带PID的液位控制系统课程设计

《过程控制》

课程设计

学生姓名：

学号：210992

专业班级：电气工程及其自动化（1）班指导教师：

二○一二年六月十五日

目录

1.课程设计目的 (3)

2.课程设计题目和要求 (3)

3.设计内容 (4)

3.1课程设计的方案 (4)

3.2 硬件设计 (7)

3.3 软件设计 (10)

4.设计总结 (18)

5.参考书目 (18)

附录 (19)

1、课程设计目的

通过本课程设计, 主要训练和培养学生的以下能力:

(1).查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；

(2).方案的选择：树立既考虑技术上的先进性与可行性,又考虑经济上的合理性,并注意提高分析和解决实际问题的能力；

(3).迅速准确的进行工程计算的能力,计算机应用能力；

(4).用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

2、课程设计题目和要求

题目：带PID的液位控制系统

要求：

1. 要求设计液位系统，要求通过阀门准确控制液位，采用带有增量式的PID，要求无余差，超调小，加热速度快。

2.硬件采用51系列单片机。

3采用keil c作为编程语言，采用结构化的设计方法

3、设计内容

3.1课程设计的方案

在工业生产过程中，如图2.1所示的加热炉，为了保证生产正常进行，物料进出均需平衡，炉内温度也需恒定。

选择被控参数：根据工艺可知，加热炉的液位要求维持在某给定值上下，所以直接选取液位为被控参数。加热炉的温度则以炉壁的温度为被控参数。

选择控制参数：液位控制以流出加热炉的物料流量为控制参数。温度控制以供给燃料的流量为控制参数。

选择调节阀：液位控制为保证不产生溢出，选用气关式，选择对数流量特性。温度控制燃料为可燃性物质，为保证安全，选用气开式，选择对数流量特性。

选择控制器：因为需精确控制液位和温度，且无余差，超调小，加热速度快，调节器采用PID作用。液位控制的控制器用正作用调节器，温度控制的控制器用反作用调节器。

图2.1系统流程图

图2.2是基于单片机为控制器单容加热炉液位和温度控制系统的基本组成硬件框图。主要由液位传感器，进水阀门，出水阀门，温度传感器，燃料阀门，A/D转换电路，D/A转换电路，键盘电路，显示电路，单片机（51系列）组成。液位传感器可精确快速的测量微小液位差，把差值转换为电参数的器件。温度传感器利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的器件。单片机信号得经由计算机PID算法计算传回。

工作原理：控制入水阀门的流量，液位传感器检测液位，与设定值相比得到的差值经过A/D转换，送入单片机中，经过PID算法分析传回单片机，控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过D/A转换控制出水阀门的开闭。同时，温度传感器检测炉壁温度，与设定值相比得到的差值经过A/D 转换，送入单片机中，经过PID算法分析传回单片机，控制显示电路实时显示炉壁温度的实际值，信息数据经过D/A转换控制燃料流入阀门的开闭。

图2.2系统框图

图2.3系统液位控制框图

图2.4系统温度控制框图

3.2 硬件设计

本次设计中的最小系统模块中包括CPU、复位电路和晶振。

3.2.1 传感器模块

1、液位传感器

本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器。如下图所示它是一款根据浮力原理，并采用三线分压器原理对也未进行测量及信号得变送。浮球内磁钢的磁力线穿过导管，感应导管内干簧与电阻链，由此产生的电压与液位成正比例关系。工作原理简单应用范围广泛，对于液位的连续测量，能可靠稳定获取液位信号，不受被测介质的物理化学状态变化影响，支持信号源距离传送。适用范围：温度：-80℃~+200℃；压力：真空~100Mpa。耐腐蚀性强，适用于各种场合。误差在20mm之内。

柯普乐浮球液位传感器

2、AD590数字温度传感器，

品牌昆仑中科类型铂热电阻

型号 AD5--系列分度号AD590

是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点，测温范围为-55℃～+150℃，电源电压范围为4V～30V，它可测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

3.2.2 A/D转换和D/A转换模块

该模块A/D转换选用ADC0804，它是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）8位单通道的A/D转换器，工作电压：+5V，模拟输入电压范围：0～+5V，分辨率：8位，转换值介于0～255之间。转换时间：100us 转换误差：±1LSB。这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用要求不高的场合。

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

3.2.3 按键模块

本次设计中有复位，开始和停止按钮，如图3.1、3.2所示。

图3.1复位按钮图3.2 开始、停止按钮

3.2.4 显示模块

本设计温度显示采用2位LED数码管显示电路。LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。如图3.3所示，这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了，为了便于实时显示，本设计采用动态显示，用74LS164驱动。

液位显示用LCD1602，它显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），如图3.4所示。工作电压+5V，对比度可调，内含复位电路，能提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，本设计用74hc595驱动。

图3.3 LED数码管图3.4 LCD1602

3.3 软件设计

3.3.1 PID 算法

在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。常规PID 控制系统原理框图如图4.1所示。系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。

图4.1 PID 控制系统原理框图

PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差

e(t)=r(t)-c(t) (4-1)

将偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。它的控制规律为

()1()()()t

D P I T de t u t K e t e t dt T dt ??

=+

+

????

?

(4-2)

写成传递函数形式为

()1

()(1)()P D I U s G s K T s E s T s

=

=++

(4-3)

式中 P K ——比例系数；

I T ——积分时间常数； D T ——微分时间常数；

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，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。P K 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。P K 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

2、积分环节

主要用来消除系统的稳态误差。I T 越小，系统的静态误差消除越快，但I T 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。若

I T 过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

3、微分环节

能改善系统的动态特性，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。但D T 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

3.3.2 增量型PID 控制算法

现以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换：

000(0,1,2,)()()()()()[(1)]()(1)k k t j j t kT k e t dt T e jT T e j de t e kT e k T e k e k dt T T ==??

??≈=????≈=??????

----≈=??

??

∑∑? （4-4）

式中 T ——采样周期。

显然，上述离散化过程中，采用周期T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去O T 将式（4-4）代入式（4-2），可得离散的PID 表达式为

[]0

()()()()(1)k

D

P j I

T T

u k K e k e j e k e k T T =??=+

+

--???

?

∑ （4-5） 或

[]0

()()()()(1)k

P I D j u k K e k K e j K e k e k ==++--∑ （4-6）

式中 k ——采样序号，0,1,2,k = ； u(k)——第 k 次采样时刻的计算机输出值； e(k)——第k 次采样时刻输入的偏差值； e(k-1)——第(k-1)次采样时刻输入的偏差值； I K ——积分系数，/I P I K K T T =；

D K ——微分系数，/D P D K K T T =；

当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电动机）时，可由式（4-6）导出提供增量的PID 控制算式。根据递推原理可得

1

(1)(1)()[(1)(2)]k p I D j u k K e k K e j K e k e k -=-=-++---∑ （4-10.）

用式（4-6）减式（4-10），可得

()[()(1)]()P I u k K e k e k K e k =--++ [()2(1)(2)]D K e k e k e k --+- =()()[()(1)]P I D K e k K e k K e k e k ?++?-?- （4-11）

式中 ()()(1)e k e k e k ?=--

图4.4增量型PID 控制系统框图

式（4-11）称为增量式PID 控制算法。 图4.4给出了增量式PID 控制系统示意图。 可以将式（4-11）进一步改写为

()()(1)(2)u k Ae k Be k Ce k ?=--+- （4-12）

式中 (1)D

P I T T A K T T

=+

+、(12)D P T B K T =+、/P D C K T T =

它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T ，一旦确定了P K 、I K 、

D K ，只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式（4-11）或式（4-12）求出控制增量。

采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu(k)对应的是本次执行机构位置（阀门开度）的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累

()()k

j u k u j ==?∑需采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件来实现；而

目前较多的是利用算式()(1)()u k u k u k =-+?通过执行软件来完成。

图4.5 PID增量型控制算法流程图3.3.3 主程序控制流程

图4.6 液位控制主程序流程图

有设定值？

N

读输入值

图4.6 温度控制主程序流程图

3.3.4 部分程序（PID部分）

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar code table1[]="err";

void main()

{

...

}

int PID(uint err)

{

uint pid_p,pid_i,pid_d;

Int Kp=50,Ti=50,Ki,Td=0.01,Kd;

while(1)

{

pid_p=kp*err;

pid_i+=err;

pid_d-=err;

pid=pid_p+ki*pid_i+kd*pid_d;

return pid;

}

}

4.设计总结

经过一周的课程设计，使我深刻的感受到所学知识的综合使用，像PID的运用，单片机的运用，C语言编程，protel画原理图，检测与转换技术的传感器等，一开始设计时还真有点迷茫，只能重新翻开以前的书本，才一点一点的理解过来，有了思路。而且以前不是特别明白或根本就不懂的地方，通过重新学习和实践弄懂了不少，对它们的原理有了更深的认识。也使我感受到了理论与实践相结合的重要性，不但使我对所掌握的知识有了更深刻的认识，还提高了我独立思考能力。遇到不懂的地方要的动手查阅资料或问同学、老师。这次设计为以后的学习、生活打下良好的基础，同时也暴露了自己的一些不足之处，基础知识不够扎实，不太懂得知识的综合利用，在以后的时间里要多加注重，以提高自己综合能力。

5.参考书目

[1] 竺可桢. 物理学. 北京：科学出版社，1973.

[2] 李群芳.单片机原理、接口及应用（第二版） .北京：清华大学出版社,2010.9

[3]叶东毅.C语言程序设计教程.厦门：厦门大学出版社.2009.5

[4]徐兵.过程控制.北京：机械工业出版社.2004.8

[5] 王春鸣，陈刚，张素贞. 专家PID控制器. 石油化工自动化,2002，（5）:25-27 附录：硬件电路原理图