基于计算机控制技术的水塔水位的控制设计.doc
《基于计算机控制技术的水塔水位的控制设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于计算机控制技术的水塔水位的控制设计.doc(17页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、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
2、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
3、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
4、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
5、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,
6、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
7、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
8、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 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
9、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
10、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
11、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)写成传递函数形式为 (4-3)式中 比例系数; 积分时间常
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 计算机控制 技术 水塔 水位 控制 设计