（2-4）可改写为
即
（2-5）
或
（2-6）
上式中T=ARs，它与水箱的底面积A和下阀的Rs有关；K=Rs。
式（2-6）就是单容水箱的传递函数[1]。
水箱截面为直径1m的圆形，水箱截面积为0.79m2，根据选择的入水阀门T940H-16，DN=400mm，Cv=630t/h，即0.175m3/s。
调节阀2后，可测得Rs为5[2]。
（2-7）
3硬件设计
3.1C51单片机最小系统
对51系列单片机来说，单片机要正常工作，必须具有五个基本电路：
电源电路、时钟电路、复位电路、程序存储器选择电路、外围电路。
因此，单片机最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路、外围电路等[3]。
3.2传感器
本次液位传感器采用zlm620型投入式液位传感器，投入式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号，一般适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。
特点：
稳定性好，精度高，安装使用相当方便，固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长从水、油到粘度较大的糊状都可以进行高精度测量，不受被测介质起泡、沉积、电气特性的影响宽围的温度补偿。
3.3A/D转换模块
A/D转换模块选用ADC0832芯片。
A/D转换器是数字化测量和显示仪表的重要组成部分,其转换速度、精度和分辨率,直接影响着测量结果和显示的质量指标。
ADC0832是使用非常普遍的８位A/D转换器,其最高分辨可达256级,由于其片有输入数据寄存器,故可以直接与单片机接口。
ADC0832以电流形式输出,当需要转换为电压输出时,可外接运算放大器[4]。
3.4D/A转换模块
D/A转换模块选用DAC0832。
数模转换处理是微型计算机或单片计算机生产过程实时测控系统输出过程通道中的重要组成部分。
通过数模转换环节，把经过计算机运算处理后的数字电量转换成为模拟电量，进而驱动和控制执行相应动作，实现生产过程的自动调节和控制[5]。
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。
3.5显示模块
此次设计显示部分采用LCD1602显示屏。
LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块[6]，采用单片机系统对LCD1602进行控制，具有接口更加简单可靠，编程易于实现，操作更加方便，显示质量高的优点。
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多[7]。
3.6键盘模块
本次设计的键盘一共设计四个按键，分别为：
功能键，数值加，数值减，确定键。
功能键：
移动LCD1602的光标，按动一次，移动一次；
数值加/减键：
对光标数字在0至9间进行加一或减一；
确定键：
在数值输入完成后通过确定键把设定值输入单片机进行运算。
3.7调节阀
本次选用T940H-16电动调节阀，DN选用400mm，查表可知Cv=630t/h。
电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。
随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。
与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：
电动调节阀节能，环保，安装快捷方便。
阀门按其所配执行使用的动力，按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。
4PID算法与软件设计
4.1PID算法分析
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。
图4-1PID控制系统原理框图
Figure4-1PIDcontrolsystemschematicdiagram
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
（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）
其传递函数形式为
（4-3）
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控制器各校正环节的作用如下：
1、比例环节
用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。
越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。
越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。
若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
3、微分环节
能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。
4.2位置式PID
计算机控制系统是一种采样控制系统，其只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此式（4-2）中的积分和微分不能直接使用，需要进行离散化处理。
利用外接矩形法进行数值积分，一阶后向差分进行数值微分，当选定采样周期为T时，有
（4-4）
或
（4-5）
如果采样周期足够小，这种离散逼近相当准确。
式（4-4）式（4-5）中，ui为全量输出，它对应于被控对象的执行第i次采样时刻应达到的位置，因此，上两式称为PID位置型控制算式。
由z变换的性质
式（4-5）的z变换式为
（4-6）
由式（4-6）可得PID控制规律的脉冲传递函数[8]
（4-7）
数字PID控制器如图4-2所示。
图4-2数字PID控制器的结构图
Fig.4-2structurediagramofdigitalPIDcontroller
PID具体数值调节因为单容水箱液位控制系统传函是一阶惯性环节。
应用MATLAB仿真，直接调试，调节KP,KI,KD。
4.3主程序流程图
图4-3主程序流程图
Fig.4-3MainprogramFlowchart
4.4显示子程序
在测控系统中无论是测量值还是设定值都需要显示到屏幕上给人以直观的影响。
因此在本设计中采用LCD1602显示测量值和给定值。
对1602液晶首先要进行初始化，初始化后就可以将要显示的字符或数字在两行上任意显示。
上行为实际值，下行为设定值。
图4-4LCD显示流程图图4-5键盘流程图图4-6A/D转换流程图
Figure4-4LCDdisplayflowchartFigure4-5KeyboardflowchartFigure4-6A/Dconversionflowchart
4.5键盘子程序
键盘作为人机接口的重要部分，可以很好的将指令送到单片机中，本设计中键盘的主要任务是设定液位值。
在设计中采用的是四键式独立式按键，它的扫描过程是首先根据高低电平判断是否有键按下、延时后看是否键还在按下状态，若是低电平则说明确实按下。
四个按键分别实现功能键、加键、减键、确认键[9]。
流程图如图4-5。
4.6A/D子程序
首先对采样值进行A/D转换，其次判断其是否转换完成，如果没有完成则继续转换直到转换完成，再次，将码值Nx送到单片机缓存单元存储。
等单片机进行处理。
AD转化流程图如图4-6。
5系统仿真
5.1系统自衡仿真
本次设计的单容水箱的液位变化是一个自衡过程，输入单位阶跃，液位变化如图5-1。
图5-1系统响应曲线
Fig.5-1Systemresponsecurve
从上图可以看出系统自衡过程需要接近20秒的时间。
5.2simulink仿真图
图5-2simulink仿真图
Figure5-2Simulinksimulationdiagram
5.3simulink曲线
设定输入值为0.6，采样周期为1s，通过试凑法[10]来得到KP=0.82，KI=0.，KD=0.09。
图5-3simulink输出曲线
Figure5-3SimulinkOutputcurve
在此基础上，在15s的时候加入一个幅值为0.1的负扰动，输出曲线为
图5-4扰动曲线
Fig.5-4theperturbationcurve
由上两图可知在KP=0.82，KI=0.，KD=0.09时候，超调量小于5%，液位最终都维持在了0.6米的高度，具有一定的抗干扰能力，且对比图5-1，可以看出系统调节时间大大减小，达到了接近5秒就完成的能力。
6结论
采用数字PID对单容水箱的水位定值控制，水位到达指定值，超调不大于5%，调节时间相对自衡过程有很大提升。
所使用的传感器是投入式液位传感器，并用A/D和D/A转换器实现数字和模拟量之间的转化，使用单片机为控制核心，用进水阀流量控制水箱液位，通过仿真可看出达到使系统更快更稳更准的控制，达到系统设计要求。
但系统也存在不足，位置式PID算法由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对ei进行累加，计算机运算工作量大。
参考文献
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清华大学,2010.
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附录：
系统硬件电路图
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