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1、xx 工业职业技术学院单 容 水 箱 串 级 控 制 系 统院（系）： 电 气 工 程 系 班 级： 生产过程1001班 学 号：xxxx xxxxxxx设计人员： xxx xxx 指导教师： xxx xx 工业职业技术学院2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，并根据算法的比较选择了增量式 PID 算法。建立了基于单片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID 参数，利用 MATLAB 应用软件对系统进行仿真得到图线。系统由进出水阀门，单片机，A/D 转换器，D/A 转换器，传感器
2、，显示电路和键盘电路等组成。整个过程保持进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出水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求范围内。xx 工业职业技术学院3目 录第1 章 绪论.4第 2 章 课程设计的方案 .52.1 概述 .52.2 系统组成总体结构 .52.3 串级控制系统 6第 3 章 硬件设计 .93.1 单片机最小系统设计 .93.2 传感器模块 .93.3 A/D 转换和 D/A 转换模块 .93.4 键盘模块 .93.5 显示模块 .10第 4
3、 章 软件设计 .114.1 PID 算法 .124.2 位置式 PID 控制系统 .124.3 增量型 PID 控制算法 .144.4 PID 计算 .164.5 主程序控制流程 .174.6 显示部分 .18第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .205.1 MATLAB 程序 .205.2 MATLAB 成象曲线 .20第 6 章 课程设计总结 .22参考文献 .22附录：系统硬件原理图 .23xx 工业职业技术学院4第 1 章 绪论过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生
4、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，如果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。液位控制是工业中创
5、建的过程控制，它对生产的影响不容忽视。但荣液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征，能够很好地模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的 PID 控制由于采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件的变化，得不到理想效果。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，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于单片机编程语言的 PID 液位控制模拟界面和算法程序。虽然 PID 控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定 PID 的控制参数，使之具有合理的数值。xx 工业
6、职业技术学院5课程设计的方案概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计单容水箱液位控制系统设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握计算机控制算法和 PID 算法在现实中应用的基本方法。1.1 系统组成总体结构 图 2.1 是基于单片机为控制器单容水箱液位控制系统的基本组成硬件框图。主要由液位传感器，进水阀门，出水阀门，A/D 转换电路，D/A 转换电路，键盘电路，显示电路，单片机（89C51）组成。液位传感器可精确快速的测量微小液位差，把差值转换为电参数的器件。单片机信号得经由计算机 PID 算法计算传回。工作原理
7、：控制进水阀门的流量，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 PID 算法分析传回单片机，控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过 D/A 转换控制出水阀门的开闭。传感器液位信号显示电路A/D 转换电路单片机差动电路键盘电路出水阀门PC机D/A 转换复位电路电路电路图 2.1 系统框图xx 工业职业技术学院62.3 串级控制系统串级控制系统-两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。1. 基本概念即组成结构 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送
8、往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数） ，即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数） ，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。 2. 串级控制系统的工作过程 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分
9、种情况进行分析： * 1）扰动作用于副回路 * 2）扰动作用于主过程 * 3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 3. 系统特点及分析 * 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。 * 能迅速克服进入副回路的二次扰动。 * 提高了系统的工作频率。 * 对负荷变化的适应性较强 4. 工程应用场合 * 应用于容量滞后较大的过程 * 应用于纯时延较大的过程 * 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程 * 应用于参
10、数互相关联的过程 * 应用于非线性过程 xx 工业职业技术学院7串级控制系统设计 * 主参数的选择和主回路的设计 * 副参数的选择和副回路的设计 * 控制系统控制参数的选择 * 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择 * 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定编辑本段串级控制系统的设计1. 主回路的设计 串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。 2. 副回路的设计 由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强
11、的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。 归纳如下。 (1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。 (2) 将更多的扰动包括在副回路中。 (3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。 (4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 (5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。 在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制
12、作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合。 3. 主、副回路的匹配 1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在 310 之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。 2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主xx
