單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)課設(shè)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目：單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化自動(dòng)化074074 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 俞潔華俞潔華 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：起止時(shí)間：2010.12.152010.12.152010.12.242010.12.24課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名俞潔華專業(yè)班級(jí)074課程設(shè)計(jì)題目單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課

2、題完成的功能、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的功能、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能以單片機(jī)為控制核心，加上相應(yīng)的輸入輸出通道，采用常規(guī) PID 控制算法，將液位控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前液位值。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括單片機(jī)的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo) PID 控制算式，設(shè)計(jì) PID 算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。5、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在 4000 字以上。技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)液位控制范圍：10100cm誤差：5cm三位 LED 顯示液位高度進(jìn)度計(jì)劃布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方

3、案（1 天）被控對(duì)象建模（1 天）算法推導(dǎo)，程序設(shè)計(jì)（3 天）仿真研究（2 天）撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（2 天）答辯（1 天）指導(dǎo)教師評(píng)語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。介紹了 PID 控制的基本原理及數(shù)字 PID 算法，并根據(jù)算法的比較選擇了增量式 PID 算法。建立了基于單片機(jī)編程語言的 PID 液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID 參數(shù)，利用 MATLAB 應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真得到圖線。系統(tǒng)由進(jìn)出水閥門，單片機(jī)，A/D 轉(zhuǎn)換器，D/A 轉(zhuǎn)換器，傳感器，顯示電路和鍵盤電

4、路等組成。整個(gè)過程保持進(jìn)水閥的開度比例不變，由傳感器檢測電路連續(xù)不斷地相應(yīng)液位值，送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中處理，輸出的數(shù)字量送給單片機(jī)，控制顯示電路實(shí)時(shí)顯示實(shí)際液位值，由鍵盤輸入設(shè)定值，控制器比較其值控制出水閥門的開度比例，以保持液位穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：水箱建模，液位控制，PID 算法，增量式 PID目 錄第1 章 緒論.1第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案 .22.1 概述 .22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .2第 3 章 硬件設(shè)計(jì) .33.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) .33.2 傳感器模塊 .33.3 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊 .33.4 鍵盤模塊 .33.5 顯示模塊 .4第 4 章

5、軟件設(shè)計(jì) .54.1 PID 算法 .54.2 位置式 PID 控制系統(tǒng) .64.3 增量型 PID 控制算法 .84.4 PID 計(jì)算 .104.5 主程序控制流程 .114.6 顯示部分 .12第 5 章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 .135.1 MATLAB 程序 .135.2 MATLAB 成象曲線 .13第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .14參考文獻(xiàn) .15附錄：系統(tǒng)硬件原理圖 .16第 1 章 緒論過程控制是自動(dòng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對(duì)液位、溫度、流量等過程變量進(jìn)行控制，在冶金、機(jī)械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水

6、塔的供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水，如果排水或進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會(huì)使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動(dòng)強(qiáng)度大或者操作有一定危險(xiǎn)性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失?？梢?，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。液位控制是工業(yè)中創(chuàng)建的過程控制，它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。

7、但榮液位控制系統(tǒng)具有非線性、滯后、耦合等特征，能夠很好地模擬工業(yè)過程特征。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的 PID 控制由于采用固定的參數(shù)，難以保證控制適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化，得不到理想效果。在本設(shè)計(jì)中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對(duì)象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。針對(duì)過程控制試驗(yàn)臺(tái)中液位控制系統(tǒng)裝置的特點(diǎn)，建立了基于單片機(jī)編程語言的 PID 液位控制模擬界面和算法程序。雖然PID 控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必須合理的整定 PID 的控制參數(shù)，使之具有合理的數(shù)值。第 2 章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 概述本次設(shè)計(jì)主要

8、是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在實(shí)踐的基本技能方面進(jìn)行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“單片機(jī)”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握計(jì)算機(jī)控制算法和 PID 算法在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的基本方法。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 圖 2.1 是基于單片機(jī)為控制器單容水箱液位控制系統(tǒng)的基本組成硬件框圖。主要由液位傳感器，進(jìn)水閥門，出水閥門，A/D 轉(zhuǎn)換電路，D/A 轉(zhuǎn)換電路，鍵盤電路，顯示電路，單片機(jī)（89C51）組成。液位傳感器可精確快速的測量微小液位差，把差值轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的器件。單片機(jī)信號(hào)得經(jīng)由計(jì)算機(jī) PID 算法計(jì)算傳回。工作原理：控制進(jìn)水閥門的流量，液位傳感器檢測液位，與

9、設(shè)定值相比得到的差值經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)中，經(jīng)過 PID 算法分析傳回單片機(jī)，控制顯示電路實(shí)時(shí)顯示液位的實(shí)際值，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換控制出水閥門的開閉。傳感器液位信號(hào)顯示電路A/D 轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)差動(dòng)電路鍵盤電路出水閥門PC機(jī)D/A 轉(zhuǎn)換復(fù)位電路電路電路圖 2.1 系統(tǒng)框圖第 3 章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)模塊中包括 CPU、復(fù)位電路和晶振。3.2 傳感器模塊本次設(shè)計(jì)中差壓傳感器選用柯普樂浮球液位傳感器。它是一款根據(jù)浮力原理，并采用三線分壓器原理對(duì)也未進(jìn)行測量及信號(hào)得變送。浮球內(nèi)磁鋼的磁力線穿過導(dǎo)管，感應(yīng)導(dǎo)管內(nèi)干簧與電阻鏈，由此產(chǎn)生的電壓與液位成

10、正比例關(guān)系。工作原理簡單應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)于液位的連續(xù)測量，能可靠穩(wěn)定獲取液位信號(hào)，不受被測介質(zhì)的物理化學(xué)狀態(tài)變化影響，支持信號(hào)源距離傳送。適用范圍：溫度：-80+200；壓力：真空100Mpa。耐腐蝕性強(qiáng)，適用于各種場合。誤差在 20mm 之內(nèi)。3.3 A/D 轉(zhuǎn)換和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊該模塊 A/D 轉(zhuǎn)換選用 ADC0809 是 M 美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8通道，8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通 8 路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用 A/D 芯片。DAC08

11、32 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè) DA 芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。3.4 鍵盤模塊本次設(shè)計(jì)中采用的 4*4 的非編碼鍵盤。矩陣式非編碼鍵盤的電路原理圖如圖3.4 所示。當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，行線和列線之間是不相連。若第 N 行第 M 列的鍵被按下，那么第 N 行與第 M 列的線就被接通。如果在行線上加上信號(hào)，根據(jù)列線的狀態(tài)，便可得知是否有鍵按下。如果在行線上逐行加上一個(gè)掃描信號(hào)（本實(shí)驗(yàn)中用的低電平） ，就

12、可以判斷按鍵的位置。常用的按鍵識(shí)別有兩種方法：一種是傳統(tǒng)的行掃描法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。本實(shí)驗(yàn)中采用的是線反轉(zhuǎn)法進(jìn)行識(shí)鍵。鍵盤在單片機(jī)系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的部件。為了輸入數(shù)據(jù)、查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤，鍵盤是人工干預(yù)計(jì)算機(jī)的主要手段。 鍵盤可分為編碼和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤采用硬件線線路來實(shí)現(xiàn)鍵盤編碼，每按下一個(gè)鍵，鍵盤能自動(dòng)生成按鍵代碼，鍵數(shù)較多，而且還具有去抖動(dòng)功能。這種鍵盤使用方便，但硬件較復(fù)雜，PC 機(jī)所用的鍵盤就屬于這種。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其他工作由軟件完成，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡單，一般在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。123456ABCD6543

13、21DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Jul-2010 Sheet of File:D:Study09-10 second儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀儀protelMyDesign.ddbDrawn By:S1S2S3S13S4S5S6S14S7S8S9S15S10S11S12S16P00P01P02P03P04P05P06P07圖 3.1鍵盤模塊硬件原理圖3.5 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用三位 LED 顯示電路。即常用的七段顯示器件：半導(dǎo)體數(shù)碼管將十進(jìn)制數(shù)碼分成七個(gè)字段，每段為一發(fā)光二極管。半導(dǎo)體數(shù)碼管（或稱 LED 數(shù)碼管）的基本單元是 PN 結(jié)，目前較多

14、采用磷砷化鎵做成的 PN 結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，就能發(fā)出清晰的光線。單個(gè) PN 結(jié)可以封裝成發(fā)光二極管，多個(gè) PN 結(jié)可以按分段式封裝成半導(dǎo)體數(shù)碼管。有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種。為了便于實(shí)時(shí)顯示，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示。第 4 章 軟件設(shè)計(jì)4.1 PID 算法數(shù)字 PID 控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹 PID 控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字 PID 控制算法及其具體應(yīng)用。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 4.1 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控

15、對(duì)象組成。積分比例微分被控對(duì)象u(t)e(t)r(t) c(t)圖 4.1 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)=r(t)-c(t) (4-1)將偏差的比例（P） 、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。它的控制規(guī)律為 (4-2)0( )1( )( )( )tDPIT de tu tKe te t dtTdt寫成傳遞函數(shù)形式為 (4-3)( )1( )(1)( )PDIU sG sKT sE sT s式中 比例系數(shù)；PK 積分時(shí)間常數(shù)；IT 微分時(shí)間常數(shù)

16、；DT從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，PK系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)PK降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，ITIT在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，IT將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)

17、過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)DT時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。4.2 位置式 PID 控制系統(tǒng) 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（4-2）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬 PID控制算法的算式（3-2） ，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： （4-4）000(0,1,2,)( )()( )( )()(1) ( )(1)kktjjtkT ke t dtTe jTTe jde te kTe kT

18、e ke kdtTT式中 T采樣周期。 顯然，上述離散化過程中，采用周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將 e(kT)簡化表示成 e(k)等，即省去將式（4-4）代入式（4-2） ，可OT得離散的 PID 表達(dá)式為 （4-5）0( )( )( )( )(1)kDPjITTu kKe ke je ke kTT或 （4-6）0( )( )( )( )(1)kPIDju kK e kKe jKe ke k式中 k采樣序號(hào)，；0,1,2,k u(k)第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； 積分系數(shù)，

19、；IK/IPIKK T T微分系數(shù)，；DK/DPDKK TT由 z 變換的性質(zhì)1 (1)( )z e kz E z10( )( )(1)kjE zze jz式（4-6）的 z 變換式為 （4-7）11( )( )( ) ( )( )1PIDE zU zK E zKKE zz E zz由式（4-7）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 z 傳遞函數(shù)為 （4-8）11( )( )(1)( )1IPDKU zG zKKzE zz或者 （4-9）11 211( )(1)(1) 1PIDG zKzKKzz數(shù)字 PID 控制器如圖 4.2 所示。圖 4.2 數(shù)字 PID 控制器的結(jié)構(gòu)圖由于計(jì)算機(jī)輸出的 u(k)

20、直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如出水閥門） ，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開度）是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱式（4-5）或式（4-6）為位置式 PID 控制算法。PK1/(1)IKz1(1)DKzU(z)u(k)E(z)e(k) 圖 4.3 位置式 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式

21、 PID 控制的控制算法。所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 u(k)。4.3 增量型 PID 控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，可由式（4-6）導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式。根據(jù)遞推原理可得 （4-10.）10(1)(1)( ) (1)(2)kpIDju kK e kKe jKe ke k用式（4-6）減式（4-10） ，可得( ) ( )(1)( )PIu kKe ke kK e k ( )2 (1)(2)DKe ke ke k （4-11）( )( )( )(1)PIDKe kK e kKe ke k式中 ( )( )(1)e ke

22、 ke k圖 4.4 增量型 PID 控制系統(tǒng)框圖式（4-11）稱為增量式 PID 控制算法。圖 4.4 給出了增量式 PID 控制系統(tǒng)示意圖。PID 位置算法D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象A/Dr(k) +u(k)e(k)r(k) +D/Au(k)PID 增量算法A/D執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象u(t)u(t)可以將式（4-11）進(jìn)一步改寫為 （4-12）( )( )(1)(2)u kAe kBe kCe k式中 、(1)DPITTAKTT(12)DPTBKT/PDCK TT它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了、

23、PK、，只要使用前后 3 次測量值的偏差，即可由式（4-11）或式（4-12）求出控IKDK制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量 u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（例如閥門開度）的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累需采用一定的方法來解決，例如用有積累作用的元件來實(shí)現(xiàn)；目前0( )( )kju ku j較多的是利用算式通過執(zhí)行軟件來完成。( )(1)( )u ku ku k由圖 4.3、圖 4.4 可以看出，就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計(jì)算機(jī)承擔(dān)其計(jì)算，或者一部分由其它部件去完成。增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少優(yōu)

24、點(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。（2）手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。（3）算式中不需要累加?？刂圃隽?u(k)的確定僅與最近 k 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。被控對(duì)象離線計(jì)算

25、，置0q1q2q120e ke k將 A/D 結(jié)果賦給 y k求 e kr ky k計(jì)算控制增量 u kD/A21e ke k 1e ke kA/D將輸出給 D/A u k采樣時(shí)刻到否？否到圖 4.5PID 增量型控制算法流程圖4.4 PID 計(jì)算因?yàn)閱稳菟湟何豢刂葡到y(tǒng)傳函是一階慣性環(huán)節(jié)。應(yīng)用 MATLAB 仿真，直接調(diào)試，調(diào)節(jié)和，pkikdk4.5 主程序控制流程出水閥保持原開度系統(tǒng)初始化讀取水箱液位液位值送顯示顯示值等于設(shè)定值？A/D 轉(zhuǎn)換按鍵掃描有設(shè)定值？鍵盤鍵入控制出水閥開度比例讀輸入值偏差計(jì)算 PIDNY系統(tǒng)上電圖 4.6主程序流程圖4.6 顯示部分該函數(shù)主要為各顯示函數(shù)調(diào)用。其工

26、作流程為先向 LCD 發(fā)送控制命令，再傳送待顯數(shù)據(jù)，最后刷新屏幕。其流程圖如圖 4.7 所示。入口發(fā)送命令延時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)延時(shí)顯示返回圖 4.7 LCD 顯示函數(shù)流程圖4.7 程序部分Private Sub pid loop()dfilter = 10 數(shù)字濾波器 inputd = pv + (inputlast - pv) * (kd / 60)inputlast = pvinputdf = inputdf + (inputd - inputdf) * dfilter / 60output = (sp - inputdf) * (kp / 100) + feedbackIf output 100

27、 Then 出水閥開度取值范圍是 0-100% output = 100End IfIf output 0 Thenoutput = 0End IfHScroll2.Value = 100 - output 自動(dòng)模式下調(diào)節(jié)出水閥開度Text6.Text = HScroll2.Value 顯示出水閥門開度值feedback = feedback - (feedback - output) * ki / 60End Sub第 5 章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析5.1 MATLAB 程序圖 5.1 一節(jié)慣性環(huán)節(jié) MATLAB 程序圖5.2 MATLAB 成象曲線圖 5.2 一階慣性環(huán)節(jié) MATL

28、AB 程序圖由圖得=1 和=0.5，=1.3pkikdk第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)在該系統(tǒng)的構(gòu)想之初有不少困惑。主要是關(guān)于 PID 算法不知道如何應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。這次課設(shè)還要求有計(jì)算機(jī)仿真，一涉及到各門學(xué)科相聯(lián)系應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)，心里就開始發(fā)怵。因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)上都是單純的學(xué)習(xí)某一門知識(shí)，知道怎么解題，如何理解題目的思路，對(duì)解題的用途投注了太少的注意力，以至于很多知識(shí)可能理解，會(huì)用，但是卻不知道怎么把它用到設(shè)計(jì)里去。又或者是一些選修課，本來上課講的內(nèi)容就少，還一知半解，到用著的時(shí)候只能干瞪眼，或者重新去學(xué)了。課程設(shè)計(jì)深刻的結(jié)合了所學(xué)綜合了各門學(xué)科，像單片機(jī)，計(jì)算機(jī)控制，protel，MATLAB 等，都

29、需要我們?cè)谄綍r(shí)去關(guān)注去學(xué)習(xí)運(yùn)用的。以前不是特別明白的地方也通過實(shí)踐弄懂了?？偟膩碚f，這次課程設(shè)計(jì)使我 感受到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的及其重要意義，不但使我對(duì)所掌握的知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，還提高了我的動(dòng)手查閱資料的能力而且還鍛煉了自己的獨(dú)立思考能力。設(shè)計(jì)思路是最重要的，只要你的設(shè)計(jì)思路是成功的，那你的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計(jì)前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，這對(duì)于我掌握，理解學(xué)習(xí)過的知識(shí)有很大的幫助，對(duì)于思維 、邏輯及其理論知識(shí)的運(yùn)用等多方面有了更加進(jìn)一步的掌握。遇到不懂的地方就要問，老師都會(huì)熱情的幫助我們，不要怕問題簡單幼稚，怕下不來面子，要知道誰都是從不懂到懂的，才能對(duì)自己有所助益，進(jìn)步才能更加迅速。在這里我也感謝所有給予我關(guān)心幫助的老師和同學(xué)，希望以后有更多的機(jī)會(huì)來鍛煉自己的綜合素質(zhì)，為以后的學(xué)習(xí)、生活打下良好的基礎(chǔ)，在這次課設(shè)中也暴露了自己的一些缺點(diǎn)，基礎(chǔ)知識(shí)不夠扎實(shí)，我會(huì)在以后的日子里加以改正，來提高自己綜合能力。參考文獻(xiàn)1 喻其炳. 工程中液位控制的三種常見方式. 渝州大學(xué)學(xué)報(bào),2002，19（4）：91-932 陶永