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1、计算机控制技术课程设计报告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)自动化与电气工程学院基于超声波传感器的水箱水位控制系统1课程设计目的超声波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技
2、术都离不开传感器。液位控制在多个领域都有使用，所以实现其自动化检测具有非常重要的意义。通过压力传感器实现液位控制系统，具有体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干扰，可靠性高等优势。该课程设计是通过相关超声波硬件组合调试实现对液位高度的控制，通过一系列的放大比较将模拟信号转化为数字化的信号，然后通过对数字信号的各种处理实现类比，将液位高度的变化通过数字信号的不同反映出来，显示结果，实现对液位高度的实时监控。图1 设计原理图2设计方案及原理超声波测距的方法本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量水
3、箱水位后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。图2 设计原理图 传感器的位置距离水箱顶部20cm，水箱高度为100cm。 假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为ts，超声波传播速度为vms1表示，则有关系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，温度的变化会变成扰动，按式(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=3314+0607T (2-2)式中，T为实际温度单位为，v为超声波在介质中的传播速度单位为ms。表2-7 声速与温度的
4、关系表温度（摄氏度）3020100102030100声速（米秒）313319325323338344349386在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正，我做的PID控制中不断修改算法，在扰动中的不断控制，模拟了温度对于超声波传感器的影响和对液位计算的影响，在实际测量时利用单片机的计时功能实现距离的测量。3 硬件设计3.1硬件结构图图3 硬件结构图3.2硬件选型(1) 控制器分为上位机和下位机。上位机为控制计算机，通过反馈的高度
5、与设定的高度进行对比，通过预先设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。如图所示为单片机部分的功能选择图4 单片机部分(2)D/A转换器采用DAC0832，8为D/A转换器，与微处理器完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为8位；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字
6、输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。(3)驱动电路采用继电器和三极管如图3所示的连接方式。通过给I/O端口高低电平来控制继电器的通断，继而控制水泵控制水量的占空比，以达到控制水位的目的，如图所示。其中三极管为控制开关作用，当输入高电平，NPN饱和导通，继电器线圈通电，触电吸合，使220V电源接通。反之，输入高电平，NPN截止，继电器线圈断电，触点断开。图5继电器、三极管驱动电路(4)执行机构采用水泵控制。根据相关资料对于水量液位的变化，水泵可以迅速反应，对液位进行升高或者降低。(5)在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，
7、检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，工作在标准电信号。5V供电电压，其特性参数如表2-5所示。型号UCM-T40K1UCM-R40KQ结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率频带宽灵敏度声压表1传感器特性参数表选择公司是德国西克（SICK）智能传感器公司。(6) 显示部分采用数码管。数码管显示电路可以实现温度的实时显示以便观察水温变化。4系统软件设计4.1被控对象模型的建立首先要建立被控最想模型，我选用的有水箱，电机和水泵，利用PID进行控制，由于超声波测距控制系统的控制对象具
8、有液位的变化收到温度影响，惯性也较大的特点，因而可以将被控对象归于一阶惯性环节，即可将被控对象的传递函数表示为，为了确定K,T的值可以绘出系统加上阶跃信号，继电器的占空比位100%的工作曲线，已知被控对象的传递函数的K为65，由自控原理一节惯性环节的特性可知，一阶系统过渡过程重要特征点是系统输出达到过渡过程总变化量的63.2%的点。通过计算水箱水位上升到的高度（相对于传感器），所用的时间即为时间常数T，经网上查阅水位上升到83.2的T取320。因此继续通过控制PID来调节参数，被控对象模型的传递函数为。经网上查阅资料可知，电机模型和水泵模型的被控对象函数分别为，由此可以知道被控对象的开环传递函
9、数。4.2 系统仿真及实际调试本设计是闭环控制系统，我选用的是基于4：1的衰减曲线法的PID参数整定，PID控制是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。（1） 首先，将PID变成比例控制，只存在比例控制，将Ki和Kd都变为0，给定值为阶跃函数，观察曲线的衰减情况，直到衰减比为4:1，即可得到和Ts。由表可知，如下图所示图6 MATLAB仿真图7 MATLAB仿真由下表可算得和Ts分别为0.8和0.0167。图8 MATLAB仿真（2） 如上表所示，可以算得Ti和Td，即Ti=0.24，Td=0.08，又因为下列的Kp比例增益Ki=积分系数Kd=微分系数将积分微分系数加入到仿真中，可以
10、得到下面的仿真图。图9 MATLAB仿真图10 MATLAB仿真（3）数字PID位置型控制算法：在此基础PID整定办法上不断调节参数，在有扰动的情况下，直到曲线控制最优。可以得到Kp=25，Ki=7，Kd=27，如下图所示。图11 MATLAB仿真如图所示：(1) 比例调节器简单快速但对于具有自平衡性的控制对象存在静差。加大比例系数Kp可以减小静差，但当Kp过大会使动态质量变坏，引起被控量震荡甚至使闭环不稳定。(2) 比例积分调节器中积分环节的加入有助于消除系统静差但是会使调整时间变长。Ti时间积分大则积分作用弱，反之积分作用强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。(3)
11、比例积分微分调节器中微分作用的加入对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调节系统输出阻止偏差的变化，偏差变化越快，反馈矫正量越大。故微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度减小调整时间，从而改善系统动态性能。5心得体会在本次的课程任务中，我学习了计算机控制技术中所学的有关于PID算法，输入、输出通道的组成，A/D转换器分辨率以及计算机控制系统的结构及组成有了更加深刻的认识。与此同时通过这次课程设计，我熟练掌握了MATLAB仿真过程。最重要的是我对于基于超声波传感器的控制系统的控制过程有了很大的进步。参考文献1姜道连,宁延一,袁世良.用AT89C2051设计超声波测距仪J.,20002张鹏,张有志.一种新型超生测距系统J.山东:山东大学学报,2003,33(1)3贾伯年. 传感器技术. 南京: 东南大学出版社,2000 4阎石. 数字电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 1998 附录1开始初始化传感器超声波发送与接收测得传送时间距离计算液位计算判断液位是否低于警戒线NY报警器液晶显示15
