储水罐液位控制系统设计_课程设计论文_毕业论文.doc

计算机控制技术课程设计说明书 储水罐液位控制系统设计 摘要 计算机控制系统是自动控制技术和计算机技术相结合的产物，利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。随着计算机技术和现代控制理论的快速发展，计算机控制技术诞生并迅速蓬勃发展起来，其应用遍及国防、航空航天、工业、农业、医学等多种领域。本文将利用 计算机控制技术控制储水罐液位,具体本文中储水槽液位控制系统设计基于MCS51单片机系统而设计，利用单片机强大的功能和方便通信接口，实现水位检测、电机速度控制，采用PI调节误差，进一步对液位控制系统优化，从而实现怼储水罐液位的计算计控制。 关键字 计算机控制；储水罐；传递函数目录 1 课程设计说明 3 1.1 题目说明 3 1.2设计要求 4 2 控制系统结构框图与工作原理 4 2.1系统结构框图 4 2.2 系统工作原理 5 3 控制系统数学模型与总体控制方案 5 3.1储水槽数学模型建立 5 3.2电机的数学模型建立 6 3.3控制系统的传递函数建立 8 4 硬件选择 9 4.1液位传感器的选型 10 4.1.1液位传感器简介 10 4.1.2液位传感器工作原理 10 4.1.3液位传感器选型 10 4.2微控制器的选择 11 4.2.1 80C51电源 11 4.2.2 80C51时钟 12 4.2.3 80C51 控制线 12 4.2.4 80C51 I/O接口介绍 12 4.3 A/D转换器选择 13 5 硬件电路设计 15 5.1 80C51单片机外围电路设计 15 5.1.1 时钟电路 15 5.1.2 复位电路 15 5.1.3数码管显示电路 15 5.1.4 A/D转换电路 16 5.2水泵驱动电路设计 16 5.2.1 电机驱动电路 16 6 软件设计 18 6.1软件设计概要 18 6.1.1软件设计模块： 18 6.1.2模拟PID控制原理 18 6.2软件设计流程图 19 结论 20 参考文献 21 附录： 22 1 课程设计说明 1.1 题目说明 被控系统为一储水罐。系统如图1-1所示，储水罐内为清水，下部设有出水管，流量记为Q2。储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内，流量记为Q1，清水池内的水位可视为固定值2米（即在储水罐补水过程中液位不变化）。已知储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求控制目标液位高度为1米。 图1-1，储水罐系统示意图 1.2设计要求 1要求控制系统调节时间≤2分钟，超调量≤10%。 2 设计人机接口实时显示。 2 控制系统结构框图与工作原理 2.1系统结构框图 图2-1，系统结构框图 图2-1中的控制器是PID控制器，其功能由计算机实现。计算机有强大的运算，逻辑判断和记忆功能。当给初始量和反馈量后，依照偏差值进行PID控制算法的运算，计算结果经AD转换器转换为模拟信号传送给执行机构完成对系统的控制。 2.2 系统工作原理 如图1-1所示打开电源水泵工作，将水抽入储水罐中，进水流量为, 水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量 的速度流出。水槽中有一个液位控制器测量液位懂的高度，液位传感器将液位高度经AD转换器传至计算机与给定液位高度比较得到偏差，经控制算法计算出相应的控制值，控制信号经DA转换器转换为模拟信号控制水泵抽水，从而达到给定的高度。 3 控制系统数学模型与总体控制方案 3.1储水槽数学模型建立 储水罐流入量与流出量之差可用式3-1表示。 ……………（3.1） 其中表示输入的水流量 表示输出的水流量 表示储水罐中水的体积 表示储水罐横截面积 表示储水罐液位的增量 输入水量也可表示成 ………（3.2），其中表示输入流量的系数 输出水量由于和出水孔的面积，页面高度有关，可表示成 ……（3.3），其中表示出水口流量系数。 将3.2式，3.3式代入3.1式得 移项变形，即 令，， 则再变形成： 传递函数： 这是一个典型一阶环节，由条件可知,取， 得传递函数： 3.2电机的数学模型建立 图 3-1是电枢控制直流电动机原理图 图3-1，电枢控制直流电动机原理图 （1）电网络平衡方程 式中表示电动机内阻；表示电枢绕组的感应电动势 ；表示电枢电，表示电动机电感。 电动势平衡方程 式中为电动机常数，由电动机的结构参数决定。 机械平衡方程 式中为电动机转子的转动惯量 ; 为电动机的电磁转矩；为折合阻力矩 。 转矩平衡方程 式中为电磁力矩常数 , 由电动机的结构参数确定。 将上述4个方程联立 , 因为空载下的阻力矩很小 , 略去 , 并消去中