工业过程控制
课程设计
题目: 基于组态软件的液位-液位串级控制系统设计
工业过程控制课程设计任务书
目录
1 设计目的 (1)
2 控制要求 (1)
3 系统结构设计 (1)
3.1 控制方案 (1)
3.2 控制规律 (2)
3.4 硬件连接 (7)
4 系统组态设计 (9)
4.1 组态软件介绍 (9)
4.2 系统流程图 (10)
系统流程图如图4.1所示： (10)
图4.1 系统流程图 (10)
4.3 系统组态图 (10)
系统组态图如图4.2所示： (11)
4.4 数据词典 (11)
数据词典如图4.3所示： (12)
图4.3 数据词典 (12)
4.5 组态画面 (12)
4.6 动画连接 (13)
结论 (16)
参考文献 (17)
附录程序代码 (18)
1 设计目的
（1）加深对过程控制系统基本原理的理解和对过程仪表的实际应用能力。（2）培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力。
2 控制要求
（1）能根据具体对象及控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。（2）能够根据过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用模块。（3）能根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。（4）能运用组态软件，正确设计过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。
3 系统结构设计
3.1 控制方案
串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。(2)、改善主控制器的广义对象的特性。
(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。(2)、用于时滞较大的对象。(3)、用于容量之后较大的对象。(4)、用于克服对象的非线性。
本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示
图3.1液位－液位串级控制系统框图
3.2 控制规律
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
其主要特点是：(1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；(2)不需求出系统的数学模型；(3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。
3.3 过程仪表及过程模块
本设计中共用到了以下过程仪表和过程模块：
3.3.1 液位变送器
液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG 扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。可方便的与其他DDZ—IIIX型仪表互换配置，并能直接交换同类仪表。校验的方法是通电预热十五分钟后，分不在零压力和满程压力下检测输出电流值。在零压力下调整零电位器。使输出电流为4mA
，在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。液位传感器用来上水位箱和中水位
箱的水位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，精度为0.5级，二线制4—20mA标准信号输出。
图3.2 液位传感器
图3.3压力传感器
3.3.2 电动调节阀
调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，PS系列电子式执行机构可以用于对管道的阀门和风门的调节及开与关的控制，其主要特点如下：一体化结构设计，位置变送器和伺服放大器作为两个独立部件均可直接装入
执行机构内部，直接接受4—20mA的控制信号，输出4—20mA或者1—5VDC的阀位反馈信号，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。功能模块式结构设计，通过不同可选择功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同的应用要求。
结构简单，体积小巧，重量轻，便于安装和维护，机械零件全部采用CNC加工部件，工艺精湛。传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高，噪声低，寿命长和稳定可靠，无需再加油等特点。具有多种运行速度，可以满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性。
PSL系列同阀门的连接采用柔软盘黄连接，可避免阀杆与输出轴不同轴给阀门带来的影响，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露。PSQ系列有转矩开关保护，可防止因阀门产生过大转矩而损坏阀杆。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速度同步电机，运行平稳，具有体积小、转矩大、抗堵转、控制精度高等特点。可设置分段调节，即由一台调节器输出的双时间比例信号控制两台执行机构（4—12mA对应PSL1的全开全闭，12—20mA对应PSL2的全开全闭）阀位反馈元件全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。行程可调，便于与阀门连接。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠，使用时间长。
电器部件布线严谨并传动部件完全隔离，提高执行机构运行性的可靠。
图3.4 电动调节阀
3.3.3 变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并
设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。
三菱FR-S520变频器，4-20控制输入信号，可对流量或者压力进行控制，该变频器体积小，功率小，功能非常强大，运行稳定安全可靠，操作方便，寿命长，可外加电流控制，也可通过本身旋钮控制频率。可单相或者三相供电，频率可高达200HZ。
图3.5 变频器
3.3.4 水泵
水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。这里采用丹麦格兰富循环水泵。不会影响教师授课减少麻烦。功耗低，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。
图3.6 水泵
3.3.5 模拟量采集模块
模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。测量精度：0.2级。16位A/D循环采样，采样速率：3000次/S；1.2倍量程可正确测量，过载2倍量程输入1S不损坏；隔离电压1000VDC。模拟量输出模块输出标准电流信号，可用于驱动继电器、开关等。这用A/D牛顿7017模块8路模拟电压（1-5V）3.3.6 模拟量输出模块
D/A牛顿7024模块4路模拟输出，电流(4—20mA) 电压（1—5V）信号均可。
3.3.7 通信转换模块
485/232转换牛顿7520模块，转换速度极高（300—115KHz），232口可长距离传输。
图3.7 牛顿模块示意图
3.3.8 开关电源
DC24的开关电源，最大电流为2A，可以满足实验要求。
3.4 硬件连接
本系统中，D/A模块中的IO0接口为控制器调节阀开度的控制通道，IO1为可控硅的电压控制通道，IO2为变频器的控制通道。A/D模块中，IN0为上水箱液位的检测，IN1为下水箱液位的检测，IN2为主流量的检测，IN3误为副流量的检测，IN4为温度信号的检测，IN5为阀位反馈信号的检测，IN6为水泵出口压力信号的检测。在D/A模块中，由于模块本身不能提供电源，所以在控制时应串入24V直流电源，输出电流信号控制执行器，AGND为D/A模块公共地。由于变送器输出的都是电流信号，而A/D模块输出的都是电压信号，所以在A/D通道的正负端并联一个250欧姆的电阻，将电流信号转换成电压信号。
系统采用的液位变送器，压力变送器都是二线制的，在检测液位工作时要串入DC24V电源。连接图如图3.8所示：
图3.8 上水箱特性测试实验接线图
接线要求：（I/O对应关系表）
（1）上水箱液位的检测输出----A/D模块中，IN0通道输入（2）下水箱液位的检测输出----A/D模块中，IN1通道输入（3）主流量的检测输出----A/D模块中，IN2通道输入
（4）副流量的检测输出----A/D模块中，IN3通道输入
（5）温度信号的检测输出----A/D模块中，IN4通道输入
（6）阀位反馈信号的检测输出----A/D模块中，IN5通道输入（7）水泵出口压力信号检测输出----A/D模块中，IN6通道输入（8）主调节阀开度的控制输入----D/A模块中的IO0通道输出（9）可控硅的电压控制输入----D/A模块中的IO1通道输出
(10) 变频器的输入----D/A模块中的IO2通道输出
(11) 副调节阀开度的输入----D/A模块中的IO3通道输出
(12) 模块之间用RS485总线连接
(13) 模块与计算机通讯：RS232通讯总线。
4 系统组态设计
4.1 组态软件介绍
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有（1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件成为主流。与DOS 环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培
训费用高昂等因素，这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求日益增大。近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。
4.2 系统流程图
系统流程图如图4.1所示：
V-13
图4.1 系统流程图
4.3 系统组态图
系统组态图如图4.2所示：
图4.2 控制系统组态图
4.4 数据词典
数据词典如图4.3所示：
图4.3 数据词典
4.5 组态画面
在液位－液位PID控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。
单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。
组态画面如图4.4所示，其设计原理可见图4.1系统流程图。
图4.4 组态画面
4.6 动画连接
首先根据系统流程图在系统开发界面画好组态图面，然后对各个器件逐一完成动画连接，最后在工程浏览界面中的命令语言中输入程序，即完成了动画。
如图4.5动画连接示例图1所示为，系统未起动时的动画效果，其中各参数均没有设定。图4.6动画连接示例图2与图4.7动画连接示例图3分别为系统运行时的动画连接图，由于参数不同时所显示不同的动画效果和曲线。
当系统运行时，首先设定PID调节参数，根据要求设定给定值，观察连接图，根据需要调节PID参数。最给达到所要的稳定的控制效果。
图4.5 动画连接示例图1
图4.6 动画连接示例图2
图4.7 动画连接示例图3
结论
经过一个多星期的努力，终于结束了课程设计,学会了好多东西，尤其是对组态王软件的认识与了解及应用,又会了一种功能强大的软件，在此我非常感谢老师与同学们的支持与帮助。
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。了解到，一般情况下，它都要经过一下几个步骤：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、设计系统流程图和组态图、设计组态画面、设计数据词典等，直到最后的动画链接成功，并达到控制要求。经过以上步骤，我对整个过程控制系统的设计有了很深的体会，也学会了很多与设计相关的知识。
对组态王软件也有了很大的了解，学会了初步的应用。认识到了组态王的一些应用情况，组态王软件的组成与功能，其应用程序项目如何建立，数据词典如何建立，动画如何进行链接，命令语言程序如何编写，趋势曲线如何建立，还有I/O设备的配置和组态网络的建立等等一系列与组态王软件应用相关的知识。
总之，这次设计受益匪浅，学到了很多教学中学不到的东西，从中增强我的动手能力，并且增强了我们的团队合作精神,并让我们认识到把理论应用到实践中去是多么重要。
参考文献
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过程控制综合训练 课程报告 16 —17 学年第二学期课题名称基于PLC和组态王的 系统 姓名 学号 班级 成绩
水箱液位控制系统 [摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽的液位需维持在给定值上下，或在某一小围变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。 关键词：过程控制液位控制PID控制 Abstract: In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production
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目录 一、设计目的 (4) 二、设计任务及要求 (4) 三、工艺过程及要求 (5) 四、系统总体方案的选择及说明 (6) 五、系统结构框图与工作原理 (7) 1.系统结构框图 (7) 2.工作原理 (8) 3.水箱建模 (8) 六、各单元软硬件 (10) 1.控制对象 (10) 2.控制器 (10) 3.调节阀 (11) 4.差压变送器 (12) 七、参数的整定及仿真结果 (13) 1.经验法（现场实验整定法） (13) 2.常见被控量的PID参数选择范围 (13) 3.控制器各校正环节的作用 (13) 4.仿真结果 (14) 八、分析总结 (16) 设备清单 (17) 参考文献 (18)
毕业论文（设计）题目：基于PLC控制的高精度液位控制系统的设计 姓名：濮孝金 学号： 专业：机械电子工程 年月
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Research and Design about Level Cascade Control System Design Description In industrial production, the level of process control systems charged with the amount of particularly important in the petroleum, chemical, environmental protection, water treatment, metallurgy and other industries.Automation of industrial processes often need to measure and control the level of certain equipment and containers. This design process control laboratory TKJ-2 Advanced Process Control laboratory equipment as a platform to design a distributed control system based on IPC-PLC.Host computer uses MCGS configuration software,Programming with STEP7 software,The next machine with Siemens S7-200PLC.First determine the two control schemes of the flow of the lower tank level cascade control system and competent tank level cascade control system.Mainly to see the vice control parameters while the effect of changes, a comparative study.And then complete the system hardware and software design, hardware selection and schematic drawing, the software is complete the configuration screen drawing, animations connection and PLC program to write.n on the tank, under tank, under tank competent flow step response curve method for modeling and identification,Tuning the regulator parameters according to the response curve method of PID tuning formula, completed under the tank, the next tank and competent flow single-loop PID control,Ultimately the spirit of the first vice emperor Cascade tuning method of tuning cascade control system of tank level and in charge of traffic of the main regulator of the tank level cascade control system parameters, and complete algorithm for comparative study. Level cascade control system than the single-loop control results obtained through the system debugging, performance in the short adjustment time, small overshoot and static error, and other aspects. Key Words:Process control；PID tuning；cascade；the response curve method
锅炉水位的自动控制 摘要:本文介绍了锅炉汽包水位的动态特性,单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问 题,着重介绍了汽包三冲量控制方案。 关键词:汽包水位;动态特性;控制方案;单冲量;双冲量;三冲量 引言 汽包水位是锅炉运行的主要指标,是一个非常重要的被控变量,维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件,这是因为: (1) 水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽带水过多,同时过热蒸汽温度急剧下降。该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会 损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性与经济性。(2) 水位过低,说明汽包内的水量较少,而当负荷很大时,水的汽化速度加快,则汽包内的水位变化速度亦随之加快,如不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致炉管烧坏,甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。 1 汽包水位的动态特性 锅炉汽水系统结构如图1 所示。汽包水位不仅受汽包(包括循环水管) 中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷蒸汽压力炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量S) 和给水流量W。 1. 1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性,见图2 : 图1 锅炉的汽水系统
图2 给水流量作用下水位阶跃响应曲线 上图所示是给水流量W 作用下,水位L 的阶跃响应曲线。如果把汽包的给水看作单容量无自衡过程,水位阶跃响应曲线如上图L1 曲线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低,所以给水流量W增加后,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升,最后当水位下汽泡容积不再变化时,水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中L 线。即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。给水温度越低,时滞τ亦越大。 1. 2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性,见图3 :
课程设计(论文) 题目名称： 课程名称： 学生姓名： 学号： 学院： 指导教师：
课程设计任务书
目录 摘要 (4) 引言 (5) 1几种方案的比较 (6) 1.1 简单的机械式控制方式 (6) 1.2 复杂控制器控制方案 (6) 1.3通过水位变化上下限的控制方式 (6) 2水塔水位控制原理 (8) 3电路设计 (9) 3.1原件的介绍 (9) 3.2引脚功能 (10) 3.3 水位检测接口电路 (13) 3.4报警接口电路 (14) 3.5 存储器扩展接口电路.................. .. (14) 4系统软件设计 (15) 4.1 流程图 (15) 4.2程序 (16) 5实验仿真 (18) 6结语 (19)
7参考文献 (19) 摘要 随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。 关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真
目录 第１章绪论............................................................................................... - 1 - 第2章设计方案........................................................................................ - 2 - 2.1 方案举例......................................................................................... - 2 - 2.2 方案比较......................................................................................... - 3 - 2.3 方案确定......................................................................................... - 3 - 第3章硬件设计........................................................................................ - 4 - 3.1 控制系统......................................................................................... - 4 - 3.1.1 AT89C51单片机 ..................................................................... - 4 - 3.1.2 AT89C51的信号引脚............................................................... - 6 - 3.1.3 单片机最小系统 ....................................................................... - 7 - 3.2 感应系统......................................................................................... - 8 - 3.3 指示系统......................................................................................... - 9 - 3.4 液位控制系统................................................................................. - 10 - 3.5 电机与报警系统.............................................................................. - 11 - 第4章软件设计...................................................................................... - 14 - 4.1 延时子程序.................................................................................... - 14 - 4.2 感应系统程序................................................................................. - 14 - 4.3 指示系统程序................................................................................. - 15 - 4.4 电机和警报系统程序 ....................................................................... - 16 - 4.5 液位预选系统程序 .......................................................................... - 16 - 4.6 系统主流程图................................................................................. - 19 - 第5章系统测试...................................................................................... - 21 - 5.1 仿真测试过程................................................................................. - 22 - 5.2 仿真结果....................................................................................... - 24 -总结...................................................................................................... - 25 - 致谢...................................................................................................... - 26 - 参考文献................................................................................................... - 25 -附录1 系统仿真电路 ................................................................................ - 28 - 附录2 源程序.......................................................................................... - 29 -
液位控制系统设计 学院： 专业班级： 学生姓名： 指导老师：
液位控制系统设计 本文主要讲了压力传感器实现的液位控制器的设计方法，以单片机为核心。通过外围硬件电路来达到实现控制的目的，根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。 。关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真 0 引言 随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。中国使用单片机的历史只有短短的30年，在初始的短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，很多地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。电子界，在2003年7月，https://www.doczj.com/doc/f94108665.html, （91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。大家都有些奇怪一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。正因为如此他才改变了我的生活它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达3 亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地
锅炉液位控制系统的设计 摘要：设计了一种数字式锅炉液位控制系统，并给出了硬件原理图和软件流程图。该控制系统主要由8051单片机、传感器、L E D显示、声光报警、电机驱动、键盘输入等相关硬件来实现,利用传感器(干簧管阵列)监测锅炉液位、ＣＰＵ循环检测传感器的输出状态,并用光柱和数码管L E D指示液位高度。当液位达到设定值时，系统自动关闭水泵停止上水。当水位处于危险高水位和危险低水位时，单片机发出信号，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。同时，和它并联的发光二极管发光，提醒工作人员采取相应措施，进而避免危险事故发生。该系统结构简单，性能可靠、具有很好的容错能力,简化了系统安装和维护，具有较高的性价比,能很好地完成锅炉液位控制的要求。 关键词;锅炉液位；单片机；传感器；干簧管；报警 0引言 锅炉的液位监控是锅炉运行过程中的一个重要环节。在锅炉运行中，要同时控制锅炉的液位、流量按一定规律变化，才能保证锅炉的正常运行。 目前常用的液位传感器有：旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、非接触式超声波传感器、压力式传感器、磁浮子接点式传感器(连续式和液位开关式)等。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位信号转换成标准电流信号(4~20mA)。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。除智能型一体化传感器外(压力式或超声波)，其他传感器一般没有就地显示和数字通信功能，控制和使用都很不方便。 为此，设计了一种数字式锅炉液位控制系统,该系统采用干簧管阵列作为传感器，利用单片机循环检测其输出状态，从而控制锅炉液位达到用户预先设定的高度。当水位超过最高水位或低于最低水位时,系统报警，同时控制停炉。
单片机原理及系统课程设计 专业：自动化 班级：自动化1201 姓名: 王文玉 学号：201209005 指导教师：苟军年 兰州交通大学自动化与电气工程学院 2014年12月12日
基于单片机的水位控制系统设计 1 引言 单片机课程的学习，不仅要在课本上学到知识，更要在实际中得到锻炼。我认为要学好单片机这门课程，更重要的是要学会通过实践巩固学到的知识，只有把学到的知识通过实践不断体会理解，才能更好的掌握这门课程。本次课程设计我选择制作的题目是基于单片机的水位控制系统的设计，在此次课程设计中主要以水塔供水为例,进行设计介绍。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和C语言程序，并用Proteus软件仿真。 1.1 设计背景 水位控制系统是现今生活和工业一种比较实用的系统,其应用范围广泛,主要涉及水塔、水库和锅炉水位的控制等领域。以水塔供水为例,供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位,通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机工作状态，保证水位在正常范围内。 2 设计方案及原理 2.1通过水位变化上下限的控制方式 这种控制方式通过在水塔的不同高度固定不动的3根金属棒ABC，以感知水位的变化情况。A棒接+5V电源，B棒﹑C棒各通过一个电阻与地相连。利用51单片机为控制核心，设计成一个对供水箱水位能自动进行检测控制的系统。如果水塔水位处于警界低水位状态时，启动水泵,水泵开始正转，开始向水塔供水；如果水塔水位处于正常水位状态时,水泵停止工作，水泵停转；如果水塔水位处于警界高水位状态时，启动水泵,水泵开始反转，开始从水塔排水；供水系统出现故障时，自动报警；故障解除时，水泵恢复正常工作。 2.2水塔水位控制原理 在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水
课题名称：水箱水位控制系统设计专业：电气工程及其自动化学号： 姓名：
水箱水位控制系统设计 摘要 本设计主要基于单片机的硬件电路设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述。在设计中对水塔水位控制原理进行分析,选用AT89C51单片机作为控制水塔水位的处理芯片,由AT89C51的P1口直接来控制.设计方案采用模块化程序设计方法,结合程序流程图,编写程序代码,最后利用KEIL公司的u Vision3软件及伟福仿真软件进行仿真实验,达到单片机自动控制水塔水位变化的目的. 关键词：单片机，水塔水位控制原理，AT89C51，伟福仿真软件
目录 前言 (1) 第1章设计内容 (2) 1.1 设计要求 (2) 1.2 方案设计 (2) 第2章硬件电路设计 (3) 2.1 系统框图设计 (3) 2.2 系统原理 (4) 第3章水塔水位控制系统的硬件电路设计 (5) 3.1 水位检测电路 (5) 3.2 水位显示电路 (5) 3.3电机控制电路 (6) 3.4振荡电路和复位电路 (7) 3.5声光报警电路 (7) 第4章软件程序设计 (8) 4.1 系统主程序流程图 (8) 4.2编写C程序 (9) 第5章硬件制作与调试 (10) 结论 (11) 附录 (12) 仿真总图 (12) 源代码 (13)
前言 水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，在我们的生活中起到了重要的作用，而水基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置，通过对其水位的控制对外供水，以满足需要。塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理，通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比，并编写程序加以控制，从而实现电机的调速。最后，使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水塔水位的自动控制。 液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，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。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，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。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两
前言 过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。 单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、控制精度、经济效益、安全运行、环境保护等提出了更高的要求。此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。 本毕业设计课题针对液位对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤，虽然只是串级控制系统的一个简单的应用例子，但也初步综合了自动控制原理、过程控制、检测与转换技术、组态软件等自动控制专业的知识，对于提高对专业知识的认识水平、培养实践动手能力有重要意义。 本论文共分为五章：第一章为概述；第二章为总体方案的设计；第三章叙述了控制系统的控制规律的确定；第四章介绍了实际控制系统的运行与调试；第五章为论文的结论、讨论和建议。 本课题的设计和论文的编写得到了尹绍清老师的指导，在此表示衷心的感谢。