基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的立題依據(jù)通過畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步加深理解電工電子、單片機(jī)技術(shù)、控制理論、過程控制系統(tǒng)等所學(xué)課程的內(nèi)容。掌握過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。掌握51單片機(jī)的工程應(yīng)用方法。掌握過程控制系統(tǒng)的工程實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法。主要內(nèi)容及要求查閱國內(nèi)外資料，了解連續(xù)生產(chǎn)過程的現(xiàn)代控制技術(shù)和方法，了解過程控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)。進(jìn)行方案論證和方案分析；采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)→采用交流變頻器→交流電機(jī)→水泵的結(jié)構(gòu)形式，控制水箱的液位高度。單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)，完成PID調(diào)節(jié)的控制功能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：進(jìn)行雙容液位控制系統(tǒng)調(diào)試，整定各環(huán)節(jié)參數(shù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)度安排熟悉設(shè)計(jì)題目內(nèi)容、查找資料、復(fù)習(xí)過程控制、51單片機(jī)應(yīng)用的基本知識、調(diào)研，寫出開題報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行液位控制試驗(yàn)，掌握雙容水位過程控制特點(diǎn)，進(jìn)行液位過程控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心的PID調(diào)節(jié)器的硬件電路和程序編寫。雙容液位過程控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試及參數(shù)整定，同時(shí)進(jìn)行單片機(jī)控制器軟件的調(diào)試。2010.04-2010.05撰寫畢業(yè)論文,結(jié)題、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。學(xué)生簽字：指導(dǎo)教師簽字：年月日基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要介紹一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過外圍硬件電路來達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制的目的?？筛鶕?jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時(shí)具備報(bào)警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點(diǎn)，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究價(jià)值。該控制器不僅可用于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)研究，還可用于生產(chǎn)實(shí)際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。本文根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書得要求重點(diǎn)分析了單片機(jī)的水箱液位PID控制系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)、PID匹配關(guān)系等。關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測系統(tǒng)；過程控制；電路結(jié)構(gòu)；PID設(shè)計(jì)；單片機(jī)BasedonSCMTankLevelControlSystemDesignAbstractIntroducesamethodbasedonsinglechipmicrocomputercontrolsystemofwaterlevel,thedesignmethodofcontrolsystembasedonsinglechip,throughtheperipheralhardwarecircuittorealizetheaimofcontrol.Accordingtoneedtosetthelevelcontrol,alongwithalarm,highaltitudedisplayfunction,duetotheincreasedgaspressuresensor,whichdoesnotcontactwithliquidsurface,poisonous,corrosiveliquidlevelcontrol,andhashighvalue.Thiscontrollercanbeusednotonlyintheschoolteachingresearch,alsocanbeusedintheactualproduction,istherelativelylackofaproduct.AccordingtorequirementsofgraduationdesignspecificationmainlyanalyzedthewaterlevelchipPIDcontrolsystemoftheworkingprinciple,features,PIDmatchingrelation,etc.Keywords:Automatic;detection;system;Process;control;Circuitstructure;PIDdesign.目錄摘要………………………ⅠAbstract…………Ⅱ第1章緒論……………………11.1過程控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)…………11.2生產(chǎn)過程的現(xiàn)代控制技術(shù)和控制方法……………31.3過程控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r……………41.3.1過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展…………………41.3.2過程控制檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展…………51.3.3過程控制策略的發(fā)展……………61.4課題設(shè)計(jì)的目的和意義……………7第2章液位控制系統(tǒng)分析…………………82.1過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)………………82.2單溶液位系統(tǒng)………………………102.3雙容液位系統(tǒng)………………………112.4本章總結(jié)…………12第3章水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案……………………133.1總體設(shè)計(jì)方案………………………133.2調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)………………………133.3水箱液位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)……………………203.4本章總結(jié)…………22結(jié)論…………………………23參考文獻(xiàn)………………24附錄……………………25致謝………………………26基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章緒論隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使我們對單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型水箱液位控制系統(tǒng)作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。另外，水箱液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。本文介紹一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過外圍硬件電路來達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制的目的?？筛鶕?jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時(shí)具備報(bào)警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點(diǎn)，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究價(jià)值。該控制器不僅可用于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)研究，還可用于生產(chǎn)實(shí)際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會(huì)導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)由原來的手動(dòng)操作切換到自動(dòng)操作時(shí)，必須為無擾動(dòng)，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能及時(shí)地跟蹤手動(dòng)的輸出值，并且在切換時(shí)使測量值與給定值無偏差存在。一般言之，具有比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti選擇合理，也能使表1-1PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。1.1過程控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要分支，在石化、電力、冶金、輕工等連續(xù)型生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。今年來。過程控制技術(shù)本身及其應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。無論是在現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程的技術(shù)改造中，過程控制技術(shù)對于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面都起著非常重要的作用。自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技以及人們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用。自20世紀(jì)90年代以來，作為信息科學(xué)的重要分支，自動(dòng)化技術(shù)本身及其應(yīng)用領(lǐng)域的到了迅速的提高和發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)作為國家高科技的重要組成部分，其水平高低已成為衡量國家科技實(shí)力和各個(gè)行業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。過程控制（ProcessControl）通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，是自動(dòng)化技術(shù)最重要的組成部分之一。其應(yīng)用范圍覆蓋石油、化工、制藥、生物、醫(yī)療、水利、電力、冶金、輕工、紡織、建材、核能、環(huán)境等許多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。20世紀(jì)40年代以前，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平相對落后，生產(chǎn)過程大多處于手工操作狀態(tài)，操作工通過目測判斷生產(chǎn)過程的狀態(tài)，手動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，生產(chǎn)效率很低。40年代以來，特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，尤其是近些年來，在IT技術(shù)（自動(dòng)化技術(shù)也是IT技術(shù)的組成部分）的帶動(dòng)下，過程控制技術(shù)發(fā)展十分迅猛。過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)過以下幾個(gè)階段。1.局部自動(dòng)化階段20世紀(jì)50年代，過程控制技術(shù)開始得到發(fā)展。在這一階段過程控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是單輸入-單輸出系統(tǒng)；被控參數(shù)主要有溫度、壓力、流量和物位四種參數(shù)；控制的目的書保持這些工藝參數(shù)的穩(wěn)定，確保生產(chǎn)安全。當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模比較小，多用氣動(dòng)儀表進(jìn)行測量與控制，采用0.02-0.1MPa的氣動(dòng)信號作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)儀表實(shí)現(xiàn)就地的簡單控制，主要解決在生產(chǎn)過程較為正常的情況下，為滿足工藝要求的參數(shù)而進(jìn)行的定制控制問題。大多數(shù)測量儀表分散在各生產(chǎn)單元工藝設(shè)備上，操作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場查看儀表及采取相應(yīng)的操作。20世紀(jì)50年代后期-60年代，先后出現(xiàn)了氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表，采用了集中監(jiān)控與集中操作的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動(dòng)化。這對當(dāng)時(shí)迫切希望提高設(shè)備效率和擴(kuò)大生產(chǎn)過程規(guī)模的要求起到了有力的促進(jìn)作用，適應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備日益大型化與連續(xù)化的客觀需要。2.集中控制階段20世紀(jì)60年代，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量越來越高，也對過程控制技術(shù)提出了新的要求，迫切需要生產(chǎn)過程集中控制與管理。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)品取代了電子真空管。隨后，集成電路取代了分立元件，電子儀表的可靠性大為提高，逐步取代了氣動(dòng)儀表。過程控制系統(tǒng)大量采用單元組合儀表和組裝式儀表，生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了車間范圍和大型系統(tǒng)的集中監(jiān)控。為了提高控制質(zhì)量和滿足特殊工藝的控制要求，開發(fā)使用了多種復(fù)雜控制系統(tǒng)方案，如串級控制、前饋控制、比值控制、均勻控制等。特別是前饋控制、選擇控制品質(zhì)、安全性大為提高。前饋控制使控制質(zhì)量顯著提高；選擇控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)型自動(dòng)控制，以避免強(qiáng)制性連鎖停車，改變了過去不得不切向手動(dòng)或被迫連鎖停車的狀況，從而擴(kuò)大了自動(dòng)化的范圍。以此同時(shí)，計(jì)算機(jī)開始在庫存控制領(lǐng)域應(yīng)用。3.集散控制階段20世紀(jì)70年代，隨著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)及微處理器的問世，計(jì)算機(jī)的性價(jià)比和可靠性大為提高，采用冗余技術(shù)和自診段措施的工業(yè)計(jì)算機(jī)完全滿足工業(yè)控制對可靠性的要求，為新的過程控制儀表、裝置于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持。大型生產(chǎn)過程一般都是分散系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程控制分散進(jìn)行、整個(gè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視、操作與管理相對集中的設(shè)計(jì)思想被大型過程控制系統(tǒng)生產(chǎn)商和用戶普遍接受?；诩泄芾恚稚⒖刂评砟?，在數(shù)字化儀表和技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的集散性控制系統(tǒng)在大型生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用，使課程控制系統(tǒng)的控制功能、可靠性、安全性、可操作性以及經(jīng)濟(jì)效益等方面都達(dá)到了新水平。課程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有單變量控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量系統(tǒng)，由生產(chǎn)過程的定制控制發(fā)展到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著測量儀表數(shù)字化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和集散性控制技術(shù)日益成熟、現(xiàn)場總線技術(shù)以及基于現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)逐步推廣、使用，使過程控制系統(tǒng)的開放性、兼容性和現(xiàn)場儀表與裝置的智能化水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。工廠自動(dòng)化、技術(shù)及集成過程控制、技術(shù)及集成制造系統(tǒng)和企業(yè)資源綜合規(guī)劃等方案的規(guī)劃和實(shí)施，正在成為提高工業(yè)生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵手段。1.2生產(chǎn)過程的現(xiàn)代控制技術(shù)和控制方法從20世紀(jì)40年代開始至今，采用PID控制規(guī)律的單回路系統(tǒng)一直是過程控制領(lǐng)域最主要的控制系統(tǒng)，單回路系統(tǒng)主要采用經(jīng)典控制理論的頻域分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。從20世紀(jì)60年代初期逐漸發(fā)展起來的以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論日趨完善，形成了狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器、最優(yōu)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。隨著過程工業(yè)日益走向大規(guī)模、復(fù)雜化，出現(xiàn)了先進(jìn)過程控制，如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、推理控制等都屬于先進(jìn)控制。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上得以建立和發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域，如航空航天、核技術(shù)、生物工程等新興領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對自動(dòng)控制的精度、速度、范圍及適應(yīng)能力的要求越來越高，從而推動(dòng)了自動(dòng)控制理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，從1932年奶奎斯特發(fā)表反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來，控制理論學(xué)科走過了60年的發(fā)展歷程。可以這樣劃分：前30年是經(jīng)典控制理論的成熟和發(fā)展階段；后30年是現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論是一種單回路線性控制理論，只適用于單輸入單輸出控制系統(tǒng)。主要研究對象是單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型簡單，基本分析和綜合方法是給予頻率法和圖解法。若引入等效的線性化環(huán)節(jié)，把相應(yīng)線性控制系統(tǒng)的概念和分析方法進(jìn)行修正和開拓，經(jīng)典控制理論也可以有效地處理簡單的非線性控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論的研究對象、數(shù)學(xué)方法和計(jì)算手段與講點(diǎn)控制理論比較，具有如下特點(diǎn)：1.控制對象結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變控制對象結(jié)構(gòu)由簡單的單回路模式向多回路模式轉(zhuǎn)變，即從單輸入單輸出向多輸入多輸出轉(zhuǎn)變。它可以處理極為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制問題。2.研究工具的轉(zhuǎn)變積分變換法向矩陣?yán)碚摗缀畏椒ㄞD(zhuǎn)變，由頻率法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使手工計(jì)算轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)計(jì)算。3.建模手段的轉(zhuǎn)變由機(jī)理建模向統(tǒng)計(jì)建模轉(zhuǎn)變，開始采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識的統(tǒng)計(jì)建模方法。由此可知，控制理論研究不再局限于簡單常系數(shù)線性系統(tǒng)模式，而是研究更為復(fù)雜的各類系統(tǒng)。由于航天技術(shù)、信息技術(shù)和制造工業(yè)技術(shù)的革命，要求控制理論能處理更加復(fù)雜的系統(tǒng)控制問題，提供更加有效的控制策略，因而促使現(xiàn)代控制理論不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多分支，如最優(yōu)控制理論、最優(yōu)估計(jì)理論、隨機(jī)控制理論、非線性控制理論、大系統(tǒng)理論以及最近備受關(guān)注的模糊控制理論、智能控制理論等。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，作為自動(dòng)控制技術(shù)重要部分的過程控制技術(shù)也得到迅猛發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)過程控制的發(fā)展歷程，可以根據(jù)其組成話話化劃分為體系結(jié)構(gòu)、檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制策略三部分。1.3.1過程控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展回顧工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展歷程，過程控制體系結(jié)構(gòu)大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段。（1）儀表化與局部自動(dòng)化階段：20實(shí)際50～60年代儀表化與局部自動(dòng)階段的主要特點(diǎn)是：采用過程檢測和控制儀表主要為基地式儀表和部分單元組合儀表，而且多數(shù)是氣動(dòng)儀表；過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單輸入-單輸出的單回路定制控制；被控量主要是溫度、壓力、流量和液位等生產(chǎn)過程中的熱工參數(shù)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的理論基礎(chǔ)是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論。這一階段的控制目的主要是保持上述工藝參數(shù)的穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。（2）綜合自動(dòng)化階段：20世紀(jì)60～70年代工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展對過程控制提出了新的要求，電子技術(shù)的發(fā)展也為生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展提供了條件。在這一階段，出現(xiàn)了一個(gè)車間乃至一個(gè)工廠的綜合自動(dòng)化，其主要特點(diǎn)是：大量采用單元組合儀表（包括氣動(dòng)和電動(dòng)）和組裝式儀表。同時(shí)，計(jì)算機(jī)也開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）和設(shè)定值控制（SetPointControl，SPC）。在過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，為提高控制品質(zhì)，滿足一些特殊控制要求，相繼出現(xiàn)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級控制、前饋-反饋控制及比值、均勻、分程控制等。過程控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，從經(jīng)典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論，以滿足更為復(fù)雜的控制需求。（3）全盤自動(dòng)化階段這一階段，微型計(jì)算機(jī)廣泛用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工藝流程、全工廠乃至整個(gè)企業(yè)的操作管理和控制。過程控制體統(tǒng)結(jié)構(gòu)從單變量單回路的儀表控制系統(tǒng)發(fā)展到多變量多回路的微機(jī)控制系統(tǒng)，并經(jīng)歷了直接數(shù)字控制、集中控制、分散控制和集散控制幾個(gè)發(fā)展階段，進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)（ComputerIntegratedProcessContrel，CIPC）階段。所謂CIPC是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對整個(gè)企業(yè)的運(yùn)行過程進(jìn)行綜合管理和控制，包括生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、產(chǎn)品分配、成本管理和工藝過程控制、優(yōu)化等。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)SC），它是上述技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?？刂葡到y(tǒng)中的各種儀表單元隨之也進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，并深刻的改變了傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)一對一的基本結(jié)構(gòu)和連接方式，從而構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能化、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)和多站的通信和控制系統(tǒng)，它是過程控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。1.3.2過程控制檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展過程控制檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展是與其體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展相適應(yīng)的。（1）基地式儀表基地式儀表是把檢測、顯示和控制等環(huán)節(jié)放在一個(gè)表課內(nèi)，可就地安裝的儀表。它以指示，記錄儀表為主體，附加控制機(jī)構(gòu)而組成，不僅能對某變量進(jìn)行指示或記錄，還具有控制功能。基地式儀表功能較完全，可以減少管線連接所導(dǎo)致的滯后，常用于中昂小企業(yè)里輸將不多或分散的就地控制系統(tǒng)和單機(jī)的局部控制系統(tǒng)。（2）單元組合式儀表單元組合式儀表是根據(jù)控制系統(tǒng)中各個(gè)組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用需求，將儀表做成能實(shí)現(xiàn)某種功能的獨(dú)立單元，包括:變松單元、轉(zhuǎn)換單元、控制單元、運(yùn)算單元、顯示單元、執(zhí)行單元、給丁單元和輔助單元。上述各單元之間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號彼此聯(lián)系。這些單元可以進(jìn)行靈活組合，構(gòu)成功能多樣的自動(dòng)監(jiān)測和控制系統(tǒng)。這類儀表使用靈活、通用性強(qiáng)，適用于中、小型企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。（3）智能儀表以微處理器為核心，采用先進(jìn)傳感器與電子技術(shù)的智能變送器和智能閥門定位器是新型現(xiàn)場變送類和執(zhí)行類儀表，其精度、穩(wěn)定性與可靠性均比模擬式儀表優(yōu)越。它們可輸出全數(shù)字信號或模擬數(shù)字混合信號，并且可以通過現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連接，能滿足集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。1.3.3過程控制策略的發(fā)展（1）經(jīng)典控制策略：20世紀(jì)50年代以前這個(gè)階段以微分方程和傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，采用時(shí)域分析方法、S域分析法和頻域分析方法對系統(tǒng)進(jìn)行研究。PID控制策略是這一階段的主要成果。PID控制規(guī)律原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，適用于沒有時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)。在該階段，通常將一個(gè)復(fù)雜的過程分解為若干個(gè)簡單的過程，再采用由單個(gè)傳感器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成的單輸入-單輸出控制系統(tǒng)完成控制任務(wù)。隨著生產(chǎn)過程的大型化、控制對象的復(fù)雜化，這種簡單控制模式已不能滿足系統(tǒng)要求，迫切需要新的理論支撐。（2）現(xiàn)代控制策略：20世紀(jì)60年代以后在該階段，以狀態(tài)空間作為分析基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論為新的控制技術(shù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。主要包括以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識、以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制、以卡爾曼濾波理論為核心的最優(yōu)估計(jì)等。上述分析方法深刻揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制提供實(shí)現(xiàn)依據(jù)。（3）復(fù)雜控制策略：20世紀(jì)70年代以后為解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，以系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)、多級遞階優(yōu)化與控制為核心思想的大系統(tǒng)理論成為研究熱點(diǎn)、控制理論研究中心也逐漸從有限維系統(tǒng)轉(zhuǎn)向無窮維系統(tǒng)，從確定性系統(tǒng)轉(zhuǎn)向不確定性和隨機(jī)性系統(tǒng)，從線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)向非線性系統(tǒng)，從可用微分方程描述的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。相應(yīng)出現(xiàn)了非線性控制、自適應(yīng)控制、隨機(jī)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)等眾多研究方向。同時(shí)，以專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制等為代表的智能控制策略也在該階段得到迅猛發(fā)展。單容過程是指只有貯蓄容量的過程。單容過程又分為自衡單容過程和無自衡單容過程。對大多數(shù)被控過程，其階躍響應(yīng)的特點(diǎn)是被控量的變化是單調(diào)無振蕩、有時(shí)延和慣性的。所謂自衡過程，是指被控過程在擾動(dòng)作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，無需操作人員或儀表-的干預(yù)，依靠自身能夠恢復(fù)平衡的過程。而無自衡過程，是指被控過程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)破壞后，若無操作人員或儀表的干預(yù)，依靠其自身的能力不能重新恢復(fù)平衡的過程。被控過程的數(shù)學(xué)模型就是與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料（能量）平衡關(guān)系，有(2-1)寫成增量形式(2-2)式中,、和分別為偏離某平衡狀態(tài)Q10、Q20和0的增量；A為貯罐的截面積，設(shè)為常量。靜態(tài)時(shí)，應(yīng)有，。Q1發(fā)生變化，液位也隨之發(fā)生變化，使貯罐出口處的靜壓力發(fā)生變化，因此，Q2也發(fā)生變化。設(shè)Q2與近似成線性關(guān)系，則(2-3)式中，R2為閥門2的阻力系數(shù)，成為液阻。將式（2-3）代入式（2-20），經(jīng)整理可得微分方程為(2-4)式（2-4）經(jīng)拉普拉斯變換后，得單容液位過程的傳揥函數(shù)為(2-5)式中，K0為過程的放大系數(shù)，K0=R2、T0為過程的時(shí)間常數(shù)，T0=R2C；C為過程的容量參數(shù)，或稱為過程容量，此處C=A。、稱為純時(shí)延時(shí)間。具有純時(shí)延過程微分方程表達(dá)式為(2-6)寫出傳揥函數(shù)形式(2-7)2為被控參數(shù)，Q1為控制參數(shù)。那么，根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，可列出下列增量方程：對水箱1(2-8)(2-9)對水箱2(2-10)(2-11)式中，C1和C2分別為水箱1和水箱2的容量系數(shù)；R2和R3分別為閥2和閥3的阻。從式（2-18）~式（2-210中消去、和，并整理得(2-12)式（2-22）中，令T1=C1R2，T2=C2R3，則得(2-13)對式（2-23）進(jìn)行拉普拉斯變換，并分解因式，的傳遞函數(shù)為(2-14)式中，K0為過程的放大系數(shù)，K0=R3；T1為水箱2的時(shí)間常數(shù)。可見，該液位過程為二階過程，當(dāng)輸入量Q1階躍變化時(shí)，雙容過程的被控參數(shù)2的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段時(shí)延時(shí)間后才達(dá)到最大值。這一段時(shí)延時(shí)間稱為容量時(shí)延，這是由于兩個(gè)容積之間存在阻力，致使2的響應(yīng)時(shí)間向后推移的緣故。雙容過程也可用于單容過程來近似，其方法是2的響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)D作切線，與時(shí)間軸交于A，與2的穩(wěn)態(tài)值交于C，C點(diǎn)在時(shí)間軸的投影為B，即為容量時(shí)延；即為過程的時(shí)間常數(shù)T0.于是式（2-24）傳遞函數(shù)可近似寫成(2-15)在圖2-2中，若水箱1與水箱2之間由于管道長度形成純時(shí)延，不難看出其傳遞函數(shù)為(2-16)式中的。如果過程為n個(gè)容積連接，不難求得雙容過程的模型為(2-17)若，則式（2-27）可表示為(2-18)本章分析了液位控制系統(tǒng)，分析了單容液位控制系統(tǒng)和雙容液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。了解了單容和雙容液位控制系統(tǒng)的區(qū)別。圖3-1總體設(shè)計(jì)方案圖控制原理：首先由給定值和反饋值進(jìn)行運(yùn)算，把運(yùn)算值送給調(diào)節(jié)器，再由調(diào)節(jié)器輸出信號給變頻器，變頻器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)再控制泵1抽水給上水箱供水，上水箱再給下水箱供水，控制下水箱水位，檢測變送2檢測下水箱的水位，把檢測值作為反饋值參與給定值的運(yùn)算。本系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，主水箱(下水箱)液位具有較大的延遲，進(jìn)水箱(上水箱)液位具有明顯的導(dǎo)前作用，從而構(gòu)成了以上水箱為副參數(shù)，下水箱為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)[4_5]。系統(tǒng)中的副回路可以很快的消除作用于內(nèi)回路中的各種擾動(dòng)，當(dāng)有擾動(dòng)咒。(￡)作用于副對象(上水箱)時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)竹z(￡)作用于主對象(下水箱)時(shí)，由于副回路的存在也使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，消除擾動(dòng)的影響，使主回路控制作用加強(qiáng)。根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型，選擇控制器的控制規(guī)律如下[6]：主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)；副調(diào)節(jié)器選擇比例控制律(P)，對上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)(如圖3-1)。3.2調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器做控制器方案論證DDZⅲ型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。ⅲ型儀表的主要特點(diǎn)如下：1.采用國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一信號標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場傳輸信號為DC4-20MA，控制室聯(lián)絡(luò)信號為DC1-5V，信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250歐姆。這種信號制的主要優(yōu)點(diǎn)是電氣零點(diǎn)不是從零開始，而是從4mA開始，容易識別斷電、斷線等故障。同樣，因?yàn)樽钚⌒盘栯娏鞑粸榱?，為現(xiàn)場變送器實(shí)現(xiàn)倆線制創(chuàng)造了條件。現(xiàn)場變送器與控制室儀表僅用倆根導(dǎo)線聯(lián)系，DC4-20mA即反映了信號又為現(xiàn)場變送器提供了能源，避免強(qiáng)電進(jìn)入現(xiàn)場，有利于安全防爆。2.廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。3.整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZⅲ型儀表是按國家防爆規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場所之間的能量限制與隔離，使儀表能在危險(xiǎn)場所中使用。DDZⅲ型儀表的基本型品種是全刻度指示PID調(diào)節(jié)器。為滿足各種特殊控制系統(tǒng)的要求，還有各種特殊控制器，例如斷續(xù)控制器、自整定控制器、前饋控制器、非線性控制器等。特殊控制器是在基本型控制器的基礎(chǔ)上附加各種單元而構(gòu)成。這里一全刻度指示PID調(diào)節(jié)器為例介紹DDZⅲ型控制器的組成及操作。全刻度指示調(diào)節(jié)器的面板包括：1、自動(dòng)/軟手操/硬手操切換鍵2、輸入指示器3、內(nèi)給定設(shè)定輪4、硬手操桿5、輸出指針6、軟手操桿7、外給定指示燈8、閥門調(diào)節(jié)區(qū)域記憶針9、輸出指示器10、儀表標(biāo)牌11、12、手操器插孔液位控制系統(tǒng)中，流入量為Q1，有閥門1的開度u控制Q1的大小：流出量為Q2，隨下游工序的需要而變化，其大小由閥門2的開度控制：在閥門2開度不變的情況下，液位越高，儲(chǔ)液箱底靜壓越大，流出量Q2越大。下面以閥門1的開度u為液位過程輸入，水位為被控參數(shù)即輸出，分析閥門1開度u與液位之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，建立該過程的數(shù)學(xué)模型。此系統(tǒng)屬慢過程參數(shù)控制有大慣性、大滯后等特點(diǎn)。負(fù)反饋控制系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是輸出量（被控制量）經(jīng)檢測元件檢測后反饋到系統(tǒng)的輸入端與給定值相比較，所得的偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)器處理后變成一個(gè)對被控過程控制的信號，從而實(shí)現(xiàn)被控制量排除系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)的影響而保持基本不變的目的。圖3-2所示的流量控制系統(tǒng)就是這樣一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸出隨著給定量的大小而變化。流量控制系統(tǒng)與液位控制系統(tǒng)一樣，它的控制質(zhì)量完全取決于所用調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。比例調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)比例度δ來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。一般言之，δ越小，系統(tǒng)的余差也越小，但超調(diào)量等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)變差。反之，δ越大，系統(tǒng)的余差也越大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程緩慢，超調(diào)量變小。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制作用有2個(gè)部分：與偏差成比例部分和偏差的積分部分。由于積分的作用，可使系統(tǒng)無余差產(chǎn)生，但積分時(shí)間常數(shù)不能太小，否則會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)环€(wěn)定。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器既可以實(shí)現(xiàn)無余差又能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定度和響應(yīng)的快速性，其可調(diào)參數(shù)有3個(gè)：δ、Ti和Td。圖3-2流量控制系統(tǒng)基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的水箱液位控制系統(tǒng)是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、A／D轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時(shí)，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。1..硬件設(shè)計(jì)液位控制器的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、A／D轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。2.單片機(jī)單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖3-3所示。其中，P0口用于A／D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個(gè)3×5的鍵盤；P2口用于控制電磁閥和水泵動(dòng)作；P3口用于上、下限指示燈，報(bào)警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。圖3-4是AT89C51芯片的引腳功能說明。

圖3-3AT89C51芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳圖3-3AT89C51芯片引腳結(jié)構(gòu)圖3.傳感器傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3所示。1腳為信號輸出(一)；2腳為信號輸出(一)；3腳為激勵(lì)電壓；4腳為地；5腳為信號輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到A／D轉(zhuǎn)換器。1）、壓力傳感器變送原理簡介此壓力變送器的敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內(nèi)部的專用集成電路將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離的傳輸電流或電壓信號，可以直接與計(jì)算機(jī)接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等方便連接，該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、石油、化工、冶金等行業(yè)。2）、單回路壓力控制系統(tǒng)方框圖圖3-3單回路壓力控制系統(tǒng)單回路壓力控制系統(tǒng)如圖3-3所示。系統(tǒng)如要實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)地由手動(dòng)操作切換到自動(dòng)運(yùn)行，則要求調(diào)節(jié)器能自動(dòng)地跟蹤手動(dòng)輸出，且要在切換時(shí)使測量值與給定值無偏差存在。改變PID調(diào)節(jié)器參數(shù)δ、Ti和Td都會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。整定調(diào)節(jié)器參數(shù)通常有臨界比例度法、衰減振蕩法。由于本系統(tǒng)的被控對象是一階慣性環(huán)節(jié)、且時(shí)間滯后很小，所以很難產(chǎn)生振蕩曲線，因此我們在這里采用反應(yīng)曲線法來整定系統(tǒng)的參數(shù)變方向。圖3-5雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖3-5為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，它是有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能主要取決于調(diào)節(jié)器GK-04的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。對于階躍輸入（包括階躍擾動(dòng)），這種系統(tǒng)用比例（P）調(diào)節(jié)器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實(shí)現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ和Ti選擇得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。圖3-6、雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的控制作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟1、比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖8-1所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋控制系統(tǒng)（接線參照實(shí)驗(yàn)一）。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。2）、啟動(dòng)工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點(diǎn)與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動(dòng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動(dòng)操作開關(guān)把被控制量調(diào)到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點(diǎn)處）。5）、觀察計(jì)算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到純比例自動(dòng)工作狀態(tài)（積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的位置，比例度設(shè)置于某一中間值，“正-反”開關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動(dòng)”開關(guān)撥到“自動(dòng)”位置），讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動(dòng)信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動(dòng)，一般可通過改變設(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小δ，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大δ，重復(fù)步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的δ值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。2、比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處旋至中間某一位置，并把積分開關(guān)置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證在PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動(dòng)無余差存在。2）、固定比例度δ值（中等大?。淖働I調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動(dòng)后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時(shí)的超調(diào)量σp。3）、固定積分時(shí)間Ti于某一中間值，然后改變?chǔ)牡拇笮?，觀察加擾動(dòng)后被調(diào)量輸出的動(dòng)態(tài)波形，并列表記錄不同δ值下的超調(diào)量σp。4）、選擇合適的δ和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過增大設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。3、比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）控制1）、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，并與實(shí)驗(yàn)步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的δ、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實(shí)現(xiàn)）。3）、用秒表和顯示儀表記錄一條較滿意的過渡過程實(shí)時(shí)曲線。4、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，高階系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述臨界比例度法來確定。用臨界比例度法去整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)既方便又實(shí)用。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器置于純比例P控制。逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度δ，并且每當(dāng)減小一次比例度δ，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%~15%的階躍擾動(dòng)，觀察被調(diào)量變化的動(dòng)態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度δ，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)如圖3-8所示的等幅振蕩。圖3-7為它的實(shí)驗(yàn)方塊圖。圖3-7具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖3-7所示的系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時(shí)，此時(shí)的比例度δ就是臨界比例度，用δk表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表所列出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)δ、Ti和Td。圖3-8具有周期TK的等幅振蕩表3.1用臨界比例度δk整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δkTi(S)Td(S)P2δkPI2.2δkTk/1.2PID1.6δk0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因?yàn)樗歉鶕?jù)大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動(dòng)態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對δ、Ti（或Td）作適當(dāng)調(diào)整。5、用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)：與臨界比例度法類似，不同的是本方法先根據(jù)由實(shí)驗(yàn)所得的阻尼振蕩衰減曲線（為4:1），求得相應(yīng)的比例度δs和曲線的振蕩周期Ts，然后按表五給出的經(jīng)驗(yàn)公式，確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。獲得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線按4:1衰減的具體步驟如下：圖3-94：1衰減性應(yīng)曲線1）、置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間Ti到最大值（Ti=∞），微分時(shí)間Td為零(Td=0)，比例度δ為較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則增大比例度；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)減小比例度。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖3-9所示4:1的衰減振蕩過程。圖8-5、4：1衰減響應(yīng)曲線記下此時(shí)的比例度δs和振蕩周期Ts的數(shù)值。3）、利用δs和Ts值，按表五給出的經(jīng)驗(yàn)公式，求調(diào)節(jié)器參數(shù)δ、Ti和Td數(shù)值。從而得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)表3.24:1衰減曲線法整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δTiTdPδsPI1.2δs0.5TsPID0.8δs0.3Ts0.1TsPID（ProportionalIntegralDifferential）控制算法就是經(jīng)典的閉環(huán)控制，因此要實(shí)現(xiàn)PID算法。必須在硬件上具有閉環(huán)控制，就是得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面也將以轉(zhuǎn)速控制為例。3.3水箱液位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)雙溶水箱液位控制系統(tǒng)模型的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。圖3-10雙容水箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖(1)鍵盤程序由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加／減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：KEY3：CJNEA,#0FFH,KEY2；判是否查完RET;已查完，鍵碼未找到，以無按鍵處理TABLE：DB0F6H，0EEH,0DEH,0BEH,7EH；按鍵特征碼表DB0F5H，0EDH,0DDH,0BDH,7DHDB0F3H，0EBH,0DDH,0BBH,7BH,OFFH···(2)A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：···ADCC:PUSHACC；模數(shù)轉(zhuǎn)換程序PUSHBMOVDPTR，#0BFFFHMOVXA,@DPTR；讀模數(shù)轉(zhuǎn)換值MOVB，#0AH；十六/十進(jìn)制轉(zhuǎn)換DI