电气工程综合设计终极版(储液罐液位计算机控制系统设计)讲解.doc

电气工程及其自动化专业综合设计(论文) 储液罐液位计算机控制系统设计 THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF THE STORAGE TANK LIQUID LEVEL COMPUTER 学生姓名 学生学号 学院名称 信电工程学院 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 2014年 12月 29日 摘要 本储水罐液位控制系统设计基于MCS51单片机系统而设计的，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。本设计还采用了液体压力传感器来对液位的信号采集，利用数码管来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警灯，有问题立即就能发现，减小损失。通过自动调节控制液位并实现体的液位报警。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。 采用单片机设计出的工业位控制器，能够针对位的不同状态和不同外界条件进行控制,位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业体液位方面作业的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护简单方便。 1 绪论 1 1.1 题目说明 1 1.2设计要求 1 2 控制系统结构框图与工作原理 2 2.1系统结构框图 2 2.2 工作原理 2 3 控制系统数学模型与总体控制方案 3 3.1储水槽数学模型 3 3.2 D/A转换器的数学模型 4 3.3系统传递函数结构框图 4 3.4系统总体方案 5 4 传感器与执行机构的选型设计 6 4.1液位传感器的选型 6 4.1.1液位传感器简介 6 4.1.2液位传感器工作原理 6 4.1.3液位传感器选型 6 4.2 7 5 控制器与硬件电路的设计 8 5.1控制器总体方案设计 8 5.2硬件电路的设计 8 8 5.2.2振荡电路 9 5.2.3复位电路 9 5.2.4数码管显示电路 9 5.2.5 A/D转换电路 10 5.2.6电机驱动电路 11 6 软件设计 13 6.1 PI算法 13 6.2软件设计流程图 14 6.3软件主函数设计 15 结论 16 致谢 17 参考文献 18 附录 19 附录1 19 附录2 22 1 绪论 1.1 设计说明 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 储罐系统 1.2设计要求 1要求控制系统调节时间ts≤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中的控制器为PID控制器，其功能由计算计算机实现。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DA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 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Q1, 水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量Q2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。 液位检测是通过四对由高亮度发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。 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 储水罐流入量与流出量之差可用式3-1表示