1、下載可編輯遼寧工程技術大學計算機控制技術課程設計設計題目單容水箱液位控制系統設計指導教師院（系、部）專業班級學號姓名日期.專業 .整理 .下載可編輯課程設計成績評定表學期姓名專業班級課程名稱計算機控制技術設計題目單容水箱液位控制系統設計成績合格評定不合格評定評分項目設1.獨立工作能力獨立完成設計不能獨立完成設計計表2.上交設計時間按時遲交現設計思路清晰，結設計思路不清晰， 結構方案良好，設計構方案不合理， 關鍵設3. 設計內容參數選擇正確，條設計參數選 擇有錯理清楚，內容完整，誤，調理清楚，內容計結果正確不完整，有明顯錯誤說不規范、不整潔、無明4.設計書寫、字規范、整潔、有條條理，排版有問題很

2、書體、排版理，排版很好大5. 封面、目錄、完整不完整參考文獻圖6. 繪圖效果滿足要求很差7.布局合理布局混亂紙8.繪圖工程標準符合標準不符合標準答9.回答問題回答基本正確或正回答不正確辯確總評定評定說明：（1）不合格標準1）設計說明書不合格否決制，即3、4 兩項達不到要求，不予合格；2） 9 項評分標準中，有6 項達不到要求，不予合格。（2）合格標準除設計說明書的 3、4、5 項必須滿足要求外，其余 6 項，至少有 4 項滿足要求，給予合格。（3）請在評定欄里打“”評定，若全部滿足要求，不必分項評定，只需在總評定中打“”即可，最后給出最終成績，并簽字。最終成績：評定教師簽字：.專業 .整理 .

3、下載可編輯計算機控制技術課程綜合設計任務書姓名題目單容水箱液位控制系統設計1、維持水位在 0.6 米高，水箱的超調小于5%，要求調節時間更小。設計要求2、確定單容水箱系統的數學模型、分析系統和設計系統，給出詳細步驟。3、完成單容水箱系統的硬件設計和軟件設計4、完成系統仿真設計的主要內容1、分析單容水箱系統的研究現狀和發展趨勢2、了解系統的詳細工程應用背景3、得到水箱系統的數學模型4、采取 PID，對系統進行穩、準、快分析5、根據系統性能指標的要求，提出控制策略，對系統的性能進行改善。6、系統仿真與實驗7、繪制主要硬件電路圖.專業 .整理 .下載可編輯摘要本文根據液位系統過程機理，建立了單容水箱

4、的數學模型。介紹了PID 控制的基本原理及數字 PID 算法，利用 simulink軟件對系統進行系統仿真，并進行了整定PID 參數，得到整定后的仿真曲線。系統由進出水閥門， C51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。整個過程保持出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進水閥門的開度比例，以保持液位穩定在要求范圍內。關鍵詞：單容水箱；水箱建模；液位控制；PID 算法Abstract.專業 .整理 .下載可編輯Ba

5、sed on theprocess mechanism oftheliquidlevelsystem,thispaper establishesthe mathematicalmodel ofthesingle-capacitywatertank.The basic principleofPIDcontrol and the digital PID algorithm are introduced. The system simulation isperformedusing simulinksoftware,and the PID parametersareadjustedto obtain

6、thesimulation curve after the tuning.The systemconsistsofinletandoutletvalves,C51 microcontroller,A/Dconverter, D/A converter, sensor, display circuit and keyboard circuit. Throughoutthe entire process, the proportion of opening of the outlet valve is kept constant,and the corresponding level value

7、of the sensor detection circuit is continuouslysent to the A/D converterforprocessing.The outputdigitalquantityissenttotheSCM, and the control display circuit displays the actual liquid level in real time.Value, thesetvalue isinputby thekeyboard,and the controllercompares thevalueto controltheopenin

8、gratio of the inletvalvetokeep theliquidlevelstablewithinthe required range.Key words: Singlecapacitywater tank;Water tankmodeling;Liquidlevelcontrol;PIDalgorithm.專業 .整理 .下載可編輯.專業 .整理 .下載可編輯目錄0前言 . .11設計方案 . .21.1概述 . .21.2系統結構 . .22水箱系統建模 . .32.1水箱結構圖 . .32.2水箱模型計算 . .33硬件設計 . .53.1C51 單片機最小系統 .53.

9、2傳感器 . .53.3A/D轉換模塊 .53.4D/A轉換模塊 .53.5顯示模塊 . .63.6鍵盤模塊 . .63.7調節閥 . .64 PID 算法與軟件設計 .74.1PID算法分析 .74.2位置式 PID .84.3主程序流程圖 . .104.4顯示子程序 . .11.專業 .整理 .下載可編輯4.5鍵盤子程序 .114.6 A/D 子程序115 系統仿真 .125.1系統自衡仿真 .125.2 simulink仿真圖125.3 simulink曲線136 結論 .14參考文獻 .15附錄：系統硬件電路圖16.專業 .整理 .下載可編輯0 前言液位控制技術在現實生活、生產中發揮了

10、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，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。在本設計中以液位控制系統的水箱作為

11、研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了進水閥門作為控制系統的執行機構。在單閉環狀況下使用PID 控制來控制水箱的水位。.專業 .整理 .下載可編輯1 設計方案1.1概述本次設計的水箱用于鍋爐冷卻供水的蓄水池，維持一定水量，保證冷卻供水穩定。通過計算機控制系統對水箱液位進行控制的系統設計。控制器的選擇是C51單片機，通過傳感器采樣并 A/D 轉換，然后通過單片機對數據進行處理，控制閥門開度大小改變流量，達到對水箱水位的控制，主要應用PID 算法。1.2系統結構計算機控制基本的系統框圖如圖1-1 所示：圖 1-1 計算機控制系統框圖Fig. 1-1 System block Diagram根據課題

12、要求，設計簡單的系統硬件框圖如圖1-2 所示：圖 1-2單容水箱硬件系統框圖Fig. 1-2 The block diagram of the single volume tank hardware system工作原理：控制出水閥門的開度，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，經過單片機進行PID 算法分析，控制顯示電路實時顯示液位的實際值，信息數據經過D/A 轉換控制進水閥門的開度。.專業 .整理 .下載可編輯2 水箱系統建模2.1水箱結構圖圖 2-1 單容水箱結構圖Fig. 2-1 The structure diagram of the single

13、 capacity water tank2.2水箱模型計算由圖 2-1 可知，被控對象的被控量為水箱的液位h，控制量（輸入量）是流入水箱中的流量 Q1, ，Q2 為水箱中流出的流量。根據物料平衡關系，在平衡狀態時?10 -?20 = 0(2-1)動態時，則有?1 -?(2-2)?2 = ?式中 V 為水箱的容積，?為水貯存量的變化率，它與h 的關系為 dV=Adh,即? = ? ?(2-3)A 為水箱底面積。把式（ 2-3 ）代入式（ 2-2 ）得?1 - ?2= ?(2-4)?基于 ?2 = ?,Rs 為下閥的液阻，則式（2-4 ）可改寫為h ?1 - ? = ? ?即?ARs? + ? =

14、 ?(2-5)或.專業 .整理 .下載可編輯?( ?)?(2-6)?1(?) = ?+ 1上式中 T=ARs，它與水箱的底面積 A 和下閥的 Rs有關； K=Rs。式（ 2-6 ）就是單容水箱的傳遞函數 1 。水箱截面為直徑 1m 的圓形，水箱截面積為0.79m2 ，根據選擇的入水閥門T940H-16，DN=400mm，Cv=630t/h ，即 0.175m3/s 。調節閥 2 后，可測得 Rs 為 52。G?( s) =5(2-7)3.95?+ 1.專業 .整理 .下載可編輯3 硬件設計3.1 C51 單片機最小系統對 51 系列單片機來說，單片機要正常工作，必須具有五個基本電路：電源電路、

15、時鐘電路、復位電路、程序存儲器選擇電路、外圍電路。因此，單片機最小系統一般應該包括單片機、晶振電路、復位電路、外圍電路等 3 。3.2傳感器本次液位傳感器采用zlm620 型投入式液位傳感器， 投入式液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號，一般適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環保等系統和行業的各種介質的液位測量。特點：穩定性好，精度高，安裝使用相當方便，固態結構，無可動部件，高可靠性，使用壽命長從水、油到粘度較大的糊狀都可以進行高

16、精度測量，不受被測介質起泡、沉積、電氣特性的影響寬范圍的溫度補償。3.3 A/D轉換模塊A/D 轉換模塊選用 ADC0832芯片。 A/D 轉換器是數字化測量和顯示儀表的重要組成部分 , 其轉換速度、精度和分辨率 , 直接影響著測量結果和顯示的質量指標。 ADC0832是使用非常普遍的位 A/D 轉換器 , 其最高分辨可達 256 級 , 由于其片內有輸入數據寄存器 , 故可以直接與單片機接口。 ADC0832以電流形式輸出 , 當需要轉換為電壓輸出時 , 可外接運算放大器 4 。3.4 D/A轉換模塊D/A 轉換模塊選用 DAC0832。數模轉換處理是微型計算機或單片計算機生產過程實時測控系

17、統輸出過程通道中的重要組成部分。通過數模轉換環節，把經過計算機運算處理后的數字電量轉換成為模擬電量，進而驅動和控制執行機構相應動作，實現生產過程的自動調節和控制5 。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。.專業 .整理 .下載可編輯3.5顯示模塊此次設計顯示部分采用LCD1602顯示屏。 LCD1602液晶顯示器是目前廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊 6 ，采用單片

18、機系統對LCD1602進行控制，具有接口更加簡單可靠，編程易于實現，操作更加方便，顯示質量高的優點。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多7 。3.6鍵盤模塊本次設計的鍵盤一共設計四個按鍵，分別為：功能鍵，數值加，數值減，確定鍵。功能鍵：移動 LCD1602的光標，按動一次，移動一次；數值加 / 減鍵：對光標數字在0 至 9 間進行加一或減一；確定鍵：在數值輸入完成后通過確定鍵把設定值輸入單片機進行運算。3.7調節閥本次選用 T940H-16電動調節閥， DN選用 400mm，查表可知 Cv=630t/h 。電動調節閥是工業自動化

19、過程控制中的重要執行單元儀表。隨著工業領域的自動化程度越來越高，正被越來越多的應用在各種工業生產領域中。與傳統的氣動調節閥相比具有明顯的優點：電動調節閥節能，環保，安裝快捷方便。閥門按其所配執行機構使用的動力，按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。.專業 .整理 .下載可編輯4 PID 算法與軟件設計4.1 PID算法分析數字 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，控制器最常用的控制規律是PID 控

20、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。圖 4-1 PID控制系統原理框圖Figure 4-1 PID control system schematic diagramPID 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()()- c(t )(4-1)e t= r t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u(t ) = ?( ?) +1?(?)(4-2)?( ?) ? + ?0其傳遞函數形式為( )=?(?)1

21、?(4-3)G s?(?) = ? ( 1 + ? ? + ?)?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 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.專業 .整理 .下載可編輯響應速度緩慢，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

22、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，從而延長調節時間，而且會降低系統的抗干擾性能。4.2位置式 PID計算機控制系統是一種采樣控制系統，其只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此式（4-2 ）中的積分和微分不能直接使用，需要進行離散化處理。利用外接矩形法進行數值積分，一階后向差分進行數值微分，當選定采樣周期為T 時，有?= ? ? +? = ? + ? ( ? - ?- 1)(4-4)?或? =? + ?( ? - ?- 1)(4-5)? ? + ? ?= 0如果采樣周期足夠小，這種

23、離散逼近相當準確。式（ 4-4 ）式（4-5 ）中，ui 為全量輸出，它對應于被控對象的執行機構第 i 次采樣時刻應達到的位置，因此，上兩式稱為 PID 位置型控制算式。由 z 變換的性質?-1? ?z ?1= ?( )?(?)z ? =-1?= 0(1- ?)式（ 4-5 ）的 z 變換式為()=?(?)+?( ?)- 1- 1 + ?(1 -) ?(?)(4-6)U z?1- ?由式（ 4-6 ）可得 PID 控制規律的脈沖傳遞函數 8()?(?)?- 1= ?(?)?(4-7)D z= ? + 1- ?-1 + ?(1 - ? )數字 PID 控制器如圖 4-2 所示。.專業 .整理 .

24、下載可編輯圖 4-2數字 PID 控制器的結構圖Fig. 4-2 structure diagram of digital PID controllerPID 具體數值調節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KP,K I ,K D。.專業 .整理 .下載可編輯4.3主程序流程圖圖 4-3主程序流程圖Fig. 4-3 Main program Flowchart.專業 .整理 .下載可編輯4.4顯示子程序在測控系統中無論是測量值還是設定值都需要顯示到屏幕上給人以直觀的影響。因此在本設計中采用 LCD1602顯示測量值和給定值。 對 1602 液晶首先要

25、進行初始化， 初始化后就可以將要顯示的字符或數字在兩行上任意顯示。上行為實際值，下行為設定值。圖 4-4 LCD 顯示流程圖圖 4-5鍵盤流程圖圖 4-6 A/D轉換流程圖Figure4-4 LCDdisplayflowchartFigure4-5 Keyboard flowchartFigure4-6 A/D conversionflowchart4.5鍵盤子程序鍵盤作為人機接口的重要部分，可以很好的將指令送到單片機中，本設計中鍵盤的主要任務是設定液位值。在設計中采用的是四鍵式獨立式按鍵，它的掃描過程是首先根據高低電平判斷是否有鍵按下、延時后看是否鍵還在按下狀態，若是低電平則說明確實按下。四

26、個按鍵分別實現功能鍵、加鍵、減鍵、確認鍵 9 。流程圖如圖 4-5 。4.6 A/D子程序首先對采樣值進行A/D 轉換，其次判斷其是否轉換完成，如果沒有完成則繼續轉換直到轉換完成，再次，將碼值Nx 送到單片機緩存單元存儲。等單片機進行處理。AD 轉化流程圖如圖 4-6 。.專業 .整理 .下載可編輯5 系統仿真5.1系統自衡仿真本次設計的單容水箱的液位變化是一個自衡過程，輸入單位階躍，液位變化如圖5-1 。圖 5-1系統響應曲線Fig. 5-1 System response curve從上圖可以看出系統自衡過程需要接近20 秒的時間。5.2 simulink仿真圖圖 5-2 simulink

27、仿真圖Figure 5-2 Simulink simulation diagram.專業 .整理 .下載可編輯5.3 simulink曲線設定輸入值為 0.6 ，采樣周期為1s，通過試湊法 10 來得到 KP=0.82 ，KI =0.087 ， KD=0.09 。圖 5-3 simulink輸出曲線Figure 5-3 Simulink Output curve在此基礎上，在15s 的時候加入一個幅值為0.1 的負擾動，輸出曲線為圖 5-4擾動曲線Fig. 5-4 the perturbation curve由上兩圖可知在 KP=0.82 ，KI =0.087 ， KD=0.09 時候，超調量小于 5%，液位最終都維持在了 0.