基于单片机的水箱液位控制系统设计.docx

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基于单片机的水箱液位控制系统设计

基于单片机的水箱液位控制系统设计

毕业论文（设计）题目：

基于单片机的水箱液位控制系统设计

毕业论文（设计）的立题依据

1）通过毕业设计进一步加深理解电工电子、单片机技术、控制理论、过程控制系统等所学课程的内容。

2）掌握过程控制系统的工程设计方法。

3）掌握51单片机的工程应用方法。

4）掌握过程控制系统的工程实验调试方法。

主要内容及要求

1）查阅国内外资料，了解连续生产过程的现代控制技术和方法，了解过程控制系统的国内外发展动态。

2）进行方案论证和方案分析；采用执行机构→采用交流变频器→交流电机→水泵的结构形式，控制水箱的液位高度。

3）单片机控制器设计，完成PID调节的控制功能。

4）实验验证：

进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，分析实验结果。

进度安排

2009.10-2009．11熟悉设计题目内容、查找资料、复习过程控制、51单片机应用的基本知识、调研，写出开题报告。

2009.11-2009．12在实验装置上进行液位控制试验，掌握双容水位过程控制特点，进行液位过程控制系统的总体方案设计。

2009.12-2010.01设计以51单片机为核心的PID调节器的硬件电路和程序编写。

2010.03-2010.04双容液位过程控制系统的实验调试及参数整定，同时进行单片机控制器软件的调试。

2010.04-2010.05撰写毕业论文,结题、准备毕业答辩。

学生签字：

指导教师签字：

年月日

基于单片机的水箱液位控制系统设计

摘要

介绍一种基于单片机实现的水箱液位控制系统的设计方法，该控制系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现控制的目的。

可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。

该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。

本文根据毕业设计任务书得要求重点分析了单片机的水箱液位PID控制系统的工作原理、特点、PID匹配关系等。

关键词：

自动检测系统；过程控制；电路结构；PID设计；单片机

BasedonSCMTankLevelControlSystemDesign

Abstract

Introducesamethodbasedonsinglechipmicrocomputercontrolsystemofwaterlevel,thedesignmethodofcontrolsystembasedonsinglechip,throughtheperipheralhardwarecircuittorealizetheaimofcontrol.Accordingtoneedtosetthelevelcontrol,alongwithalarm,highaltitudedisplayfunction,duetotheincreasedgaspressuresensor,whichdoesnotcontactwithliquidsurface,poisonous,corrosiveliquidlevelcontrol,andhashighvalue.Thiscontrollercanbeusednotonlyintheschoolteachingresearch,alsocanbeusedintheactualproduction,istherelativelylackofaproduct.AccordingtorequirementsofgraduationdesignspecificationmainlyanalyzedthewaterlevelchipPIDcontrolsystemoftheworkingprinciple,features,PIDmatchingrelation,etc.

Keywords:

Automatic;detection;system;Process;control;Circuitstructure;PIDdesign.

目　　录

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论……………………………………………………………………………………1

1.1过程控制系统的发展动态…………………………………………………………1

1.2生产过程的现代控制技术和控制方法……………………………………………3

1.3过程控制系统发展状况……………………………………………………………4

1.3.1过程控制系统体系结构的发展…………………………………………………4

1.3.2过程控制检测仪表和执行机构的发展…………………………………………5

1.3.3过程控制策略的发展……………………………………………………………6

1.4课题设计的目的和意义……………………………………………………………7

第2章液位控制系统分析…………………………………………………………………8

2.1过程控制系统的特点………………………………………………………………8

2.2单溶液位系统………………………………………………………………………10

2.3双容液位系统………………………………………………………………………11

2.4本章总结…………………………………………………………………………12

第3章水箱液位控制系统的设计方案……………………………………………………13

3.1总体设计方案………………………………………………………………………13

3.2调节器的设计………………………………………………………………………13

3.3水箱液位控制系统的软件设计……………………………………………………20

3.4本章总结…………………………………………………………………………22

结论…………………………………………………………………………………………23

参考文献………………………………………………………………………………24

附录……………………………………………………………………………………25

致谢………………………………………………………………………………………26

基于单片机的水箱液位控制系统设计

第1章绪论

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制系统广泛应用于电子产品中，为了使我们对单片机控制的智能型控制系统有较深的了解。

经过综合分析选择了由单片机控制的智能型水箱液位控制系统作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。

另外，水箱液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。

通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。

本文介绍一种基于单片机实现的水箱液位控制系统的设计方法，该控制系统以单片机为核心，通过外围硬件电路来达到实现控制的目的。

可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。

该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。

当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。

因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时使测量值与给定值无偏差存在。

一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使表1-1PID调节器的参数整定

系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。

1.1过程控制系统的发展动态

过程控制是自动化技术的重要分支，在石化、电力、冶金、轻工等连续型生产过程中有着广泛的应用。

今年来。

过程控制技术本身及其应用领域得到了迅速发展。

无论是在现代复杂工业生产过程中，还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。

自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。

自20世纪90年代以来，作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域的到了迅速的提高和发展。

自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。

过程控制（ProcessControl）通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。

其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。

20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调节生产过程，生产效率很低。

40年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术（自动化技术也是IT技术的组成部分）的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。

过程控制装置与系统的发展历程，大致经过以下几个阶段。

1.局部自动化阶段

20世纪50年代，过程控制技术开始得到发展。

在这一阶段过程控制系统绝大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；控制的目的书保持这些工艺参数的稳定，确保生产安全。

当时的生产规模比较小，多用气动仪表进行测量与控制，采用0.02-0.1MPa的气动信号作为统一标准信号，压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制，主要解决在生产过程较为正常的情况下，为满足工艺要求的参数而进行的定制控制问题。

大多数测量仪表分散在各生产单元工艺设备上，操作人员在生产现场查看仪表及采取相应的操作。

20世纪50年代后期-60年代，先后出现了气动和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。

这对当时迫切希望提高设备效率和扩大生产过程规模的要求起到了有力的促进作用，适应了工业生产设备日益大型化与连续化的客观需要。

2.集中控制阶段

20世纪60年代，工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂、产品质量越来越高，也对过程控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。

随着电子技术的迅猛发展，半导体产品取代了电子真空管。

随后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性大为提高，逐步取代了气动仪表。

过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。

为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案，如串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制等。

特别是前馈控制、选择控制品质、安全性大为提高。

前馈控制使控制质量显著提高；选择控制自动实现保护型自动控制，以避免强制性连锁停车，改变了过去不得不切向手动或被迫连锁停车的状况，从而扩大了自动化的范围。

以此同时，计算机开始在库存控制领域应用。

3.集散控制阶段

20世纪70年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高，采用冗余技术和自诊段措施的工业计算机完全满足工业控制对可靠性的要求，为新的过程控制仪表、装置于系统的设计开发提供了强有力的支持。

大型生产过程一般都是分散系统，使生产过程控制分散进行、整个生产过程的监视、操作与管理相对集中的设计思想被大型过程控制系统生产商和用户普遍接受。

基于集中管理，分散控制理念，在数字化仪表和技术基于网络技术基础上开发的集散性控制系统在大型生产过程控制中得到广泛应用，使课程控制系统的控制功能、可靠性、安全性、可操作性以及经济效益等方面都达到了新水平。

课程控制系统的结构也有单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定制控制发展到最优控制、自适应控制等。

进入20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散性控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生质的飞跃。

工厂自动化、技术及集成过程控制、技术及集成制造系统和企业资源综合规划等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。

1.2生产过程的现代控制技术和控制方法

从20世纪40年代开始至今，采用PID控制规律的单回路系统一直是过程控制领域最主要的控制系统，单回路系统主要采用经典控制理论的频域分析方法进行控制系统的分析和设计。

从20世纪60年代初期逐渐发展起来的以状态空间为基础的现代控制理论日趋完善，形成了状态反馈、状态观测器、最优控制等一系列多变量控制系统的设计方法。

随着过程工业日益走向大规模、复杂化，出现了先进过程控制，如自适应控制、预测控制、专家控制、模糊控制、神经网络控制、推理控制等都属于先进控制。

随着科学技术的迅速发展，现代控制理论在经典理论的基础上得以建立和发展，在工业控制领域以及其他领域，如航空航天、核技术、生物工程等新兴领域中发挥着越来越重要的作用。

现代科学技术的迅速发展，对自动控制的精度、速度、范围及适应能力的要求越来越高，从而推动了自动控制理论和技术的迅速发展，从1932年奶奎斯特发表反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论学科走过了60年的发展历程。

可以这样划分：

前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段；后30年是现代控制理论的形成和发展阶段。

经典控制理论是一种单回路线性控制理论，只适用于单输入单输出控制系统。

主要研究对象是单变量常系数线性系统，系统数学模型简单，基本分析和综合方法是给予频率法和图解法。

若引入等效的线性化环节，把相应线性控制系统的概念和分析方法进行修正和开拓，经典控制理论也可以有效地处理简单的非线性控制系统。

经典控制理论的研究对象、数学方法和计算手段与讲点控制理论比较，具有如下特点：

1.控制对象结构的转变

控制对象结构由简单的单回路模式向多回路模式转变，即从单输入单输出向多输入多输出转变。

它可以处理极为复杂的工业生产过程的优化和控制问题。

2.研究工具的转变

积分变换法向矩阵理论、几何方法转变，由频率法转向状态空间的研究。

由于计算机技术的发展，使手工计算转向计算机计算。

3.建模手段的转变

由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识的统计建模方法。

由此可知，控制理论研究不再局限于简单常系数线性系统模式，而是研究更为复杂的各类系统。

由于航天技术、信息技术和制造工业技术的革命，要求控制理论能处理更加复杂的系统控制问题，提供更加有效的控制策略，因而促使现代控制理论不断发展，出现了许多分支，如最优控制理论、最优估计理论、随机控制理论、非线性控制理论、大系统理论以及最近备受关注的模糊控制理论、智能控制理论等。

随着现代工业生产的迅速发展，作为自动控制技术重要部分的过程控制技术也得到迅猛发展。

工业生产过程控制的发展历程，可以根据其组成话话化划分为体系结构、检测仪表和执行机构、控制策略三部分。

1.3.1过程控制系统体系结构的发展

回顾工业生产自动化的发展历程，过程控制体系结构大致经历三个发展阶段。

（1）仪表化与局部自动化阶段：

20实际50～60年代

仪表化与局部自动阶段的主要特点是：

采用过程检测和控制仪表主要为基地式仪表和部分单元组合仪表，而且多数是气动仪表；过程控制系统实现单输入-单输出的单回路定制控制；被控量主要是温度、压力、流量和液位等生产过程中的热工参数；系统设计和分析的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。

这一阶段的控制目的主要是保持上述工艺参数的稳定和生产安全。

（2）综合自动化阶段：

20世纪60～70年代

工业生产的不断发展对过程控制提出了新的要求，电子技术的发展也为生产过程自动化的发展提供了条件。

在这一阶段，出现了一个车间乃至一个工厂的综合自动化，其主要特点是：

大量采用单元组合仪表（包括气动和电动）和组装式仪表。

同时，计算机也开始应用于过程控制领域，实现直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC）和设定值控制（SetPointControl，SPC）。

在过程控制系统的结构方面，为提高控制品质，满足一些特殊控制要求，相继出现了各种复杂控制系统，如串级控制、前馈-反馈控制及比值、均匀、分程控制等。

过程控制系统分析与设计的理论基础，从经典控制理论发展到现代控制理论，以满足更为复杂的控制需求。

（3）全盘自动化阶段

这一阶段，微型计算机广泛用于过程控制领域，实现了整个工艺流程、全工厂乃至整个企业的操作管理和控制。

过程控制体统结构从单变量单回路的仪表控制系统发展到多变量多回路的微机控制系统，并经历了直接数字控制、集中控制、分散控制和集散控制几个发展阶段，进入计算机集成过程控制系统（ComputerIntegratedProcessContrel，CIPC）阶段。

所谓CIPC是指利用计算机技术，对整个企业的运行过程进行综合管理和控制，包括生产计划调度、产品分配、成本管理和工艺过程控制、优化等。

20世纪90年代，随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，出现了现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FSC），它是上述技术与自动控制技术相结合的产物。

控制系统中的各种仪表单元随之也进入了网络时代，并深刻的改变了传统过程控制系统一对一的基本结构和连接方式，从而构成一种全分散、全数字化、智能化、双向、互联、多变量、多点和多站的通信和控制系统，它是过程控制系统的发展方向。

1.3.2过程控制检测仪表和执行机构的发展

过程控制检测仪表和执行机构的发展是与其体系结构的发展相适应的。

（1）基地式仪表

基地式仪表是把检测、显示和控制等环节放在一个表课内，可就地安装的仪表。

它以指示，记录仪表为主体，附加控制机构而组成，不仅能对某变量进行指示或记录，还具有控制功能。

基地式仪表功能较完全，可以减少管线连接所导致的滞后，常用于中昂小企业里输将不多或分散的就地控制系统和单机的局部控制系统。

（2）单元组合式仪表

单元组合式仪表是根据控制系统中各个组成环节的不同功能和使用需求，将仪表做成能实现某种功能的独立单元，包括:

变松单元、转换单元、控制单元、运算单元、显示单元、执行单元、给丁单元和辅助单元。

上述各单元之间采用统一的标准信号彼此联系。

这些单元可以进行灵活组合，构成功能多样的自动监测和控制系统。

这类仪表使用灵活、通用性强，适用于中、小型企业的自动化系统。

（3）智能仪表

以微处理器为核心，采用先进传感器与电子技术的智能变送器和智能阀门定位器是新型现场变送类和执行类仪表，其精度、稳定性与可靠性均比模拟式仪表优越。

它们可输出全数字信号或模拟数字混合信号，并且可以通过现场总线通信网络与计算机相连接，能满足集散系统和现场总线控制系统的应用要求。

1.3.3过程控制策略的发展

（1）经典控制策略：

20世纪50年代以前

这个阶段以微分方程和传递函数为基础，采用时域分析方法、S域分析法和频域分析方法对系统进行研究。

PID控制策略是这一阶段的主要成果。

PID控制规律原理简单、易于实现，适用于没有时间延迟的单回路控制系统。

在该阶段，通常将一个复杂的过程分解为若干个简单的过程，再采用由单个传感器、控制器和执行器构成的单输入-单输出控制系统完成控制任务。

随着生产过程的大型化、控制对象的复杂化，这种简单控制模式已不能满足系统要求，迫切需要新的理论支撑。

（2）现代控制策略：

20世纪60年代以后

在该阶段，以状态空间作为分析基础的现代控制理论为新的控制技术发展提供了理论基础。

主要包括以最小二乘法为基础的系统辨识、以极小值原理和动态规划为基础的最优控制、以卡尔曼滤波理论为核心的最优估计等。

上述分析方法深刻揭示了系统的内在变化规律，为实现全局最优控制提供实现依据。

（3）复杂控制策略：

20世纪70年代以后

为解决大规模复杂系统的优化与控制问题，以系统分解与协调、多级递阶优化与控制为核心思想的大系统理论成为研究热点、控制理论研究中心也逐渐从有限维系统转向无穷维系统，从确定性系统转向不确定性和随机性系统，从线性系统转向非线性系统，从可用微分方程描述的系统转向离散事件动态系统。

相应出现了非线性控制、自适应控制、随机控制、分布参数系统等众多研究方向。

同时，以专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制等为代表的智能控制策略也在该阶段得到迅猛发展。

单容过程是指只有贮蓄容量的过程。

单容过程又分为自衡单容过程和无自衡单容过程。

对大多数被控过程，其阶跃响应的特点是被控量的变化是单调无振荡、有时延和惯性的。

所谓自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，平衡状态被破坏后，无需操作人员或仪表-的干预，依靠自身能够恢复平衡的过程。

而无自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，其平衡状态破坏后，若无操作人员或仪表的干预，依靠其自身的能力不能重新恢复平衡的过程。

被控过程的数学模型就是

与Q1之间的数学表达式。

根据动态物料（能量）平衡关系，有

（2-1）

写成增量形式

（2-2）

式中,

、

和

分别为偏离某平衡状态Q10、Q20和

0的增量；A为贮罐的截面积，设为常量。

静态时，应有

，

。

Q1发生变化，液位

也随之发生变化，使贮罐出口处的静压力发生变化，因此，Q2也发生变化。

设Q2与

近似成线性关系，则

（2-3）

式中，R2为阀门2的阻力系数，成为液阻。

将式（2-3）代入式（2-20），经整理可得微分方程为

（2-4）

式（2-4）经拉普拉斯变换后，得单容液位过程的传揥函数为

（2-5）

式中，K0为过程的放大系数，K0=R2、T0为过程的时间常数，T0=R2C；C为过程的容

量参数，或称为过程容量，此处C=A。

、

称为纯时延时间。

具有纯时延过程微分方程表达式为

（2-6）

写出传揥函数形式

（2-7）

2为被控参数，Q1为控制参数。

那么，根据动态物料平衡关系，可列出下列增量方程：

对水箱1

（2-8）

（2-9）

对水箱2

（2-10）

（2-11）

式中，C1和C2分别为水箱1和水箱2的容量系数；R2和R3分别为阀2和阀3的

阻。

从式（2-18）~式（2-210中消去