新版计算机控制关键技术专业课程设计.doc

计算机控制技术课程设计
评语：

考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100分)

专 业： 自动化
班 级： 动201xxx
姓 名： xxx
学 号： xxxxxx
指引教师： xxx

兰州交通大学自动化与电气工程学院
年 07 月 15 日

水箱液位控制系统设计
1设计目
通过课程设计使学生掌握如何应用微型计算机结合自动控制理论中各种控制算法构成一种完整闭环控制系统原理和办法；掌握工业控制中典型闭环控制系统硬件某些构成、工作原理及其设计办法；掌握控制系统中典型算法程序设计办法；掌握测控对象参数检测办法、变送器功能、执行器和调节阀功能、过程控制仪表PID控制参数整定办法，进一步加强对课堂理论知识理解与综合应用能力，进而提高解决实际工程问题能力。
2 设计规定
设计双容水箱液位控制系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设立调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。设计串级控制系统以维持下水箱液位恒定，双容水箱液位控制系统示意图如下图1所示。

图1 双容水箱液位控制系统示意图
3 设计办法
为保持水箱液位稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而变化流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调节PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好效果，系统也将有较好抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰通过控制通路传递到下水箱，会有很大延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁浮现，无论如何调节PID参数，都将无法得到满意效果。考虑到串级控制可以使某些重要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好控制效果。
4设计方案及原理
3.1系统功能简介
整个过程控制系统由控制器，执行器，测量变送，被控对象构成，在本次控制系统中控制器为单片机，采用算法为PID控制规律，执行器为电磁阀，采样采用A/D芯片,测量变送器为A，被控对象为流量B。整个控制过程，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器控制信号按其大小变化阀门开度，调节给水量，以克服扰动影响，使被控变量回到设定值，最后达到水箱液位恒定。
3.2系统构成总体构造
水箱液位控制系统框图如图2所示。

图2 计算机控制系统框图
3.3水箱液位控制实现
一方面由液位传感器检测出水箱液位，液位实际值通过A/D转换，变成数字信号后，输入到计算机中，最后，在计算机中依照液位给定值与实际值之差，运用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中。最后，由单片机输出模仿信号控制电动阀门开度，从而形成一种闭环系统，实现水箱液位自动控制。
4硬件设计
水箱液位控制系统硬件原理如图3所示。

图3 水箱液位控制系统硬件原理图
4.1主控芯片AT89C51
本设计中微控制器选用ATMAL公司生产AT89C51，该芯片具备原则易用，货源充分，价格便宜等特点。
AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机一种具备8位Flash 存储器单片机，是众多由8051单片机加强改进演变而来系列单片机中最具代表性一款。它最大特点是片内具有Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛应用。
4.2 A/D转换器选取
ADC0809是美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一种8通道多路开关，它可以依照地址码锁存译码后信号，只选通8路模仿输入信号一种进行A/D转换。是当前国内应用最广泛8位通用A/D芯片。
4.3液位检测传感器选取
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部具有1个压力传感器和相应放大电路。压力传感器是美国SM公司生产555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器通过特殊加工解决，用结实耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图4所示。1脚为信号输出(一)；2脚为信号输出(一)；3脚为勉励电压；4脚为地；5脚为信号 输出(+)；6脚为信号输出(+)。
在水箱底部安装1根直径为5mm软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把原则气压信号（20—100kPa）转换成原则电压信号（1—5VDC），输送到A／D转换器。

图4 SY-9411L-D型变送器引脚构造图
4.4阀门选取
电磁调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需陪伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造同步电机，运营平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作以便。
4.5 A/D转换电路
ADC0809是美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一种8通道多路开关，它可以依照地址码锁存译码后信号，只选通8路模仿输入信号一种进行A/D转换。是当前国内应用最广泛8位通用A/D芯片。
A/D转换电路在控制系统中起主导作用，用它将传感器输出模仿电压信号转换成单片机能解决数字量。该控制系统采用CMOS工艺制造逐渐逼近式8位A/D转换器芯片ADC0809。在使用时可选取中断、查询和延时等待3种方式编制A/D转换程序。图5是A/D转换某些原理图，在接线时先通过运算放大器和分压电路把传感器输出电流信号转换成电压信号，然后输入到A/D转换器。

图5 A/D转换电路原理图
4.6液位显示电路设计
液位显示采用数码管动态显示，范畴从0～999(单位可自定)，选取数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一种8位D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展锁存器，也可以作为普通LED驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示屏来完毕数码管驱动显示，因而74LS373在这里只用作扩展缓冲。

图6 显示电路原理图

5 PID算法及软件设计
5.1 PID算法分析
数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍一种控制办法，在液位控制系统中也有着极其重要控制作用。常规PID控制系统原理框图如图7所示。

图7 模仿PID控制系统原理框图
依照给定液位值r(t)与实际输出液位值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律为：

其中，Kp是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间。
PID控制器各校正环节作用如下：
1、比例环节
用于加快系统响应速度，提高系统调节精度。Kp越大，系统响应速度越快系统调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
2、积分环节
重要用来消除系统稳态误差。Ti越小，系统静态误差消除越快，但Ti过小，在响应过程初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程较大超调。
3、微分环节
能改进系统动态性能，其作用重要是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报。
对于水箱液位来说，采用单片机来控制，因而其PID控制规律采用增量式差分方程：
其中，K为采样信号，u(k)是第K次时计算机输出值，e(k)是第K次采用输入差值，e(k-1)为第K-1次采用输出偏差值。
把测得液位与设定值相比，便可得到两者偏差，然后通过PID运算，得到控制器输出量，驱动变频器变化执行机构功率，来变化液位高度。
5.2 串级控制系统设计
已知上下水箱传递函数分别为：
Gp1(s)=1/(3s+1),Gp2(s)=1/(5s+1)
串级控制系统框图如图7所示：

图7 串级控制系统框图
系统MATLAB仿真框图（无噪声）如图8所示：

图8 串级控制系统MATLAB仿真框图（无干扰）
此时，系统阶跃响应如下图所示：
参数：K1=25，Ti=3.2，TD=0.8，K2=0.1

系统MATLAB仿真框图（无噪声）如图9所示：

图9 串级控制系统MATLAB仿真框图（有干扰）
此时，系统阶跃响应如下图所示：
参数：K1=35，Ti=1.8，TD=0.5，K2=0.1

7总结
依照偏差比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛一种控制规律。实际运营经验和理论分析都表白。这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能达到满意效果。但是，用计算机实现PID控制不是简朴地把PID控制规律数字化，而是进一步与计算机逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活。在计算机控制系统中，PID控制规律实现必要用数值逼近办法。当采样周期相称短时，用求和代替积分、用后相差分代替微分，使模仿PID离散化变为差分方程。
在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量相应阀门开度，表征了执行机构位置，此时控制器应用数字PID位置是控制算法。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出控制量，是相对于上次控制量增长，此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。通过本次设计，我掌握了液位单回路控制系统构成，懂得它最基本某些有控制器、调节器、被控对象和测量变送构成。并且学会了如何去设计一种过程控制系统，掌握了基本设计环节，认知被控对象、设计控制方案、选取控制规律、选取过程仪表、选取过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MATLAB仿真。总体来说，这次设计收获很大。
参照文献
[1] 李华.范多旺.计算机控制系统[M].机械工业出版社,：231-241.
[2] 薛定宇.控制系记录算机辅助设计—MATLAB语言与应用[M].清华大学出版社,1996：205-239.