计算机控制技术课程设计
专业：自动化
班级：动201xxx 姓名：xxx
学号：2013xxxxxx
指导教师：xxx
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2016 年 07 月 15 日
水箱液位控制系统设计
1设计目的 通过课程设计使学生掌握如何应用微型计算机结合自动控制理论中的各种控制算法构成一个完整的闭环控制系统的原理和方法；掌握工业控制中典型闭环控制系统的硬件部分的构成、工作原理及其设计方法；掌握控制系统中典型算法的程序设计方法；掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID 控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高解决实际工程问题的能力。
2设计要求
设计双容水箱液位控制系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定，双容水箱液位控制系统示意图如下图1所示。
图1双容水箱液位控制系统示意图
3设计方法
为保持水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上
水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。
4设计方案及原理
3.1系统功能介绍
整个过程控制系统由控制器，执行器，测量变送，被控对象组成，在本次控制系统中控制器为单片机，采用算法为PID 控制规律，执行器为电磁阀，采样采用A/D芯片, 测量变送器为A ，被控对象为流量B 。整个控制过程，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。
3.2系统组成总体结构
水箱液位控制系统框图如图2所示。
图2计算机控制的系统框图
3.3水箱液位控制的实现
首先由液位传感器检测出水箱液位，液位的实际值通过A/D转换，变成数字信号后，输入到计算机中，最后，在计算机中根据液位的给定值与实际值之差，利用PID 程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中。最后，由单片机的输出模拟信号控制电动阀门的开度，从而形成一个闭环系统，实现水箱液位的自动控制。
4硬件设计
水箱液位控制系统硬件原理如图3所示。
图3水箱液位控制系统硬件原理图
4.1主控芯片AT89C51
本设计中的微控制器选用ATMAL 公司生产的AT89C51，该芯片具有标准易用，货源充足，价格便宜等特点。
AT89C51单片机是ATMAL 公司89系列单片机的一种具有8位Flash 存储器的单片机，是众多由8051单片机加强改进演变而来的系列单片机中最具代表性的一款。它最大特点是片内含有Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。
4.2A/D转换器的选择
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
4.3液位检测传感器的选择
传感器使用SY 一9411L —D 型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM 公司生产的555—2型OEM 压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃) ，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图4所示。1脚为信号输出(一) ；2脚为信号输出(一) ；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。
在水箱底部安装1根直径为5mm 的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把标准气压信号（20—100kPa ）转换成标准电压信号（1—5VDC ），输送到A ／D 转换器。
图4SY-9411L-D 型变送器引脚结构图
4.4阀门的选择
电磁调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需陪伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便。
4.5 A/D转换电路
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
A/D转换电路在控制系统中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制系统采用CMOS 工艺制造的逐步逼近式8位A/D转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A/D转换程序。图5是A/D转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到A/D转换器。
图5 A/D转换电路原理图
4.6液位显示电路的设计
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定) ，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D 触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED 的驱动器件，由于单独使用HEF4511B 七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
图6显示电路原理图
5PID 算法及软件设计
5.1PID 算法分析
数字PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。常规的PID 控制系统原理框图如图7所示。
图7 模拟PID 控制系统原理框图
根据给定液位值r(t)与实际输出液位值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后
将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律为：
u (t ) =Kp [e (t ) +1/Ti ⎰e (t ) +T d de (t ) ] dt
其中，Kp 是比例系数，Ti 是积分时间，Td 是微分时间。
PID 控制器各校正环节的作用如下：
1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp 越大，系统的响应速度越快系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。Ti 越小，系统的静态误差消除越快，但Ti 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。
3、微分环节
能改善系统的动态性能，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
对于水箱液位来说，采用单片机来控制，因此其PID 控制规律采用增量式差分方程：
△u (k ) =u
(k ) -u (k -1) =Kp {e (k ) -e (k -1) +T /Tie (k ) +Td /T [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2)]}其中，K 为采样信号，u(k)是第K 次时计算机输出值，e(k)是第K 次采用输入差值，e(k-1)为第K-1次采用输出偏差值。
把测得的液位与设定值相比，便可得到两者的偏差，然后经过PID 的运算，得到控制器的输出量，驱动变频器改变执行机构功率，来改变液位高度。
5.2串级控制系统的设计
已知上下水箱的传递函数分别为：
Gp1(s)=1/(3s+1),Gp2(s)=1/(5s+1)
串级控制系统框图如图7所示：
图7 串级控制系统框图
系统的MATLAB 仿真框图（无噪声）如图8所示：
图8串级控制系统的MA TLAB 仿真框图（无干扰）
此时，系统的阶跃响应如下图所示：
参数：K1=25，Ti=3.2，TD=0.8，K2=0.1
系统的MATLAB 仿真框图（无噪声）如图9所示：
图9串级控制系统的MA TLAB 仿真框图（有干扰）
此时，系统的阶跃响应如下图所示：
参数：K1=35，Ti=1.8，TD=0.5，K2=0.1 7
总结
根据偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）进行控制（简称PID 控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明。这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能达到满意的效果。不过，用计算机实现PID 控制不是简单地把PID 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID 控制更加灵活。在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后相差分代替微分，使模拟PID 离散化变为差分方程。
在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应用数字PID 位置是控制算法。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID 增量式控制算法。通过此次设计，我掌握了液位单回路控制系统的构成，知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤，认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MATLAB 仿真。总体来说，这次设计收获很大。
参考文献
[1]李华. 范多旺. 计算机控制系统[M]. 机械工业出版社, 2009: 231-241.
[2]薛定宇. 控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言与应用[M].清华大学出版社, 1996:
205-239.
计算机控制技术课程设计
专业：自动化
班级：动201xxx 姓名：xxx
学号：2013xxxxxx
指导教师：xxx
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2016 年 07 月 15 日
水箱液位控制系统设计
1设计目的 通过课程设计使学生掌握如何应用微型计算机结合自动控制理论中的各种控制算法构成一个完整的闭环控制系统的原理和方法；掌握工业控制中典型闭环控制系统的硬件部分的构成、工作原理及其设计方法；掌握控制系统中典型算法的程序设计方法；掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID 控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高解决实际工程问题的能力。
2设计要求
设计双容水箱液位控制系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定，双容水箱液位控制系统示意图如下图1所示。
图1双容水箱液位控制系统示意图
3设计方法
为保持水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上
水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。
4设计方案及原理
3.1系统功能介绍
整个过程控制系统由控制器，执行器，测量变送，被控对象组成，在本次控制系统中控制器为单片机，采用算法为PID 控制规律，执行器为电磁阀，采样采用A/D芯片, 测量变送器为A ，被控对象为流量B 。整个控制过程，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。
3.2系统组成总体结构
水箱液位控制系统框图如图2所示。
图2计算机控制的系统框图
3.3水箱液位控制的实现
首先由液位传感器检测出水箱液位，液位的实际值通过A/D转换，变成数字信号后，输入到计算机中，最后，在计算机中根据液位的给定值与实际值之差，利用PID 程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中。最后，由单片机的输出模拟信号控制电动阀门的开度，从而形成一个闭环系统，实现水箱液位的自动控制。
4硬件设计
水箱液位控制系统硬件原理如图3所示。
图3水箱液位控制系统硬件原理图
4.1主控芯片AT89C51
本设计中的微控制器选用ATMAL 公司生产的AT89C51，该芯片具有标准易用，货源充足，价格便宜等特点。
AT89C51单片机是ATMAL 公司89系列单片机的一种具有8位Flash 存储器的单片机，是众多由8051单片机加强改进演变而来的系列单片机中最具代表性的一款。它最大特点是片内含有Flash 存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。
4.2A/D转换器的选择
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
4.3液位检测传感器的选择
传感器使用SY 一9411L —D 型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM 公司生产的555—2型OEM 压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃) ，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图4所示。1脚为信号输出(一) ；2脚为信号输出(一) ；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。
在水箱底部安装1根直径为5mm 的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把标准气压信号（20—100kPa ）转换成标准电压信号（1—5VDC ），输送到A ／D 转换器。
图4SY-9411L-D 型变送器引脚结构图
4.4阀门的选择
电磁调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PSL202型智能电动调节阀，无需陪伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高，控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高，操作方便。
4.5 A/D转换电路
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
A/D转换电路在控制系统中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制系统采用CMOS 工艺制造的逐步逼近式8位A/D转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A/D转换程序。图5是A/D转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到A/D转换器。
图5 A/D转换电路原理图
4.6液位显示电路的设计
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定) ，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D 触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED 的驱动器件，由于单独使用HEF4511B 七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
图6显示电路原理图
5PID 算法及软件设计
5.1PID 算法分析
数字PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。常规的PID 控制系统原理框图如图7所示。
图7 模拟PID 控制系统原理框图
根据给定液位值r(t)与实际输出液位值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，然后
将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律为：
u (t ) =Kp [e (t ) +1/Ti ⎰e (t ) +T d de (t ) ] dt
其中，Kp 是比例系数，Ti 是积分时间，Td 是微分时间。
PID 控制器各校正环节的作用如下：
1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp 越大，系统的响应速度越快系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。Ti 越小，系统的静态误差消除越快，但Ti 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。
3、微分环节
能改善系统的动态性能，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。
对于水箱液位来说，采用单片机来控制，因此其PID 控制规律采用增量式差分方程：
△u (k ) =u
(k ) -u (k -1) =Kp {e (k ) -e (k -1) +T /Tie (k ) +Td /T [e (k ) -2e (k -1) +e (k -2)]}其中，K 为采样信号，u(k)是第K 次时计算机输出值，e(k)是第K 次采用输入差值，e(k-1)为第K-1次采用输出偏差值。
把测得的液位与设定值相比，便可得到两者的偏差，然后经过PID 的运算，得到控制器的输出量，驱动变频器改变执行机构功率，来改变液位高度。
5.2串级控制系统的设计
已知上下水箱的传递函数分别为：
Gp1(s)=1/(3s+1),Gp2(s)=1/(5s+1)
串级控制系统框图如图7所示：
图7 串级控制系统框图
系统的MATLAB 仿真框图（无噪声）如图8所示：
图8串级控制系统的MA TLAB 仿真框图（无干扰）
此时，系统的阶跃响应如下图所示：
参数：K1=25，Ti=3.2，TD=0.8，K2=0.1
系统的MATLAB 仿真框图（无噪声）如图9所示：
图9串级控制系统的MA TLAB 仿真框图（有干扰）
此时，系统的阶跃响应如下图所示：
参数：K1=35，Ti=1.8，TD=0.5，K2=0.1 7
总结
根据偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）进行控制（简称PID 控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明。这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能达到满意的效果。不过，用计算机实现PID 控制不是简单地把PID 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID 控制更加灵活。在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后相差分代替微分，使模拟PID 离散化变为差分方程。
在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应用数字PID 位置是控制算法。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字PID 增量式控制算法。通过此次设计，我掌握了液位单回路控制系统的构成，知道它最基本的部分有控制器、调节器、被控对象和测量变送组成。并且学会了如何去设计一个过程控制系统，掌握了基本的设计步骤，认知被控对象、设计控制方案、选择控制规律、选择过程仪表、选择过程模块、参数整定、设计系统流程图，掌握MATLAB 仿真。总体来说，这次设计收获很大。
参考文献
[1]李华. 范多旺. 计算机控制系统[M]. 机械工业出版社, 2009: 231-241.
[2]薛定宇. 控制系统计算机辅助设计—MATLAB 语言与应用[M].清华大学出版社, 1996:
205-239.