基于计算机控制技术的水塔水位的控制设计.docVIP

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10～5cm 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，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 2 2.1 概述 2 2.2 系统组成总体结构 2 第3章 硬件设计 3 3.1 单片机最小系统设计 3 3.2 传感器模块 3 3.3 A/D转换和D/A转换模块 3 3.4 键盘模块 3 3.5 显示模块 4 第4章 软件设计 5 4.1 PID算法 5 4.2 位置式PID控制系统 6 4.3 增量型PID控制算法 8 4.4 PID计算 10 4.5 主程序控制流程 11 4.6 显示部分 12 第5章 系统测试与分析/实验数据及分析 13 5.1 MATLAB程序 13 5.2 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 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。 课程设计的方案 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。 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 图2.1系统框图 硬件设计 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。 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