pid水位控制系统设计毕业论文

积分环节 比例环节 微分环节

智能水位控制系统毕业设计一、水位智能检测系统设计原理�实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性完成的。�如图1所示，虚线表示允许水位变化的上下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。为此，在水塔的不同高度安装了3根金属棒，以感知水位变化情况。图1 水位检测原理图其中B棒处于下限水位，C棒处于上限水位，A棒接+5V电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。�水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制之目的。供水时，水位上升。当达到上限时，由于水的导电作用，B、C棒连通+5V。因此，b、c两端均为1状态，这时应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。当水位降到下限时，B、C棒都不能与A棒导电，因此，b、c两端均为0状态。这时应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通，b端为1状态。C端为0状态。这时，无论是电机已在带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降。都应继续维持原有的工作状态。�二、基于单片机控制的水塔水位控制系统�1�单片机控制电路�水塔水位控制的电路如图2所示。�2�前向通道设计图2 水塔水位控制电路由于所采用的信号是频率随水位变化而变的脉冲信号（开关量），因此电路设计中省去了A/D�转换部分，这不仅降低了硬件电路的成本，而且由于采用数字脉冲信号通信，提高了系统的抗干扰能力、稳定性和精度。�输入的可变脉冲信号送到8031的P10和P11脚电平，当接收到信号时，输入脉冲使其输出高电平，而无信号输入时，无触发脉冲，此时翻转为低电平。程序控制8031周期性地对P11和P10脚电平进行采样，达到控制的目的。�3.微机控制数据处理部分�在电路设计中，充分利用8031已有端口的作用，同时也考虑扩展，做到尽可能节省元件，不仅可降低成本，而且提高可靠性。(1)使用8031单片机。水塔水位控制的电路如图3—1。接受电路得到的是频率随水位变化的调频脉冲，它反映了贮水池水位的高度，对其进行信号处理，便能实现对水位的控制及故障报警等功能。要完成此一工作，最佳的选择是采用微机控制，实验中是以MCS—51系列弹片机8031作CPU。对接受的信号进行数据处理，完成相应的水位控制、故障报警等功能。8031芯片的内部结构框图见图3所示。�由图3可大致看到：它含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O接口、串行接口定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器，栈区占用了片内RAM的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器），因单片机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内RAM字节划作工作寄存器区；PSW是程序状态字寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机的标志寄存器；DPTR是数据指针寄存器，在访问片外ROM、片外RAM、甚至扩展I/O接口时特别有用；B寄存器又称乘法寄存器，它与累加器A协同工作，可进行乘法操作和除法操作。实验中8031时钟频率为6MHz。由于8031没有内部ROM，因此需外扩展程序存储器。本系统采用2732EPROM扩展4K程序存储器，对应地址空间为0000H～0FFFH。（2）74LS373作为地址锁存器。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，其结构示意图见图4所示。当使能端G呈高点平时锁存器中的内容可更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为低，也即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。除74LS373外，84LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，但使用时接法稍有不同，由于接线稍繁、多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用的普遍。 图3 8031芯片内部结构框图（3）两个水位信号由P10和P11输入，这两个信号共有四种组合状态。如表3—1所示。其中第三种组合（b=1、c=0）正常情况下是不能发生的，但在设计中还是应该考虑到，并作为一种故障状态。�表3-1 水位信号状态表C(P11) B(P10) 操作 0 0 电机运转 0 1 维持原状 1 0 故障报警 1 1 电机停转 （4）控制信号由P12端输出，去控制电机。为了提高控制的可靠性，使用了光电耦合。4.报警电路�本系统采用发光二极管，当控制电路出现故障状态时，P13置零，发光二极管导通，发光报警。�5.软件设计�一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用MCS—51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。这个系统程序由主控程序、延时子程序组成。其中主控程序是核心。由它控制着整个系统程序的运行和跳转。流程图如图5所示。包括系统初始化，数据处理，故障报警等。�电路具体工作情况如下：�① 当水位低于B时，由于极棒A和C、A和B之间被空气绝缘，P10和P11得到低电平，全置0，单片机控制电路使P12置零，继电器吸合，启动水泵向水塔灌水；�② 当水位高于B低于C时，P10置1，P11置0，继电器常开触电自保，因此升到B以上时，继电器并不立即释放，电极仍然供水；③ 当水位达到C时，P10 、P11均置1，单片机控制电路使P12置1，继电器释放，水泵停止工作；�④ 用水过程中，水位降到C以下，P11置0，P10置1，维持原状，电机不工作，直到降到B以下，如此循环往复。�系统出现故障时，由P13置零，输出报警信号，驱动一支发光二极管进行光报警。三、结束语�现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。�本课题研究的内容是“智能水位控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所研究的就是这方面的课题。�水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本实验采用两种方法（单片机和时基集成电路）进行主控制，在水池上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机或时基集成电路对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警等功能。�参考文献�1.丁元杰 单片微机原理及应用 机械工业出版社 2000�2.腾召胜 罗隆福 智能检测系统与数据融合 机械工业出版社 20003.孙虎章 自动控制原理 中央广播电视大学出版社 1999

模糊PID控制器的设计与仿真研究摘 要:提出了一种模糊PID控制器的设计与仿真方法.该控制系统适用于碱回收炉的水位控制、火电厂锅炉水位控制以及其他领域的水位控制.其结构简单、参数调整方便、快捷.另外,借助于Matlab模糊控制工具箱和Simulink仿真工具进行的仿真试验,表明控制效果很好.关键词:模糊PID控制器;仿真;2-D控制表中图分类号: 文献标识码:A0 引言目前,模糊控制理论及模糊控制系统的应用发展很快,显示出模糊控制在控制领域具有广阔的前景.模糊控制已成为智能控制的重要组成部分.在工业过程控制中,因为PID控制器所涉及的设计算法和控制结构简单,不要求非常精确的受控对象的数学模型,且众多的过程控制软件都带有PID控制器的算法模块,而被广泛应用于工业过程控制中.但是,PID控制器参数的整定尚需工程技术人员才能完成,对于存在时滞、非线性等因素的系统更难整定,调试过程中经常出现超调、振荡等影响系统正常运行的现象.模糊控制器具有不依赖控制对象精确的数学模型,减弱超调、防止振荡等优点[1].由此本文合理结合两种控制算法的优点提出一种调整系统控制量的模糊PID控制器,这种控制器在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统控制量U,而在小偏差范围内转化为PID控制,并以给定的偏差范围自动完成二者的转化[2].本文将讨论调整系统控制量的模糊PID控制器的设计与仿真.并以一个具体的水位对象为例给出该控制器的设计与仿真实例.1 模糊PID控制器的设计该控制器中主要包含二维的模糊控制器和PID控制器.在大偏差范围内通过模糊控制器实现过程控制.模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法,让计算机把人的经验形式化、模型化,根据给定的语言控制规则进行模糊推理,给出模糊输出判决,并将其转化为精确量,馈送到被控对象(或过程)的.其中所使用的模糊控制器为常用的二维模糊控制器.在实际应用中,一般是用系统输出的偏差E和输出偏差的变化率EC作为输入信息,而把控制量的变化作为控制器的输出量,以此确定模糊控制器的结构.Ke和Kec表示量化因子, Ku表示比例因子.并且在实际微机模糊控制中,一般先确定出模糊控制规则,然后将此表存入存储器中,这样在实际的过程控制中,微机根据采样到的E和EC通过查询控制规则表求得控制量U,馈送到控制对象实现过程的模糊控制.小偏差范围内通过传统的PID控制算法实现过程控制[3].二者通过系统的偏差E实现自动切换.这样既可以通过模糊控制器加快过程动态响应过程,减弱超调和振荡现象,减弱调试过程对正常工作运行的影响,又可以通过常用的PID控制器在小偏差范围内实现精确控制,减少纯模糊控制器带来的稳态误差.图1是某水位的调整系统控制量的模糊PID控制系统[4].选取某水位误差E及其误差变化率EC和控制量U的论域分别为:E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,1,2,3,4,5,6};EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6};U={-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}.选取某水位误差E及其误差变化率EC和控制量U的语言变量值分别为:E={NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB};第22卷第3期甘肃联合大学学报(自然科学版) 年5月Journal of Gansu Lianhe University (Natural Sciences) May 2008 EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB};U={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}.依据操作者的控制经验,可建立水位模糊控制系统的模糊控制规则如表1所示.图1 模糊控制系统表1 模糊控制规则表EECNB NM NS Z PS PM PBNB PB PB PM PS PS PS PSNM PB PM PS PS PS PS PSNS PM PS PS PS Z Z ZNZ PS PS Z Z Z NS NSPZ PS PS Z Z Z NS NSPS Z Z Z NS NS NS NMPM NS NS NS NS NS NM NBPB NS NS NS NS NS NM NB实际模糊控制器的2-D控制表可利用MATLAB编制MATLAB语言求得[5].在Mat-lab命令窗口中运行此M文件,可画出如图2所示的E、EC、U隶属度函数图形,并得到表2的2-D控制表[6],存放到计算机存储器中去,在某水位实际过程控制中,计算机通过查表程序既可得出相应的控制量U,实现对象的控制.图2 隶属度函数表2 2-D控制表ECE-6 -5 -4 -3 -2 -1 -0 +0 1 2 3 4 5 6-6 4 4 4 2 0 0 0 -3 -4 -4 -5 -6 -6 -6-5 4 4 4 2 0 0 0 -3 -3 -3 -4 -5 -5 -6-4 4 4 4 2 0 0 0 -3 -3 -3 -3 -4 -5 -6-3 4 4 4 2 0 0 0 -1 -3 -3 -3 -3 -4 -5-2 4 4 4 2 0 0 0 0 -3 -3 -3 -3 -3 -4-1 4 4 4 2 2 2 2 0 -3 -3 -3 -3 -3 -30 4 4 4 4 4 4 4 0 -3 -3 -3 -3 -3 -31 4 4 4 4 4 4 4 0 -1 -1 -1 -3 -3 -32 5 4 4 4 4 4 4 0 0 0 -1 -3 -3 -33 6 5 4 4 4 4 4 2 0 0 -1 -3 -3 -34 7 6 5 4 4 4 4 4 0 0 -1 -3 -3 -35 7 6 6 5 4 4 4 4 0 0 -1 -3 -3 -36 7 7 7 6 5 5 5 4 0 0 -1 -3 -3 -32 某厂水位模糊控制系统的仿真某厂水位对象的传递函数为G(s) =0·033/s().选取水位误差E的基本论域为[-25mm,+25mm],则E的量化因子Ke =6/25=,选取误差变化EC的基本域为[-6,76 甘肃联合大学学报(自然科学版) 第22卷6],则EC量化因子Kec=6/6=1,选取U的基本域为[-102,102],则控制量U的比例因子Ku =102/.在水位正常时,突加25mm阶跃信号对水位系统作定值扰动仿真.在Matlab的Simulink工具中构造模糊控制系统模型如图3所示.双击图中的任何模块,可打开该功能模块来完成参数的设定或修改[3].图3 水位模糊控制系统的Simulink实现如对图3进行仿真,须先运行上述给的M文件,以获得二维表,然后选择Simulink中的Start,启动仿真过程,就可通过Scope观察系统的仿真结果,仿真结果如图4所示.由图4可以看出:在水位上升段,模糊PID控制比新型PID[7]调节时间短、超调小,并且对系统对象参数变化有很好的鲁棒性[8],从而证明该控制器可以获得较好的动态性能指标,达到了良好的控制效果.图4 水位模糊控制系统的仿真结果3 结论本文介绍了模糊PID控制器的设计方法,并利用Matlab中的模糊工具箱设计该控制器,有机地将模糊PID控制器与Simulink结合起来,实现PID参数自调整模糊控制系统的设计和仿真[4].并将该控制器具体应用某厂水位的控制器设计,2-D控制表的建立,以及模糊控制系统的设计与仿真实现.此方法能大大减轻设计者的工作量,且参数修改也十分方便.我们既可修改被控对象,也可修改输入输出的量化论域、语言变量、隶属函数及控制规则等[9].仿真结果:该控制器改善了控制系统的动态性能,增强了其实用性,控制效果良好.参考文献:[1]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.[2]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,1997.[3]叶军.模糊控制系统的计算机设计与仿真的研究[J].计算机仿真,2002,19(6):49-52.[4]庄利锋,杨慧中.模糊自适应PID控制器的设计及应用[J].自动化仪表,2005(1):30-31.[5]郑恩让.控制系统计算机仿真与辅助设计[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.[6]黄道平MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD[M].北京:化学工业出版社,2004.[7]陶永华.新型PID控制及其应用[M].第2版.北京:机械工业出版社,2005.[8]曾光奇,胡均安,王东,等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.[9]王三武,董金发.基于MATLAB模糊自整定PID控制器的设计与仿真[J].机电工程技术,2006(2):第3期 刘悦婷:模糊PID控制器的设计与仿真研究 The Study of Fuzzy-PID Controller Design and SimulationLIU Yue-ting(School of Science and Engineering,Gansu Lianhe University,Lanzhou 730000,China)Abstract:A fuzzy-PID controller design and simulation method is presented in this paper. The controlsystem is suitable for the recovery furnace water level control,power plant boiler water level controland other areas of water control. Its structure is simple,parameter adjustment convenient and shows that the controller works well through the use of fuzzy control Matlab Simulink sim-ulation tool kit and the words:fuzzy-PID controller;simulation;2-D control form(上接第57页)表5 柴油加抗磨剂前后测量数据表测定序号加剂前结果/μm加剂量/(mg/kg)加剂后结果/μm降低程度/μm1 508801603142701942382 486 100 315 171由表5可见,同种柴油加入抗磨剂的量与润滑性的降低程度并不成比例,开始加入一定比例降低的幅度较大,到一定程度降低的幅度逐渐减小.柴油抗磨剂种类繁多,它们对柴油润滑性的改变程度不尽相同.3 结论用高频往复试验机法考察柴油润滑性准确可靠.柴油组分复杂,其润滑性好坏不同,柴油的酸度越大,润滑性越好.润滑性与硫含量、粘度等性质没有良好的对应关系.柴油抗磨剂种类繁多,对柴油润滑性的改变程度不尽相同.加入抗磨剂的量与润滑性的降低程度不成比例.参考文献:[1]陈国良,胡泽祥,高文伟,等.柴油及组分的润滑性研究[J].石油炼制与化工,2005,36(9):42-45.[2]韦淡平.我国柴油的润滑性———一个潜在的重要问题[J].石油炼制与化工,2001,32(1):37-40.[3] SH/T0765-2005,柴油润滑性评定法(高频往复试验机法)[S].[4]钱伯章.柴油质量发展趋势和低硫、低芳烃柴油生产技术进展[J].齐鲁石油化工,1996,24(2):146-155.[5]袁冬梅.高频往复装置(HFRR)测定柴油润滑性[J].锦西炼油化工,2006,11(2):33-35.[6]臧树德,朱敏.用高频往复试验机测定柴油润滑性[J].当代化工,2006,35(1):50-52.[7]杨永红,齐邦峰.柴油润滑性及润滑性添加剂的研究进展[J].江苏化工,2007(2): of the Lubricity of Diesel Fuel Samples by Using theHigh-frequency Reciprocating RigMA Tian-jun,WEI Hai-cang(Petrochina Lanzhou Petrochemical Subsidiary,Lanzhou 730060,China)Abstract:The lubricity of diesel fuel samples and the diesel components are analyzed by the high-fre-quency reciprocating rig. Accuracy and Repeatility of the method are correlations areprimary discussed and confirmed between the lubricity and the contents of sulfur,acidity,viscosity ofthe diesel fuel, words:diesel fuel; the high-frequency reciprocating rig(HFRR);lubricity78 甘肃联合大学学报(自然科学版) 第22卷