1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)評(píng)語：考勤10分守紀(jì)10分過程30分設(shè)計(jì)報(bào)告30分答辯20分總成績(jī)(100分)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院基于超聲波傳感器的水箱水位控制系統(tǒng)1課程設(shè)計(jì)目的超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技

2、術(shù)都離不開傳感器。液位控制在多個(gè)領(lǐng)域都有使用，所以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化檢測(cè)具有非常重要的意義。通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)，具有體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好；具有較高的性能價(jià)格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高等優(yōu)勢(shì)。該課程設(shè)計(jì)是通過相關(guān)超聲波硬件組合調(diào)試實(shí)現(xiàn)對(duì)液位高度的控制，通過一系列的放大比較將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信號(hào)，然后通過對(duì)數(shù)字信號(hào)的各種處理實(shí)現(xiàn)類比，將液位高度的變化通過數(shù)字信號(hào)的不同反映出來，顯示結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位高度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖1 設(shè)計(jì)原理圖2設(shè)計(jì)方案及原理超聲波測(cè)距的方法本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量水

3、箱水位后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。圖2 設(shè)計(jì)原理圖 傳感器的位置距離水箱頂部20cm，水箱高度為100cm。 假定s為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為ts，超聲波傳播速度為vm·s1表示，則有關(guān)系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，溫度的變化會(huì)變成擾動(dòng)，按式(2-2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=3314+0607T (2-2)式中，T為實(shí)際溫度單位為，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為ms。表2-7

4、聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）313319325323338344349386在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速c是基本不變的，計(jì)算時(shí)取c為340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正，我做的PID控制中不斷修改算法，在擾動(dòng)中的不斷控制，模擬了溫度對(duì)于超聲波傳感器的影響和對(duì)液位計(jì)算的影響，在實(shí)際測(cè)量時(shí)利用單片機(jī)的計(jì)時(shí)功能實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。3 硬件設(shè)計(jì)3.1硬件結(jié)構(gòu)圖圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖3.2硬件選型(1) 控制器分為上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)為控制計(jì)算機(jī)，通

5、過反饋的高度與設(shè)定的高度進(jìn)行對(duì)比，通過預(yù)先設(shè)定的算法計(jì)算出控制量u；下位機(jī)為AT89C51即單片機(jī)，接收由上位機(jī)所給出的控制量，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。AT89C51具有如下特點(diǎn)：4kB Flash片內(nèi)內(nèi)存儲(chǔ)器，128 byte RAM，32個(gè)外部雙向輸入輸出口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。如圖所示為單片機(jī)部分的功能選擇圖4 單片機(jī)部分(2)D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，8為D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要參數(shù)：分辨率為8位；電流穩(wěn)定時(shí)間1微秒；可單緩沖、雙緩

6、沖或直接數(shù)字輸入；可單一電源供電（5V-15V）；低功耗，20mW。(3)驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器和三極管如圖3所示的連接方式。通過給I/O端口高低電平來控制繼電器的通斷，繼而控制水泵控制水量的占空比，以達(dá)到控制水位的目的，如圖所示。其中三極管為控制開關(guān)作用，當(dāng)輸入高電平，NPN飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸電吸合，使220V電源接通。反之，輸入高電平，NPN截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)斷開。圖5繼電器、三極管驅(qū)動(dòng)電路(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用水泵控制。根據(jù)相關(guān)資料對(duì)于水量液位的變化，水泵可以迅速反應(yīng)，對(duì)液位進(jìn)行升高或者降低。(5)在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多;頻率取得太高，在傳播的過程

7、中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T40KI和一支接收傳感器UCM-R4OKI組成，工作在標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。5V供電電壓，其特性參數(shù)如表2-5所示。型號(hào)UCM-T40K1UCM-R40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率頻帶寬靈敏度聲壓表1傳感器特性參數(shù)表選擇公司是德國(guó)西克（SICK）智能傳感器公司。(6) 顯示部分采用數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示以便觀察水溫變化。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1被控對(duì)象模型的建立首先要建立被控最想模型，我選用的有水箱，電機(jī)和水泵，利用PID進(jìn)行控制，由于超聲波測(cè)距控制系統(tǒng)

8、的控制對(duì)象具有液位的變化收到溫度影響，慣性也較大的特點(diǎn)，因而可以將被控對(duì)象歸于一階慣性環(huán)節(jié)，即可將被控對(duì)象的傳遞函數(shù)表示為，為了確定K,T的值可以繪出系統(tǒng)加上階躍信號(hào)，繼電器的占空比位100%的工作曲線，已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)的K為65，由自控原理一節(jié)慣性環(huán)節(jié)的特性可知，一階系統(tǒng)過渡過程重要特征點(diǎn)是系統(tǒng)輸出達(dá)到過渡過程總變化量的63.2%的點(diǎn)。通過計(jì)算水箱水位上升到的高度（相對(duì)于傳感器），所用的時(shí)間即為時(shí)間常數(shù)T，經(jīng)網(wǎng)上查閱水位上升到83.2的T取320。因此繼續(xù)通過控制PID來調(diào)節(jié)參數(shù)，被控對(duì)象模型的傳遞函數(shù)為。經(jīng)網(wǎng)上查閱資料可知，電機(jī)模型和水泵模型的被控對(duì)象函數(shù)分別為，由此可以知道被控對(duì)象

9、的開環(huán)傳遞函數(shù)。4.2 系統(tǒng)仿真及實(shí)際調(diào)試本設(shè)計(jì)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，我選用的是基于4：1的衰減曲線法的PID參數(shù)整定，PID控制是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律。（1） 首先，將PID變成比例控制，只存在比例控制，將Ki和Kd都變?yōu)?，給定值為階躍函數(shù)，觀察曲線的衰減情況，直到衰減比為4:1，即可得到和Ts。由表可知，如下圖所示圖6 MATLAB仿真圖7 MATLAB仿真由下表可算得和Ts分別為0.8和0.0167。圖8 MATLAB仿真（2） 如上表所示，可以算得Ti和Td，即Ti=0.24，Td=0.08，又因?yàn)橄铝械腒p比例增益Ki=積分系數(shù)Kd=微分系數(shù)將積分微分系數(shù)加入到

10、仿真中，可以得到下面的仿真圖。圖9 MATLAB仿真圖10 MATLAB仿真（3）數(shù)字PID位置型控制算法：在此基礎(chǔ)PID整定辦法上不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，在有擾動(dòng)的情況下，直到曲線控制最優(yōu)。可以得到Kp=25，Ki=7，Kd=27，如下圖所示。圖11 MATLAB仿真如圖所示：(1) 比例調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)單快速但對(duì)于具有自平衡性的控制對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環(huán)不穩(wěn)定。(2) 比例積分調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的加入有助于消除系統(tǒng)靜差但是會(huì)使調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng)。Ti時(shí)間積分大則積分作用弱，反之積分作用強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定

11、性。(3) 比例積分微分調(diào)節(jié)器中微分作用的加入對(duì)偏差的任何變化都產(chǎn)生一個(gè)控制作用，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出阻止偏差的變化，偏差變化越快，反饋矯正量越大。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。5心得體會(huì)在本次的課程任務(wù)中，我學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中所學(xué)的有關(guān)于PID算法，輸入、輸出通道的組成，A/D轉(zhuǎn)換器分辨率以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)通過這次課程設(shè)計(jì)，我熟練掌握了MATLAB仿真過程。最重要的是我對(duì)于基于超聲波傳感器的控制系統(tǒng)的控制過程有了很大的進(jìn)步。參考文獻(xiàn)1姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051