计算机控制技术课程设计

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4 SY-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