计算机控制技术课程设计
评语：
考勤10分
守纪10分
程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100分)
专 业： 动化
班 级： 动201xxx
姓 名： xxx
学 号：
指导教师： xxx
兰州交通学动化电气工程学院
2016 年 X月 X日
水箱液位控制系统设计
1设计目
通课程设计学生掌握应微型计算机结合动控制理中种控制算法构成完整闭环控制系统原理方法掌握工业控制中典型闭环控制系统硬件部分构成工作原理设计方法掌握控制系统中典型算法程序设计方法掌握测控象参数检测方法变送器功执行器调节阀功程控制仪表PID控制参数整定方法进步加强课堂理知识理解综合应力进提高解决实际工程问题力
2 设计求
设计双容水箱液位控制系统水泵12分通支路12水箱注水支路中设置调节阀保持水箱液位恒定支路二通变频器水箱液位施加干扰设计串级控制系统维持水箱液位恒定双容水箱液位控制系统示意图图1示
图1 双容水箱液位控制系统示意图
3 设计方法
保持水箱液位稳定设计中采闭环系统水箱液位信号水位检测器送控制器（PID）控制器实际水位设定值相较产生输出信号作执行器（控制阀）改变流量调节水位象单水箱时通断调整PID参数单闭环控制系统理达较效果系统较抗干扰力该设计象属双水箱系统整象控制通道相较长果采单闭环控制系统水箱干扰时干扰控制通路传递水箱会延迟进控制器响应滞影响控制效果实际生产中果干扰频繁出现调整PID参数法满意效果考虑串级控制某干扰提前发现早控制环引入负反馈检测水箱液位液位信号送副控制器然直接作控制阀较控制效果
4设计方案原理
31系统功介绍
整程控制系统控制器执行器测量变送控象组成次控制系统中控制器单片机采算法PID控制规律执行器电磁阀采样采AD芯片测量变送器A控象流量B整控制程系统受扰动作控变量（液位）发生变化通检测变送仪表测量值控制器接受液位测量变送器送信号设定值相较出偏差某种运算规律进行运算输出控制信号控制阀接受控制器控制信号改变阀门开度调整水量克服扰动影响控变量回设定值终达水箱液位恒定
32系统组成总体结构
水箱液位控制系统框图图2示
图2 计算机控制系统框图
33水箱液位控制实现
首先液位传感器检测出水箱液位液位实际值通AD转换变成数字信号输入计算机中计算机中根液位定值实际值差利PID程序算法输出值输出值传送单片机中单片机输出模拟信号控制电动阀门开度形成闭环系统实现水箱液位动控制
4硬件设计
水箱液位控制系统硬件原理图3示
图3 水箱液位控制系统硬件原理图
41控芯片AT89C51
设计中微控制器选ATMAL公司生产AT89C51该芯片具标准易货源充足价格便宜等特点
AT89C51单片机ATMAL公司89系列单片机种具8位Flash 存储器单片机众8051单片机加强改进演变系列单片机中具代表性款特点片含Flash 存储器途十分广泛特生产便携式商品手提式仪器等方面着十分广泛应
42 AD转换器选择
ADC0809美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道8位逐次逼式AD模数转换器部8通道路开关根址码锁存译码信号选通8路模拟输入信号进行AD转换目前国应广泛8位通AD芯片
43液位检测传感器选择
传感器SY9411L—D型变送器部含1压力传感器相应放电路压力传感器美国SM公司生产555—2型OEM压阻式压力传感器全温度补偿标定(O～70℃)传感器特殊加工处理坚固耐高温塑料外壳封装
引脚分布图4示1脚信号输出()2脚信号输出()3脚激励电压4脚5脚信号 输出(+)6脚信号输出(+)
水箱底部安装1根直径5mm软端安装水箱底部端传感器连接水箱水位高度发生变化时引起软气压变化然传感器标准气压信号（20—100kPa）转换成标准电压信号（1—5VDC）输送A／D转换器
图4 SY9411LD型变送器引脚结构图
44阀门选择
电磁调节阀控制回路流量进行调节采德国PSL202型智电动调节阀需陪伺服放器驱动电机采高性稀土磁性材料制造步电机运行稳体积力矩抗堵转控制精度高控制单元电动执行机构体化性高操作方便
45 AD转换电路
ADC0809美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道8位逐次逼式AD模数转换器部8通道路开关根址码锁存译码信号选通8路模拟输入信号进行AD转换目前国应广泛8位通AD芯片
AD转换电路控制系统中起导作传感器输出模拟电压信号转换成单片机处理数字量该控制系统采CMOS工艺制造逐步逼式8位AD转换器芯片ADC0809时选择中断查询延时等3种方式编制AD转换程序图5AD转换部分原理图接线时先运算放器分压电路传感器输出电流信号转换成电压信号然输入AD转换器
图5 AD转换电路原理图
46液位显示电路设计
液位显示采数码动态显示范围0～999(单位定)选择数码7段阴极连接型号LDSl8820里74LS3738位D触发器单片机系统中常作址数总线扩展锁存器作普通LED驱动器件单独HEF4511B七段译码驱动显示器完成数码驱动显示74LS373里作扩展缓
图6 显示电路原理图
5 PID算法软件设计
51 PID算法分析
数字PID控制实验研究生产程中采普遍种控制方法液位控制系统中着极重控制作常规PID控制系统原理框图图7示
图7 模拟PID控制系统原理框图
根定液位值r(t)实际输出液位值c(t)构成控制偏差e(t)r(t)c(t)然偏差例积分微分通线性组合构成控制量控制控象控制规律：
中Kp例系数Ti积分时间Td微分时间
PID控制器校正环节作：
1例环节
加快系统响应速度提高系统调节精度Kp越系统响应速度越快系统调节精度越高易产生超调甚会导致系统稳定
2积分环节
消系统稳态误差Ti越系统静态误差消越快Ti响应程初期会产生积分饱现象引起响应程较超调
3微分环节
改善系统动态性作响应程中抑制偏差方变化偏差变化进行提前预报
水箱液位说采单片机控制PID控制规律采增量式差分方程：
中K采样信号u(k)第K次时计算机输出值e(k)第K次采输入差值e(k1)第K1次采输出偏差值
测液位设定值相便两者偏差然PID运算控制器输出量驱动变频器改变执行机构功率改变液位高度
52 串级控制系统设计
已知水箱传递函数分：
Gp1(s)1(3s+1)Gp2(s)1(5s+1)
串级控制系统框图图7示：
图7 串级控制系统框图
系统MATLAB仿真框图（噪声）图8示：
图8 串级控制系统MATLAB仿真框图（干扰）
时系统阶跃响应图示：
参数：K125Ti32TD08K201
系统MATLAB仿真框图（噪声）图9示：
图9 串级控制系统MATLAB仿真框图（干扰）
时系统阶跃响应图示：
参数：K135Ti18TD05K201
7总结
根偏差例（P）积分（I）微分（D）进行控制（简称PID控制）控制系统中应广泛种控制规律实际运行验理分析表明种控制规律许工业程进行控制时达满意效果计算机实现PID控制简单PID控制规律数字化进步计算机逻辑判断功结合PID控制更加灵活计算机控制系统中PID控制规律实现必须数值逼方法采样周期相短时求代积分相差分代微分模拟PID离散化变差分方程
控制系统中果执行机构采调节阀控制量应阀门开度表征执行机构位置时控制器应数字PID位置控制算法执行机构采步进电机采样周期控制器输出控制量相次控制量增加时控制器应采数字PID增量式控制算法通次设计掌握液位单回路控制系统构成知道基部分控制器调节器控象测量变送组成学会设计程控制系统掌握基设计步骤认知控象设计控制方案选择控制规律选择程仪表选择程模块参数整定设计系统流程图掌握MATLAB仿真总体说次设计收获
参考文献
[1] 李华范旺计算机控制系统[M]机械工业出版社2009 231241
[2] 薛定宇控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言应[M]清华学出版社1996 205239
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计算机控制技术课程设计
评语：
考勤10分
守纪10分
程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100分)
专 业： 动化
班 级： 动201xxx
姓 名： xxx
学 号：
指导教师： xxx
兰州交通学动化电气工程学院
2016 年 X月 X日
水箱液位控制系统设计
1设计目
通课程设计学生掌握应微型计算机结合动控制理中种控制算法构成完整闭环控制系统原理方法掌握工业控制中典型闭环控制系统硬件部分构成工作原理设计方法掌握控制系统中典型算法程序设计方法掌握测控象参数检测方法变送器功执行器调节阀功程控制仪表PID控制参数整定方法进步加强课堂理知识理解综合应力进提高解决实际工程问题力
2 设计求
设计双容水箱液位控制系统水泵12分通支路12水箱注水支路中设置调节阀保持水箱液位恒定支路二通变频器水箱液位施加干扰设计串级控制系统维持水箱液位恒定双容水箱液位控制系统示意图图1示
图1 双容水箱液位控制系统示意图
3 设计方法
保持水箱液位稳定设计中采闭环系统水箱液位信号水位检测器送控制器（PID）控制器实际水位设定值相较产生输出信号作执行器（控制阀）改变流量调节水位象单水箱时通断调整PID参数单闭环控制系统理达较效果系统较抗干扰力该设计象属双水箱系统整象控制通道相较长果采单闭环控制系统水箱干扰时干扰控制通路传递水箱会延迟进控制器响应滞影响控制效果实际生产中果干扰频繁出现调整PID参数法满意效果考虑串级控制某干扰提前发现早控制环引入负反馈检测水箱液位液位信号送副控制器然直接作控制阀较控制效果
4设计方案原理
31系统功介绍
整程控制系统控制器执行器测量变送控象组成次控制系统中控制器单片机采算法PID控制规律执行器电磁阀采样采AD芯片测量变送器A控象流量B整控制程系统受扰动作控变量（液位）发生变化通检测变送仪表测量值控制器接受液位测量变送器送信号设定值相较出偏差某种运算规律进行运算输出控制信号控制阀接受控制器控制信号改变阀门开度调整水量克服扰动影响控变量回设定值终达水箱液位恒定
32系统组成总体结构
水箱液位控制系统框图图2示
图2 计算机控制系统框图
33水箱液位控制实现
首先液位传感器检测出水箱液位液位实际值通AD转换变成数字信号输入计算机中计算机中根液位定值实际值差利PID程序算法输出值输出值传送单片机中单片机输出模拟信号控制电动阀门开度形成闭环系统实现水箱液位动控制
4硬件设计
水箱液位控制系统硬件原理图3示
图3 水箱液位控制系统硬件原理图
41控芯片AT89C51
设计中微控制器选ATMAL公司生产AT89C51该芯片具标准易货源充足价格便宜等特点
AT89C51单片机ATMAL公司89系列单片机种具8位Flash 存储器单片机众8051单片机加强改进演变系列单片机中具代表性款特点片含Flash 存储器途十分广泛特生产便携式商品手提式仪器等方面着十分广泛应
42 AD转换器选择
ADC0809美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道8位逐次逼式AD模数转换器部8通道路开关根址码锁存译码信号选通8路模拟输入信号进行AD转换目前国应广泛8位通AD芯片
43液位检测传感器选择
传感器SY9411L—D型变送器部含1压力传感器相应放电路压力传感器美国SM公司生产555—2型OEM压阻式压力传感器全温度补偿标定(O～70℃)传感器特殊加工处理坚固耐高温塑料外壳封装
引脚分布图4示1脚信号输出()2脚信号输出()3脚激励电压4脚5脚信号 输出(+)6脚信号输出(+)
水箱底部安装1根直径5mm软端安装水箱底部端传感器连接水箱水位高度发生变化时引起软气压变化然传感器标准气压信号（20—100kPa）转换成标准电压信号（1—5VDC）输送A／D转换器
图4 SY9411LD型变送器引脚结构图
44阀门选择
电磁调节阀控制回路流量进行调节采德国PSL202型智电动调节阀需陪伺服放器驱动电机采高性稀土磁性材料制造步电机运行稳体积力矩抗堵转控制精度高控制单元电动执行机构体化性高操作方便
45 AD转换电路
ADC0809美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道8位逐次逼式AD模数转换器部8通道路开关根址码锁存译码信号选通8路模拟输入信号进行AD转换目前国应广泛8位通AD芯片
AD转换电路控制系统中起导作传感器输出模拟电压信号转换成单片机处理数字量该控制系统采CMOS工艺制造逐步逼式8位AD转换器芯片ADC0809时选择中断查询延时等3种方式编制AD转换程序图5AD转换部分原理图接线时先运算放器分压电路传感器输出电流信号转换成电压信号然输入AD转换器
图5 AD转换电路原理图
46液位显示电路设计
液位显示采数码动态显示范围0～999(单位定)选择数码7段阴极连接型号LDSl8820里74LS3738位D触发器单片机系统中常作址数总线扩展锁存器作普通LED驱动器件单独HEF4511B七段译码驱动显示器完成数码驱动显示74LS373里作扩展缓
图6 显示电路原理图
5 PID算法软件设计
51 PID算法分析
数字PID控制实验研究生产程中采普遍种控制方法液位控制系统中着极重控制作常规PID控制系统原理框图图7示
图7 模拟PID控制系统原理框图
根定液位值r(t)实际输出液位值c(t)构成控制偏差e(t)r(t)c(t)然偏差例积分微分通线性组合构成控制量控制控象控制规律：
中Kp例系数Ti积分时间Td微分时间
PID控制器校正环节作：
1例环节
加快系统响应速度提高系统调节精度Kp越系统响应速度越快系统调节精度越高易产生超调甚会导致系统稳定
2积分环节
消系统稳态误差Ti越系统静态误差消越快Ti响应程初期会产生积分饱现象引起响应程较超调
3微分环节
改善系统动态性作响应程中抑制偏差方变化偏差变化进行提前预报
水箱液位说采单片机控制PID控制规律采增量式差分方程：
中K采样信号u(k)第K次时计算机输出值e(k)第K次采输入差值e(k1)第K1次采输出偏差值
测液位设定值相便两者偏差然PID运算控制器输出量驱动变频器改变执行机构功率改变液位高度
52 串级控制系统设计
已知水箱传递函数分：
Gp1(s)1(3s+1)Gp2(s)1(5s+1)
串级控制系统框图图7示：
图7 串级控制系统框图
系统MATLAB仿真框图（噪声）图8示：
图8 串级控制系统MATLAB仿真框图（干扰）
时系统阶跃响应图示：
参数：K125Ti32TD08K201
系统MATLAB仿真框图（噪声）图9示：
图9 串级控制系统MATLAB仿真框图（干扰）
时系统阶跃响应图示：
参数：K135Ti18TD05K201
7总结
根偏差例（P）积分（I）微分（D）进行控制（简称PID控制）控制系统中应广泛种控制规律实际运行验理分析表明种控制规律许工业程进行控制时达满意效果计算机实现PID控制简单PID控制规律数字化进步计算机逻辑判断功结合PID控制更加灵活计算机控制系统中PID控制规律实现必须数值逼方法采样周期相短时求代积分相差分代微分模拟PID离散化变差分方程
控制系统中果执行机构采调节阀控制量应阀门开度表征执行机构位置时控制器应数字PID位置控制算法执行机构采步进电机采样周期控制器输出控制量相次控制量增加时控制器应采数字PID增量式控制算法通次设计掌握液位单回路控制系统构成知道基部分控制器调节器控象测量变送组成学会设计程控制系统掌握基设计步骤认知控象设计控制方案选择控制规律选择程仪表选择程模块参数整定设计系统流程图掌握MATLAB仿真总体说次设计收获
参考文献
[1] 李华范旺计算机控制系统[M]机械工业出版社2009 231241
[2] 薛定宇控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言应[M]清华学出版社1996 205239
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