[畢業(yè)設(shè)計精品]儲水罐液位計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計儲水罐液位計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名學(xué) 號學(xué)院名稱信電工程學(xué)院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師2010年6月8日 目 錄1 課程設(shè)計說明11.1 題目說明 11.2 設(shè)計要求 12 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理 12.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖12.2工作原理23控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與總體控制方案23.1 儲水槽數(shù)學(xué)模型23.2 d/a轉(zhuǎn)換器數(shù)學(xué)型33.3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖4 3.3系統(tǒng)總體方案44傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型設(shè)計4 4.1液位傳感器選型4 4.1.1液位傳感器簡介4 4.1.2液位傳感器工作原理4 4.1.3液位傳感器選型5 4.2水泵選型55控制器與硬件電路的設(shè)計6

2、 5.1控制器總體方案設(shè)計6 5.2硬件電路的設(shè)計7 5.2.1振蕩電路7 5.2.2復(fù)位電路7 5.2.3數(shù)碼管顯示電路8 5.2.4a/d轉(zhuǎn)換電路8 5.2.5電機(jī)驅(qū)動電路96軟件設(shè)計11 6.1軟件設(shè)計模塊11 6.1.2軟件設(shè)計模塊11 6.1.2pi算法11 6.2軟件設(shè)計流程圖12結(jié)論13參考文獻(xiàn)14附錄15附錄115附錄2151 課程設(shè)計說明1.1 題目說明被控系統(tǒng)為一儲水罐。系統(tǒng)如圖1-1所示，儲水罐內(nèi)為清水，下部設(shè)有出水管，流量記為q2。儲水罐通過水泵將清水池內(nèi)的清水補(bǔ)入罐內(nèi)，流量記為q1，清水池內(nèi)的水位可視為固定值2米（即在儲水罐補(bǔ)水過程中液位不變化）。已知儲水罐的截面積a

3、=1平方米，高度h=2米，要求控制目標(biāo)液位高度為1米。 圖1-11.2設(shè)計要求1要求控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間ts2分鐘，超調(diào)量10%。2 設(shè)計人機(jī)接口實時顯示。 2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2-1中的控制器為pid控制器，其功能由計算計算機(jī)實現(xiàn)。計算機(jī)有強(qiáng)大的運(yùn)算，邏輯判斷和記憶功能。當(dāng)給初始量和反饋量后，依照偏差值進(jìn)行pid控制算法的運(yùn)算，計算結(jié)果經(jīng)da轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對系統(tǒng)的控制。2.2 工作原理如圖1-1所示打開電源水泵工作，將水抽入儲水罐中，進(jìn)水流量為, 水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量 的速度流出。水槽中有一個液位控制器測量液位懂的高

4、度，液位傳感器將液位高度經(jīng)ad轉(zhuǎn)換器傳至計算機(jī)與給定液位高度比較得到偏差，經(jīng)控制算法計算出相應(yīng)的控制值，控制信號經(jīng)da轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號控制水泵抽水，從而達(dá)到給定的高度。3控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與總體控制方案3.1儲水槽數(shù)學(xué)模型儲水罐流入量與流出量之差可用式3-1表示。 式（3-1）式中 表示輸入水流量的增量； 表示輸出水流量的增量； 表示儲水罐液體貯存量； 表示儲水罐橫截面面積； 表示儲水罐液位高度的增量；輸出水量增量可由式3-2表示 式（3-2） 式中 表示流量系數(shù)； 表示出水管的開度變化；流出量與液位高度的關(guān)系式為 這是一個非線性關(guān)系式，可在平衡點 進(jìn)行線性化，得到液阻表達(dá)式 式（3-3）

5、將式（3-2）和式（3-3）帶入式3-2可得 式（3-4） 式中 對式3-4兩端進(jìn)行拉式變換得到儲水罐的傳遞函數(shù)為 式（3-5） 由條件已知 ；假設(shè)： ； ;則 式（3-6）3.2 d/a轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型d/a轉(zhuǎn)換器把離散數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號，d/a轉(zhuǎn)換過程可以用零階保持器取代，查閱相關(guān)資料得到零階保持器的傳遞函數(shù)為： 式（3-7）將該傳遞函數(shù)近似實現(xiàn)： 式（3-8） 式（3-9）3.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖 圖3-1注：式中的符號t,k1,k2,k3將在硬件選擇這一部分中確定。3.4系統(tǒng)總體方案方案一：基于plc的液位控制系統(tǒng)plc控制系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)主要是以可編程序邏輯控制器plc為核心，

6、以step7-micro/win軟件為開發(fā)平臺，以實驗臺上的各種設(shè)備為對象使用梯形圖語言進(jìn)行plc控制程序的開發(fā)來控制各種設(shè)備。mcgs組態(tài)軟件用于生成和運(yùn)行水塔監(jiān)控的組態(tài)工程文件。完成構(gòu)建的plc控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能。方案二：基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)在液位控制系統(tǒng)的設(shè)計中采用以at89c51單片機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集用8位adc0809，輸出控制數(shù)據(jù)采用8位d/a轉(zhuǎn)換芯片dac0832用來把計算機(jī)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號再通過放大器把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號控制水泵，達(dá)到對液位的控制。以上兩種方案均能實現(xiàn)對液位高度的控制，結(jié)合本學(xué)期所學(xué)課程（單片機(jī)與計算機(jī)控制技術(shù)），采用方案二比較現(xiàn)實。4傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

7、的選型設(shè)計4.1液位傳感器的選型4.1.1液位傳感器簡介液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器靜壓投入式液位變送器（液位計）是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感原件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號（一般為420ma）。靜壓投入式液位變送器精巧的結(jié)構(gòu)，簡單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420ma、 05v、 010ma等標(biāo)準(zhǔn)信號輸出方式由用戶根據(jù)需要任選。4.1.2液位傳感器工作原理用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為： = .g.h

8、+po式（4-1）式中： p ：變送器迎液面所受壓力； ：被測液體密度 ； g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?； po ：液面上大氣壓 ； h ：變送器投入液體的深度；通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 po 與傳感器的負(fù)壓腔連，以抵消傳感器背面的 po 使傳感器測得壓力為： .g.h ，顯然 , 通過測取壓力 p ，可以得到液位深度。4.1.3液位傳感器選型根據(jù)設(shè)計要求液位目標(biāo)高度為1m，故傳感器量程不能選擇太大，精度要高。 查閱相關(guān)資料選擇urs-100投入式液位變送器結(jié)構(gòu)原理：urs-100系列靜壓式液位計變送器是通過測量液體高度而產(chǎn)生的靜壓力來測定液體液位的。當(dāng)把液

9、位變送器的傳感器部分投入到液體介質(zhì)中時，傳感器把液體的靜壓轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化成420madc標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。主要技術(shù)參數(shù)測量范圍：01m；0100m輸出信號：420madc二線制精確度：0.2級，可提供0.1級介質(zhì)溫度：-40100環(huán)境溫度：-3080環(huán)境溫度影響：在溫度外償范圍內(nèi)，零位變化量0.3%/10 量程變化量: 0.2%/10電源電壓:24vdc,按負(fù)載特性,電源電壓可達(dá)1240vdc電源電壓影響：在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，輸出變換量0.01%/1v射頻干擾影響：當(dāng)變送器正常安裝及罩殼蓋緊時，對射頻頻率為271000mhz之間和場強(qiáng)30v/m的干擾，輸出變化量0.1%

10、長期穩(wěn)定性：0.3%(6個月)防爆標(biāo)志：本安型：ex ib ct4t6隔爆型：ex d bt4外殼防爆等級：ip65連接形式：urs-100型-法蘭安裝：dn50 pn1.0凸面法蘭標(biāo)準(zhǔn)：hg20598-97支架安裝，衛(wèi)生快裝卡箍：dn50urs-100s型-螺紋安裝：g3/44.2水泵選型根據(jù)設(shè)計要求控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間ts2分鐘，水泵的選型要考慮調(diào)節(jié)時間的限制。由于儲水槽到達(dá)液位高度時水槽中水的容量為1000l. 查閱相關(guān)資料選擇wka1300型水泵，參數(shù)如下： 表4-1電壓電流流量最大抽水高度處于最大抽水高度時泵的抽水速率（l/min）12v50024v500 圖4-1水泵實物圖5控制器與硬

11、件電路的設(shè)計5.1控制器總體方案設(shè)計本液位控制系統(tǒng)采用以mcs51單片機(jī)為主控芯片的控制器，外擴(kuò)a/d傳感器采集液位傳感器數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管顯示電路顯示液位高度，采用一定的控制算法與標(biāo)準(zhǔn)液位高度進(jìn)行比較，利用pwm波對水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制從而調(diào)節(jié)液位高度。控制器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示： 振蕩電路數(shù)碼管顯示電路p0 單片機(jī)p2.0-p2.2p1 復(fù)位電路液位傳感器a/d傳感器電機(jī)驅(qū)動電路 圖5-1注：1單片機(jī)的p0口控制數(shù)碼管顯示液位高度； 2單片機(jī)得p1口用于采集a/d信號；3單片機(jī)的p2.0-p2.2口用于控制電機(jī)驅(qū)動電路；5.2硬件電路的設(shè)計5.2.1振蕩電路單片機(jī)時鐘信號有兩種方式得到：

12、內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。引腳xtal1 和xtal2引腳上外接晶振構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖，本控制器采用12mhz的晶振其電路圖如圖5-2：圖5-25.2.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路有上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位兩種方式，本控制器采用開關(guān)復(fù)位，其電路圖如圖5-3所示：圖5-3如圖按下復(fù)位開關(guān)k后由于電容c1的充電和反相門的作用，使rest持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵k后松開，也能使rest為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。5.2.3數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路用來顯示液位高度，本控制

13、器的設(shè)計方法是用兩片74hc573鎖存芯片接單片機(jī)的p0口控制數(shù)碼管的位選和斷選，這樣做可以節(jié)省單片機(jī)的i/o口，其電路圖如圖5-4所示：圖5-45.2.4a/d轉(zhuǎn)換電路a/d轉(zhuǎn)換電路主要是用來采集傳感器的信號，將傳感器采集的液位高度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機(jī)做相關(guān)處理。本控制器采用adc0804芯片，其連接電路如圖5-5：圖5-5根據(jù)adc0804的數(shù)據(jù)手冊連接電路，引腳vin+,vin-作為模擬信號的輸入端，db0-db7將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸入單片機(jī)的p1口對數(shù)據(jù)做相關(guān)處理。5.2.5電機(jī)驅(qū)動電路本課程設(shè)計所選水泵為wka1300型微型水泵，此水泵為直流控制，相當(dāng)于一個直流電機(jī)；用

14、單片機(jī)控制直流電路通常是通過i/o口輸出pwm波來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)。目前流行的直流電機(jī)驅(qū)動電路是h型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以 很方便實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分 別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。 它的基本原理圖如圖5-6所示。 全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工 作在斬波狀態(tài)，s1、s2為一組，s3、s4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)s1、s2導(dǎo)通時，s3、 s4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)s3、s4導(dǎo) 通時，s1、s2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電 壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。圖5-6由于h橋搭建比較繁瑣，有集成了h橋的驅(qū)動

15、芯片用來控制電機(jī)。本課程設(shè)計采用的是l293d芯片采用16引腳dip封裝，其內(nèi)部集成了雙極型h-橋電路，所有的開量都做成n型。這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時有微振電流，起到“動力潤滑”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。l293d通過內(nèi)部邏輯生成使能信號。h-橋電路的輸入量可以用來設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向，使能信號可以用于脈寬調(diào)整（pwm）。另外，l293d將2個h-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時控制2個電機(jī)。每1個電機(jī)需要3個控制信號en12、in1、in2，其中en12是使能信號，in1、in2為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號，

16、in1、in2分別為1，0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路pwm連接en12引腳，通過調(diào)整pwm的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路i/o口，經(jīng)反向器74hc14分別接in1和in2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路如圖5-7：圖5-76軟件設(shè)計6.1軟件設(shè)計概要6.1.1軟件設(shè)計模塊：本課程設(shè)計軟件設(shè)計包括以下幾部分：1：a/d數(shù)據(jù)采集模塊；2：數(shù)碼管液位高度顯示模塊：3：pi算法模塊6.1.2 pi算法pid算法是目前比較流行的對誤差控制的算法其公式入式6-1ek=kp*e + ki*edt + kd*（de/dt）式（6-1）kp：比例系數(shù)；ki：積分系數(shù)；kd：微分系數(shù)；評價一個控

17、制系統(tǒng)是否優(yōu)越，有三個指標(biāo)：快、穩(wěn)、準(zhǔn)。所謂快，就是要使壓力能快速地達(dá)到“命令值”（不知道你的系統(tǒng)要求多少時間）所謂穩(wěn)，就是要壓力穩(wěn)定不波動或波動量小（不知道你的系統(tǒng)允許多大波動）所謂準(zhǔn)，就是要求“命令值”與“輸出值”之間的誤差e?。ú恢滥愕南到y(tǒng)允許多大誤差）對于你的系統(tǒng)來說，要求“快”的話，可以增大kp、ki值 要求“準(zhǔn)”的話，可以增大ki值 要求“穩(wěn)”的話，可以增大kd值,可以減少壓力波動 仔細(xì)分析可以得知：這三個指標(biāo)是相互矛盾的。 如果太“快”，可能導(dǎo)致不“穩(wěn)”； 如果太“穩(wěn)”，可能導(dǎo)致不“快”；因此合理的控制 kp ki kd的值，能較好的改善控制系統(tǒng)。本課程設(shè)計采用比例-積分控制，

18、即pi控制，通過一定的算法，來改變pwm波形，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到對儲水罐液位高度的控制。6.2軟件設(shè)計流程圖開始 初始化a/d數(shù)據(jù)采集顯當(dāng)前液位高度設(shè)定液位高度計算輸入a/d采集數(shù)據(jù)與設(shè)定液位高度的偏差液位有偏差？nopi調(diào)節(jié)yes輸出控制改變pwm波占空比 結(jié)論本儲水槽液位控制系統(tǒng)設(shè)計基于mcs51單片機(jī)系統(tǒng)而設(shè)計的，利用單片機(jī)強(qiáng)大的功能和方便通信接口，實現(xiàn)水位檢測、電機(jī)速度控制，采用pi調(diào)節(jié)誤差，進(jìn)一步對液位控制系統(tǒng)優(yōu)化?？疾炝藢ψ詣涌刂圃?，計算機(jī)控制技術(shù)，單片機(jī)原理及應(yīng)用這幾門課程的應(yīng)用。同時硬件電路與軟件程序的設(shè)計是對液位控制系統(tǒng)的應(yīng)用支撐。參考文獻(xiàn)1 胡壽松.自動控制原理m.北

19、京科學(xué)出版社，2007:382 謝維成 等單片機(jī)原理與應(yīng)用及c51程序設(shè)計m 清華大學(xué)出版社, 2006 3 d.ibrahim. microcontroller based applied digital control m john wiley & sons. 2006附錄附錄1：控制系統(tǒng)電路圖附錄2：程序#include#define unit unsigned int#define unchar unsigned charunit shu,num,i,j,a,en,zkb，k,t;unchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,

20、0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;sbit dula=p26;sbit wela=p27;sbit adwr=p36; /*a/d的wr端口*/sbit adrd=p37; /*a/d的rd端口*/sbit cs=p32; /*a/d的片選信號端口*/sbit en=p22;void pi() ;void delay(unit z) /*延時*/unit x,y;for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void display(unit shu) /*數(shù)碼管顯示*/i=shu%10;j=shu/10;wela=1;p0=0xfd;wela=0;dula=1;p0=tablei;delay(1); wela=1;p0=0xfc;wela=0;