1、遼 寧 工 業 大 學 微型計算機控制技術 課程設計（論文）題目：單容水箱液位控制系統設計院（系）： 電氣工程學院專業班級：自動化074 學 號：070302120 學生姓名： 俞潔華 指導教師： （簽字）起止時間：課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 學 號070302120學生姓名俞潔華專業班級074課程設計題目單容水箱液位控制系統設計課程設計（論文）任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數實現功能以單片機為控制核心，加上相應的輸入輸出通道，采用常規PID控制算法，將液位控制在規定范圍內，并要求實時顯示當前液位值。設計任務及要求1、確定系統設計方案，包括單片

2、機的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數學模型；3、推導PID控制算式，設計PID算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗證設計結果。5、撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數液位控制范圍：10100cm誤差：5cm三位LED顯示液位高度進度計劃布置任務，查閱資料，確定系統方案（1天）被控對象建模（1天）算法推導，程序設計（3天）仿真研究（2天）撰寫、打印設計說明書（2天）答辯（1天）指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日摘 要本文根據液位系統過程機理，建立了單容水箱的數學模型。介紹了PID控制的基本

3、原理及數字PID算法，并根據算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了基于單片機編程語言的PID液位控制模擬界面和算法程序，進行了系統仿真，并通過整定PID參數，利用MATLAB應用軟件對系統進行仿真得到圖線。系統由進出水閥門，單片機，A/D轉換器，D/A轉換器，傳感器，顯示電路和鍵盤電路等組成。整個過程保持進水閥的開度比例不變，由傳感器檢測電路連續不斷地相應液位值，送入A/D轉換器中處理，輸出的數字量送給單片機，控制顯示電路實時顯示實際液位值，由鍵盤輸入設定值，控制器比較其值控制出水閥門的開度比例，以保持液位穩定在要求范圍內。關鍵詞：水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID目 錄第1章 緒

4、論1第2章 課程設計的方案22.1 概述22.2 系統組成總體結構2第3章 硬件設計33.1 單片機最小系統設計33.2 傳感器模塊33.3 A/D轉換和D/A轉換模塊33.4 鍵盤模塊33.5 顯示模塊4第4章 軟件設計54.1 PID算法54.2 位置式PID控制系統64.3 增量型PID控制算法84.4 PID計算104.5 主程序控制流程114.6 顯示部分12第5章 系統測試與分析/實驗數據及分析135.1 MATLAB程序135.2 MATLAB成象曲線13第6章 課程設計總結14參考文獻15附錄：系統硬件原理圖16第1章 緒論過程控制是自動技術的重要應用領域，它是指對液位、溫度、

5、流量等過程變量進行控制，在冶金、機械、化工、電力等方面得到了廣泛應用。尤其是液位控制技術在現實生活、生產中發揮了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業的排水與進水，如果排水或進水控制得當與否，關系到車間的生產狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內液位過低，會使鍋爐過熱，可能發生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產品的質量與成本等。在這些生產領域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質，極容易出現操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失。可見，在實際生產中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響到工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系

6、數。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發先進的液位控制方法和策略。液位控制是工業中創建的過程控制，它對生產的影響不容忽視。但榮液位控制系統具有非線性、滯后、耦合等特征，能夠很好地模擬工業過程特征。對于液位控制系統，常規的PID控制由于采用固定的參數，難以保證控制適應系統的參數變化和工作條件的變化，得不到理想效果。在本設計中以液位控制系統的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統的執行機構。針對過程控制試驗臺中液位控制系統裝置的特點，建立了基于單片機編程語言的PID液位控制模擬界面和算法程序。雖然PID控制是控制系統中應用最為廣泛的一種控制算法。但是，要想取

7、得良好的控制效果，必須合理的整定PID的控制參數，使之具有合理的數值。第2章 課程設計的方案2.1 概述本次設計主要是綜合應用所學知識，設計單容水箱液位控制系統設計，并在實踐的基本技能方面進行一次系統的訓練。能夠較全面地鞏固和應用“單片機”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握計算機控制算法和PID算法在現實中應用的基本方法。2.2 系統組成總體結構 圖2.1是基于單片機為控制器單容水箱液位控制系統的基本組成硬件框圖。主要由液位傳感器，進水閥門，出水閥門，A/D轉換電路，D/A轉換電路，鍵盤電路，顯示電路，單片機（89C51）組成。液位傳感器可精確快速的測量微小液位差，把差值轉換為電參數的

8、器件。單片機信號得經由計算機PID算法計算傳回。工作原理：控制進水閥門的流量，液位傳感器檢測液位，與設定值相比得到的差值經過A/D轉換，送入單片機中，經過PID算法分析傳回單片機，控制顯示電路實時顯示液位的實際值，信息數據經過D/A轉換控制出水閥門的開閉。傳感器液位信號顯示電路A/D轉換電路單片機差動電路鍵盤電路出水閥門PC機D/A轉換復位電路電路電路圖2.1系統框圖第3章 硬件設計3.1 單片機最小系統設計本次設計中的最小系統模塊中包括CPU、復位電路和晶振。3.2 傳感器模塊本次設計中差壓傳感器選用柯普樂浮球液位傳感器。它是一款根據浮力原理，并采用三線分壓器原理對也未進行測量及信號得變送。

9、浮球內磁鋼的磁力線穿過導管，感應導管內干簧與電阻鏈，由此產生的電壓與液位成正比例關系。工作原理簡單應用范圍廣泛，對于液位的連續測量，能可靠穩定獲取液位信號，不受被測介質的物理化學狀態變化影響，支持信號源距離傳送。適用范圍：溫度：-80+200；壓力：真空100Mpa。耐腐蝕性強，適用于各種場合。誤差在20mm之內。3.3 A/D轉換和D/A轉換模塊該模塊A/D轉換選用ADC0809是M美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A

10、/D芯片。DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點，在單片機應用系統中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。3.4 鍵盤模塊本次設計中采用的4*4的非編碼鍵盤。矩陣式非編碼鍵盤的電路原理圖如圖3.4所示。當沒有鍵按下時，行線和列線之間是不相連。若第N行第M列的鍵被按下，那么第N行與第M列的線就被接通。如果在行線上加上信號，根據列線的狀態，便可得知是否有鍵按下。如果在行線上逐行加上一個掃描信號（本實驗中用的低電平），就可以判斷按鍵的位置。常用的按鍵識別有

11、兩種方法：一種是傳統的行掃描法；另一種是速度較快的線反轉法。本實驗中采用的是線反轉法進行識鍵。鍵盤在單片機系統中是一個很重要的部件。為了輸入數據、查詢和控制系統的工作狀態，都要用到鍵盤，鍵盤是人工干預計算機的主要手段。 鍵盤可分為編碼和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤采用硬件線線路來實現鍵盤編碼，每按下一個鍵，鍵盤能自動生成按鍵代碼，鍵數較多，而且還具有去抖動功能。這種鍵盤使用方便，但硬件較復雜，PC機所用的鍵盤就屬于這種。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關工作狀態，其他工作由軟件完成，這種鍵盤鍵數較少，硬件簡單，一般在單片機應用系統中廣泛使用。圖3.1鍵盤模塊硬件原理圖3.5 顯示模塊本設計采用三位LED顯示

12、電路。即常用的七段顯示器件：半導體數碼管將十進制數碼分成七個字段，每段為一發光二極管。半導體數碼管（或稱LED數碼管）的基本單元是PN結，目前較多采用磷砷化鎵做成的PN結，當外加正向電壓時，就能發出清晰的光線。單個PN結可以封裝成發光二極管，多個PN結可以按分段式封裝成半導體數碼管。有動態顯示和靜態顯示兩種。為了便于實時顯示，本設計采用動態顯示。第4章 軟件設計4.1 PID算法數字PID控制是在實驗研究和生產過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統中用到的數字PID控制算法及其具體應用。一般，在控制系統中，控制器

13、最常用的控制規律是PID控制。常規PID控制系統原理框圖如圖4.1所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象u(t)e(t)r(t) -c(t)圖4.1 PID控制系統原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差 e(t)=r(t)-c(t) (4-1)將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規律為 (4-2)寫成傳遞函數形式為 (4-3)式中 比例系數； 積分時間常數； 微分時間常數；從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮，PID

14、控制器各校正環節的作用如下：1、比例環節 用于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統不穩定。取值過小，則會降低調節精度，使響應速度緩慢，從而延長調節時間，使系統靜態、動態特性變壞。2、積分環節 主要用來消除系統的穩態誤差。越小，系統的靜態誤差消除越快，但過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若過大，將使系統靜態誤差難以消除，影響系統的調節精度。3、微分環節 能改善系統的動態特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大，會使響應過程提前制動，從而延

15、長調節時間，而且會降低系統的抗干擾性能。4.2 位置式PID控制系統 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式（4-2）中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式（3-2），現以一系列的采樣時刻點kT代表連續時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： （4-4）式中 T采樣周期。 顯然，上述離散化過程中，采用周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡化表示成e(k)等，即省去將式（4-4）代入式（4-2），可得離散的PID表達式為 （4-5）或 （4-6）式中 k采樣序號，；u(k)第

16、k次采樣時刻的計算機輸出值；e(k)第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值； 積分系數，；微分系數，；由z變換的性質式（4-6）的z變換式為 （4-7）由式（4-7）便可得到數字PID控制器的z傳遞函數為 （4-8）或者 （4-9）數字PID控制器如圖4.2所示。U(z)u(k)E(z)e(k)圖 4.2 數字PID控制器的結構圖由于計算機輸出的u(k)直接去控制執行機構（如出水閥門），u(k)的值和執行機構的位置（如閥門開度）是一一對應的，所以通常稱式（4-5）或式（4-6）為位置式PID控制算法。PID位置算法D/A執行機構被控對象A/Dr(k) +u(

17、k)e(k) 圖4.3 位置式PID控制系統結構圖這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態有關，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的u(k)對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障，u(k)的大幅度變化，會引起執行機構位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故，因而產生了增量式PID控制的控制算法。所謂增量式PID是指數字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)。4.3 增量型PID控制算法當執行機構需要的是控制量的增量（例如驅動步進電動機）時，可由式（4-6）導出提供增量的PID控制算式。根據遞

18、推原理可得 （4-10.）用式（4-6）減式（4-10），可得 （4-11）r(k) +D/Au(k)PID增量算法A/D執行機構被控對象u(t)u(t)式中 圖4.4增量型PID控制系統框圖式（4-11）稱為增量式PID控制算法。圖4.4給出了增量式PID控制系統示意圖。可以將式（4-11）進一步改寫為 （4-12）式中 、它們都是與采樣周期、比例系數、積分時間常數、微分時間常數有關的系數。可以看出，由于一般計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定了、，只要使用前后3次測量值的偏差，即可由式（4-11）或式（4-12）求出控制增量。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量u(k)對應的是本

19、次執行機構位置（例如閥門開度）的增量。對應閥門實際位置的控制量，即控制量增量的積累需采用一定的方法來解決，例如用有積累作用的元件來實現；目前較多的是利用算式通過執行軟件來完成。由圖4.3、圖4.4可以看出，就整個系統而言，位置式與增量式控制算法并無本質區別，或者仍然全部由計算機承擔其計算，或者一部分由其它部件去完成。增量式控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來了不少優點：（1）由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。（2）手動/自動切換時沖擊小，便于實現無擾動切換。此外，當計算機發生故障時，由于輸出通道或執行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。（3）算式中不

20、需要累加。控制增量u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執行器或在控制精度要求高的系統中，可采用位置控制算法，而在以步進電動機或電動閥門作為執行器的系統中，則可采用增量控制算法。被控對象離線計算，置將A/D結果賦給求計算控制增量D/AA/D將輸出給D/A采樣時刻到否？否到圖4.5PID增量型控制算法流程圖4.4 PID計算因為單容水箱液位控制系統傳函是一階慣性環節。應用MATLAB仿真，直接調試，調節和，4.5 主程序控制流程

21、出水閥保持原開度系統初始化讀取水箱液位液位值送顯示顯示值等于設定值？A/D轉換按鍵掃描有設定值？鍵盤鍵入控制出水閥開度比例讀輸入值偏差計算PIDNY系統上電圖4.6主程序流程圖4.6 顯示部分該函數主要為各顯示函數調用。其工作流程為先向LCD發送控制命令，再傳送待顯數據，最后刷新屏幕。其流程圖如圖4.7所示。入口發送命令延時發送數據延時顯示返回圖4.7 LCD顯示函數流程圖4.7 程序部分Private Sub pid loop()dfilter = 10 數字濾波器 inputd = pv + (inputlast - pv) * (kd / 60)inputlast = pvinputdf

22、 = inputdf + (inputd - inputdf) * dfilter / 60output = (sp - inputdf) * (kp / 100) + feedbackIf output 100 Then 出水閥開度取值范圍是0-100% output = 100End IfIf output 0 Thenoutput = 0End IfHScroll2.Value = 100 - output 自動模式下調節出水閥開度Text6.Text = HScroll2.Value 顯示出水閥門開度值feedback = feedback - (feedback - output) * ki / 60End Sub第5章 系統測試與分析/實驗數據及分析5.1 MATLAB程序圖5.1 一節慣性環節MATLAB程序圖5.2 MATLAB成象曲線圖5.2 一階慣性環節MATLAB程序圖由圖得=1和=0.5，=1.3第6章 課程設計總結在該系統的構想之初有不少困惑。主要是關于PID算法不知道如何應用到設計中。這次課設還要求有計算機仿真，一涉及到各門學科相聯系應用于實踐的設計，心里就開始發怵。因為在學習上都是單純的學習某一門知識，知道怎么解題，如何理解題目的思路，對解題的用途投注了太少的注意力，以至于很多知識可能理解，會用，但是卻不知道怎么