单容水箱液位控制系统设计说明Word格式.docx

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计算机控制技术

设计题目

单容水箱液位控制系统设计

成绩

评分项目

合格

评定

不合格

设计表现

1.独立工作能力

独立完成设计

不能独立完成设计

2.上交设计时间

按时

迟交

设计说明书

3.设计内容

设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确

设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误

4.设计书写、字体、排版

规范、整洁、有条理，排版很好

不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大

5.封面、目录、参考文献

完整

不完整

图纸

6.绘图效果

满足要求

很差

7.布局

合理

布局混乱

8.绘图工程标准

符合标准

不符合标准

答辩

9.回答问题

回答基本正确或正确

回答不正确

总评定

评定说明：

（1）不合格标准

1）设计说明书不合格否决制，即3、4两项达不到要求，不予合格；

2）9项评分标准中，有6项达不到要求，不予合格。

（2）合格标准

除设计说明书的3、4、5项必须满足要求外，其余6项，至少有4项满足要求，给予合格。

（3）请在评定栏里打“√”评定，若全部满足要求，不必分项评定，只需在总评定中打“√”即可，最后给出最终成绩，并签字。

最终成绩：

评定教师签字：

《计算机控制技术》课程综合设计任务书

题目

设计

要求

1、维持水位在0.6米高，水箱的超调小于5%，要求调节时间更小。

2、确定单容水箱系统的数学模型、分析系统和设计系统，给出详细步骤。

3、完成单容水箱系统的硬件设计和软件设计

4、完成系统仿真

设计的主要内容

1、分析单容水箱系统的研究现状和发展趋势

2、了解系统的详细工程应用背景

3、得到水箱系统的数学模型

4、采取PID，对系统进行稳、准、快分析

5、根据系统性能指标的要求，提出控制策略，对系统的性能进行改善。

6、系统仿真与实验

7、绘制主要硬件电路图

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，利用simulink软件对系统进行系统仿真，并进行了整定PID参数，得到整定后的仿真曲线。

系统由进出水阀门，C51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。

整个过程保持出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进水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求范围内。

关键词：

单容水箱；

水箱建模；

液位控制；

PID算法

Abstract

Basedontheprocessmechanismoftheliquidlevelsystem,thispaperestablishesthemathematicalmodelofthesingle-capacitywatertank.ThebasicprincipleofPIDcontrolandthedigitalPIDalgorithmareintroduced.Thesystemsimulationisperformedusingsimulinksoftware,andthePIDparametersareadjustedtoobtainthesimulationcurveafterthetuning.

Thesystemconsistsofinletandoutletvalves,C51microcontroller,A/Dconverter,D/Aconverter,sensor,displaycircuitandkeyboardcircuit.Throughouttheentireprocess,theproportionofopeningoftheoutletvalveiskeptconstant,andthecorrespondinglevelvalueofthesensordetectioncircuitiscontinuouslysenttotheA/Dconverterforprocessing.TheoutputdigitalquantityissenttotheSCM,andthecontroldisplaycircuitdisplaystheactualliquidlevelinrealtime.Value,thesetvalueisinputbythekeyboard,andthecontrollercomparesthevaluetocontroltheopeningratiooftheinletvalvetokeeptheliquidlevelstablewithintherequiredrange.

Keywords:

Singlecapacitywatertank;

Watertankmodeling;

Liquidlevelcontrol;

PIDalgorithm

0前言

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，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。

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，选择了进水阀门作为控制系统的执行机构。

在单闭环状况下使用PID控制来控制水箱的水位。

1设计方案

1.1概述

本次设计的水箱用于锅炉冷却供水的蓄水池，维持一定水量，保证冷却供水稳定。

通过计算机控制系统对水箱液位进行控制的系统设计。

控制器的选择是C51单片机，通过传感器采样并A/D转换，然后通过单片机对数据进行处理，控制阀门开度大小改变流量，达到对水箱水位的控制，主要应用PID算法。

1.2系统结构

计算机控制基本的系统框图如图1-1所示：

图1-1计算机控制系统框图

Fig.1-1SystemblockDiagram

根据课题要求，设计简单的系统硬件框图如图1-2所示：

图1-2单容水箱硬件系统框图

Fig.1-2Theblockdiagramofthesinglevolumetankhardwaresystem

工作原理：

控制出水阀门的开度，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，经过单片机进行PID算法分析，控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过D/A转换控制进水阀门的开度。

2水箱系统建模

2.1水箱结构图

图2-1单容水箱结构图

Fig.2-1Thestructurediagramofthesinglecapacitywatertank

2.2水箱模型计算

由图2-1可知，被控对象的被控量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1,，Q2为水箱中流出的流量。

根据物料平衡关系，在平衡状态时

（2-1）

动态时，则有

（2-2）

式中V为水箱的容积，为水贮存量的变化率，它与h的关系为dV=Adh,即

（2-3）

A为水箱底面积。

把式（2-3）代入式（2-2）得

（2-4）

基于,Rs为下阀的液阻，则式（2-4）可改写为

即

（2-5）

或

（2-6）

上式中T=ARs，它与水箱的底面积A和下阀的Rs有关；

K=Rs。

式（2-6）就是单容水箱的传递函数[1]。

水箱截面为直径1m的圆形，水箱截面积为0.79m2，根据选择的入水阀门T940H-16，DN=400mm，Cv=630t/h，即0.175m3/s。

调节阀2后，可测得Rs为5[2]。

（2-7）

3硬件设计

3.1C51单片机最小系统

对51系列单片机来说，单片机要正常工作，必须具有五个基本电路：

电源电路、时钟电路、复位电路、程序存储器选择电路、外围电路。

因此，单片机最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路、外围电路等[3]。

3.2传感器

本次液位传感器采用zlm620型投入式液位传感器，投入式液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号，一般适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

特点：

稳定性好，精度高，安装使用相当方便，固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长从水、油到粘度较大的糊状都可以进行高精度测量，不受被测介质起泡、沉积、电气特性的影响宽范围的温度补偿。

3.3A/D转换模块

A/D转换模块选用ADC0832芯片。

A/D转换器是数字化测量和显示仪表的重要组成部分,其转换速度、精度和分辨率,直接影响着测量结果和显示的质量指标。

ADC0832是使用非常普遍的８位A/D转换器,其最高分辨可达256级,由于其片内有输入数据寄存器,故可以直接与单片机接口。

ADC0832以电流形式输出,当需要转换为电压输出时,可外接运算放大器[4]。

3.4D/A转换模块

D/A转换模块选用DAC0832。

数模转换处理是微型计算机或单片计算机生产过程实时测控系统输出过程通道中的重要组成部分。

通过数模转换环节，把经过计算机运算处理后的数字电量转换成为模拟电量，进而驱动和控制执行机构相应动作，实现生产过程的自动调节和控制[5]。

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。

3.5显示模块

此次设计显示部分采用LCD1602显示屏。

LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块[6]，采用单片机系统对LCD1602进行控制，具有接口更加简单可靠，编程易于实现，操作更加方便，显示质量高的优点。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多[7]。

3.6键盘模块

本次设计的键盘一共设计四个按键，分别为：

功能键，数值加，数值减，确定键。