摘要
基于西门子PLC变频控制系统，采用西门子S7-200PLC,其扩展输入模块EM231，模拟输出模块EM232，利用其内部的PID控制指令，配合三菱D700系列变频器FR-D720S-0.4K-CHT和电机，同时采用压力变送器来检测管网压力，构成闭环调速系统。
变频技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而实现管网水压连续变化。
可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是近几十年发展起来的一种新型的、非常有用的工业控制装置，作为工业自动控制的核心控制部分，使系统的控制精度更高、反应速度更快、系统稳定性更强。在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中得到了广泛的应用，已成为当代工业自动化的主要控制装置之一。
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，在液位控制系统设计中采用PLC内部数字PID 控制器，进行输入量的归一化转换，PID计算，输出量转换工程量等操作。促进工业液位控制向着智能控制的方向发展。
关键词：PLC、PID控制、闭环调速系统、变频、模拟信号采集
目录
1 绪论 (1)
1.1课题的提出 (1)
1.2PLC液位控制系统的概述及发展 (1)
1.3课题研究的内容与目的 (2)
2 PLC液位控制系统的总体设计 (3)
2.1S7-200PLC的概述 (3)
2.1.1STEP7-M ICRO/WIN简介 (5)
2.1.2PLC内置PID模块控制指令应用 (8)
2.2建立液位控制系统结构 (12)
2.2.1硬件组成 (12)
2.2.2控制方法及实现的功能 (12)
2.2.3软件设计 (14)
2.3PID回路输入变量的转化与标准化 (14)
2.4液位控制系统PLC程序设计 (16)
3 系统调试 (138)
4.1液位控制系统反馈极性确定 (138)
4.2液位控制系统的控制指标 (39)
附录1 (42)
结论 (46)
参考文献： (47)
致谢 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
1 绪论
1.1 课题的提出
近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能得到很好的效果，而且提升了工作效率。
在液位控制系统中采用PLC作为控制器，可以代替大量继电器实现逻辑控制，相对传统液位控制大幅降低了能耗。而且可以在恶劣的工业环境中使用，加强了操作人员的安全系数，同时提高了工作效率。而 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系统中，实现了液位模拟量的数字PID控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。不但大大减低工作人员的危险性，还降低了工作强度。
因此，液位自动控制系统对降低能耗、节约成本、提高企业的经济效益，在现代工业液位控制中具有非常重要的意义。
1.2 PLC变频控制系统的概述及发展
在工业工程生产过程控制中，如液位控制等，有许多元器件需要很精确的控制，并且在生产过程中，为了方便系统的维护，往往需要随时知道各个关键部件的运行状况，以便工作人员进行维护，而在生产设备中安装大量的传感器显然会增加无谓的成本，这时我们就需要一种即可以精确的控制生产设备，有可以随时可以监控设备运行状态的控制设备。继电器在工业过程控制中是经常用到的执行元件，但是我们对继电器发出命令后，如果想知道它的运行状态等信息就无能为力了，而且继电器有机械磨损、老化和容易受环境影响的不利因素，今年来计算机技术的飞速发展，使计算机技术已全面引入可编程控制器中，从而使控制技术的功能发生了飞跃。
尤其是可编程控制器（PLC）的出现，使得更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、仿真量运算、PID功能及极高的性价比的控制系统成为可能，
同时也奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
目前可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展。与计算机技术相结合，形成工业控制系统、分布式控制系统DCS（Distributed Control System）、现场总总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)、这将使PLC功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。
1.3课题研究的内容与目的
PLC变频控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU226以及PLC内部A/D、D/A转换模块，检测元件为扩散硅压力传感器，执行器为三菱变频器D400。通过以上的器件设备、PID控制算法和PC编程软件等，实现对液位的自动控制。
本课题研究内容：
（1）通过PLC实现PID控制器
（2）对输入变量的转换与归一化
（3）熟悉力控组态软件的使用
（4）实现上位机对液位的实时监控
2 PLC液位控制系统的总体设计
随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动控制系统开始。可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。
2.1 S7-200 PLC的概述
可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年正式将这种装置命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序从放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符号后又返回到第一条，如此周而复始不断循环，一般而言，PLC的扫描过程分为内部处理（自诊断）、通信操作、输入采样、用户程序执行、输出刷新等几个阶段。全过程扫描一次所需的时间为扫描周期。当PLC 处于停止（STOP）状态时（自诊断）、通信操作、输入采样、执行用户程序、输出刷新，一直循环扫描工作。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相
应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
S7-200系列PLC
S7-200系列PLC是一类小型PLC，其外观如图2-2所示。由于S7-200系列PLC 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统，使得它能近乎完美地满足小规模的控制要求，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络，皆能实现复杂的控制功能。另外，其丰富的CPU类型及电压等级，使其在解决用户的自动化问题时，具有很强的适应性。
1. S7-200 PLC的结构
S7-200系列PLC将一个微处理器（CPU）、若干I/O点和一个集成电源集成在一个紧凑的机壳内，统称为CPU模块，其外形如图2-1所示。
图2-1 S7-200 CPU222
其硬件组成如下：
电源及输出端子：连接输出器件及电源用的接线端子位于机箱顶部。
输入端子及传感器电源：位于机身底部端子盖内。
状态指示灯：位于机身左侧，显示CPU的工作方式、本机I/O的状态及系统错误状态。存储卡（EEPOM卡）可以存储CPU程序。
RS-485的串行通信端口：位于机身的左下部，是PLC主机实现人-机对话、机-机对话的通道，实现PLC与上位计算机的连接，实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。
扩展接口、模式选择开关、模拟量电位器：位于机身中部右侧前盖下。扩展接口提供PLC主机与输入、输出扩展模块的借口，做扩展系统之用，主机与扩展模块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接；模式选择开关具有RUN、STOP及TERM等3种状态；模拟量电位器可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。
2.1.1 STEP 7-Micro/WIN简介
STEP 7-Micro/WIN是S7-200系列PLC的编程软件，运行在32位Windows操作系统下（Windows95以后的微软视窗操作系统）。它功能强大，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。它是西门子S7-200用户悄可缺少的开发工具。除此之外，要对S7-200进行实际的编程和调试，必须在运行编程软件的计算机和S7-200CPU间配备下列设备中的一种：
（1）一条PC/PPI电缆或PPI多主站电缆，其价格便宜，用得最多。
（2）一块插在个人计算机中的通信处理器（CP）卡和MPI（多点接口）电缆。
STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户开发应用软件。在STEP7-Micro/WIN32环境下可创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，实现用户所编辑程序的管理。该软件还具有语法检查功能，可在编程中检查用户程序的语法错误。利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。
1. 软件的基本功能
STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATIC S7-200 PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。适用于所有SIMATIC S7-200PLC机型的软件编程。支持梯形图（LAD）、指令表（STL）和功能块图（FBD）等3种编程语言，可以在三者之间随时切换。
STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助用户调试和测试程序。这些特征包括：监视S7-200正在执行的用户程序状态；为S7-200指定运行程序的扫描次数；强制变量值等。
指令向导功能包括：PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。
除此之外，该软件还具有运动控制、PID自整定等其他功能。
2.项目及其组件
STEP 7-Micro/WIN把每个实际的S7-200系统的用户程序、系统设置等保存在一个项目（Project）文件中，扩展名为.mwp 。打开一个.mwp文件就打开了相应的工程项目。
如图2-2所示的是V4.0版编程软件的主界面，其中的“项目”中包括下列基本组件。
图2-2 PLC编程主界面
程序块
程序块有可执行文件的代码和注释组成，可执行的代码由主程序（OB1）、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到PLC，注释被忽略。
数据块
显示数据块的内容。由数据（变量存储器的初始值）和注释组成。数据被编译并下载到PLC，注释被忽略。用户可以在该窗口设置和修改变量存储区各个类型存储区的变量值。
系统块
系统块用来设置系统的参数，例如密码、STOP模式时PLC的输出状态（输出表）等，以适应具体应用。系统块需经编译和下载到CPU内才起作用。
符号表
符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译后下载到PLC时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中国信息不会下载到PLC。
状态表
状态表用来观察程序执行时指定的变量的状态，状态表并不下载到PLC，仅仅是
监控用户程序运行情况的一种工具。
交叉引用表
交叉引用表提供3个方面的参考信息：交叉引用信息、字节使用情况信息和位使用情况信息。交叉引用表不下载到PLC，程序编译成功后才能看到交叉引用表的内容。
使用编程软件主界面中浏览条上的“检视”按钮，可以查看项目的各个组件，并且在它们之间切换。
3．设置编程计算机与CPU通信
（1）硬件连接
建立编程计算机（主站）与S7-200CPU（从站）的通信，可通过支持PPI协议的编程电缆和PLC进行上传、下载程序来实现，这种方式主要有下面3种形式。
通过PC/PPI编程电缆通信。这是单主站模式，一台PLC和PC直接连接，PC接口为RS232串口。
4．建立和修改PLC通信参数
S7-200 CPU提供了多种参数和选择设置以适应具体应用。建立了计算机和PLC 的在线联系，就可以在“系统块”窗口内对这些参数和选项进行软件检查、设置和修改。
单击浏览条中的“系统块”图标，将打开系统块对话框。如图2-3所示：
设置完所有的参数后，单击工具条中的“下载”按钮，把修改后的参数下载到PLC。只有把修改后的参数下载到PLC中，设置的参数才起作用。
图2-2系统块参数设置
2.1.2 PLC内置PID模块控制指令应用
S7-200 CPU最多可以支持8个PID控制回路（8个PID指令功能块）。PID是闭环控制系统的比例（P）－积分（I）－微分（D）控制算法，是根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值，按照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。
在S7-200中，PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。从而抑制系统闭环内的各种因素所引起的扰动，使反馈跟随给定变化。
PID功能块通过一个PID回路表交换数据，这个表是在V数据存储区中的开辟，长度为36字节。因此每个PID功能块在调用时需要指定两个要素：PID控制回路号以及控制回路表的起始地址（以VB表示）。
由于PID可以控制温度、压力等等许多对象，它们各自都是由工程量表示，因此有一种通用的数据表示方法才能被PID功能块识别。S7-200中的PID功能使用占调节范围百分比的方法抽象地表示被控对象的数值大小。在实际工程中，这个调节范围往往被认为与被控对象（反馈）的测量范围（量程）一致。
PID功能块只接受0.0-1.0之间的实数（实际上就是百分比）作为反馈、给定与控制输出的有效数值，如果是直接使用PID功能块编程，必须保证数据在这个范围之内，否则会出错。其他如增益、采样时间、积分时间、微分时间都是实数。因此，必须把外围实际的物理量与PID功能块需要的（或者输出的）数据之间进行转换。这就是所谓输入/输出的转换与标准化处理。
PID控制的效果就是看反馈（也就是控制对象）是否跟随设定值（给定），是否响应快速、稳定，是否能够抑制闭环中的各种扰动而回复稳定。
要衡量PID参数是否合适，必须能够连续观察反馈对于给定变化的响应曲线；而实际上PID的参数也是通过观察反馈波形而调试的。因此，没有能够观察反馈的连续变化波形曲线的有效手段，就谈不上调试PID参数。
观察反馈量的连续波形，在本系统设计中，我们可以通过对组态王画面的设计，在画面中加入实时数据显示窗口，并将要显示的参数与此窗口连接，即可进行观察。
新版编程软件STEP 7 - Micro/WIN V4.0内置了一个PID调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试PID参数。对于没有“自整定PID”功能的老版CPU，也能实现PID手动调节。
PID参数的取值，以及它们之间的配合，对PID控制是否稳定具有重要的意义。这些主要参数是：
比例增益Kc
比例部分与误差同步，它的调节作用及时，较积分控制信号的反应快。在误差出现时，比例控制能立即给出控制信号，使被控量朝误差减小的方向变化。
如果Kc太小，虽然没有超调量，系统输出量变化缓慢，调节时间过长。如果闭环系统中没有积分作用，比例调节存在稳态误差，稳态误差与Kc成反比。增大Kc 使系统反应灵敏，是长速度加快，且可以减小稳态误差。但是Kc过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，导致动态性能变坏，Kc过大甚至会使闭环系统不稳定。
如果PID控制器中有积分作用（如采用PI或PID控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将Kc调得小一些。
积分时间Ti
积分部分与误差对时间的积分成正比，因为积分时间Ti在积分项的分母中，Ti 越小，积分速度越快，积分作用越强。
控制器中积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况（累加值）都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，误差为正时积分项不断增大，反之不断减小。积分项有减小误差的作用，一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值。因此积分部分作用是消除稳态误差和提高控制精度，积分作用一般是必须的。
但是积分作用具有滞后特性，不像比例部分，只要误差一出现，就立即起作用。积分作用太强会使系统响应的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，构成PI或PID控制器。
PI控制器即克服了单纯的比例调节有稳态误差和缺点，又避免了积分响应慢、动态性能不好的缺点，因此广泛使用。
综上所述，积分作用太强（即Ti太小）使系统的稳定性变差，超调量增大；积分作用太弱（即Ti太大）使系统消除误差的速度减慢，Ti的值应取得适中。
微分时间Td
微分部分的输出与误差的微分（即误差的变化速率）成正比，反映了被控量变化的趋势其作用是阻碍被控量的变化。在图中启动过程的上升阶段，当c(t) 微分时间Td表示了微分作用的强弱，Td越大，微分作用越强。但是Td太大可 引起频率较高的振荡，或使被控量接近稳态值时变化缓慢。这是因为接近稳态值时，误差很小，比例部分消除误差的能力很弱。因为微分部分太强，抵制了被控量上升，导致被控量上升极为缓慢，到达稳态的时间过长。 如果微分时间设置为0，微分部分将起不到作用。 采样周期 Ts 采样同期Ts 越小，采样值越能反映模拟量的变化情况。但是Ts 太小会增加CPU 的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，将使PID 控制器输出的微分部分接近为零，所以也不宜将Ts 取得过小。 确定采样周期时，应保证在被控量迅速变化时（如启动过程中的上升段）能有足够多的采样点数，以保证不会因采样点过稀而丢失被采集的模拟量中的重要信息。 PID 回路指令 PID 指令（如图2-4）中的TBL 是回路表的起始地址，LOOP 是回路的编号（0~7）。不同的PID 指令不能使用相同的回路编号。 功能：用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID 运算。 回路表的起始地址TBL ：VB ； 回路号LOOP ：0～7的常数。 图2-4PID 指令 PID 调节时闭环模拟量控制的传统调节方式，其控制的原理基于式 2-1。 （2-1） 式中： M （t ）——PID 回路的输出，是时间的函数； Kc ——PID 回路的增益； e （t ）——PID 回路的偏差（给定值与过程变量之差）； Mo ——PID 回路的初始值； 为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。将式2-1离散化，第n 次采样时控制器的输出为： 错误！未找到引用源。（2-2） 001M de(t)/dt) T dt e(t)/T (e(t)K M(t)D t I c +++=?0 11)(M e e K e K e K M n n D n j j I n c n +-++=-=∑ 基于PLC的闭环控制系统如图2-5所示，图中虚线部分在PLC内。 图2-5 PLC闭环控制系统框图 S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表，该表的长度为36个字节，包括回路的基本参数。 PID控制回路的选择 在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如，只需要比例回路或比例积分回路。通过设置常量参数，可选择需要的回路控制类型。 如果不需要比例回路，但需要积分或微分回路，可把比例增益Kc设为0.0。 如果不需要积分回路，可以把积分时间Ti设为无穷大。即使没有积分作用，积分相还是不为零，因为有初值MX。 如果不需要微分回路，可以把微分时间Td置为零。 表2-1 PID回路表： 2.2 建立液位控制系统结构 单容液位控制系统控制框图如下图2-6所示： 其中A/D转换、PID调节、D/A转换等运算都是在PLC内部执行，同时为上位机提供可用的数据，用以显示。上位机也可对相应的地址进行赋值，来设定相关参数。 图2-6 单容液位系统控制框图 2.2.1 硬件组成 液位控制系统组成部分由硬件和软件两部分组成，硬件有水槽、扩散硅压力变送器、电动调节阀、S7-200 PLC及模拟量扩展模块EM235、预装有组态王的PC。 （1）水槽装置（被控对象） 水槽有一个入水口，一个出水口，一个压力引水口。水槽用挡板分隔为若干部分，使可调节挡板两边的液位互相流动，形成类似于连通器的形式，以至使得引压槽内的压力变化相对稳定，从而使压力变送器采集到得数据较准确，减小了对PID运算的扰动量。 （2 扩散硅差压变送器，压力变送器的主要参数，扩散硅压力变送器输出4mA～20mA信号。 （3）电动执行器（变频器） （4）西门子S7-200 PLC及扩展模块EM231，EM232——主要进行数据采集、A/D转换、PID运算、D/A转换。 （5）水泵--向水槽供水提供原动力. 2.2.2 控制方法及实现的功能 单容上水箱液位PID控制结构示意图如2-7所示。 QV105 图2-7单容上水箱液位PID单回路控制示意图 系统检测点清单如表2-2所示。 表2-2单容上水箱液位调节阀PID单回路控制检测点清单 注：为了使系统监控方便，最终信号全部为2-10V信号。 水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压力，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过挡板QV116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节挡板QV116的开启程度来模拟负载的大小。本论文为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。 手/自动无扰切换 所谓手/自动无扰切换就是在进行手动到自动或自动到手动的切换时，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行器机构的现有位置产生扰动。S7-200 PID回路没有内装模式控制，只有在使能位进入PID方框时才执行PID计算。因此，循环执行PID计算时存在“自动”模式；不执行PID计算时存在“手动”模式。PID指令有一个使能位记录位，与计数器指令类似。该指令使用该记录位检测0至1使能位转换，当检测到这种转换时，将执行一系列运算，提供从手动控制到自动控制的顺利转变。为了顺利转变为自动模式控制，在转换至自动控制之前由手动控制的输出值必须作为Mn写入回路表中对应Mn的地址中。PID 指令对回路表中的数值执行下列运算，以确保检测到0至1使能位转换时从手动控制顺利转换成自动控制： 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 过程控制课程设计 设计题目：贮槽液位控制系统设计 学院：电气工程学院 专业：自动化 班级：091班 2012年6月4日 小组成员： 序号学号姓名设计分工 16 0902100138 姚航程总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 17 0902100140 韦寿德测量变送器的选型、控制参数的整定、查阅 资料 18 0902100141 张印测量变送器的选型、控制参数的整定 19 0902100142 邓世杰调节阀的选型、水箱的建模 20 0902100147 杨奉志总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 21 0902100148 钟昌帅simulink仿真、调节阀的选型 22 0902100149 李晓明控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、 整理报告 23 0902100202 张凯强simulink仿真、水箱的建模、查阅资料 24 0902100203 农志兴调节阀的选型、水箱的建模 25 0902100204 袁剑波控制器的选型、查阅资料 26 0902100206 李季调节阀的选型、控制器的选型 27 0902100208 黄灵浩测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料 28 0902100209 谭雷调节阀的选型、水箱的建模 29 0902100213 吴高阳控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料 30 0902100216 潘敏调节阀的选型、测量变送器的选型 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) 献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝，离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板的时候，与你一样，俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇接。像信号完整性，EMI，PS设计准会把你搞晕。别急，一切要慢慢来。 1)总体思路。 设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。 2)理解电路。 如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy?NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。 3)没有找到参考设计? 没关系。先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。 4)硬件电路设计主要是三个部分，原理图，pcb，物料清单(BOM)表。 原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。它很像我们教科书上的电路图。 pcb涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。 5)用什么工具? Protel，也就是altimuml容易上手，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。 6)to be continued...... 其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似windwos，是post-command型的;而cadence的产品concept&allegro是pre-command型的，用惯了protel，突然转向cadence的工具，会不习惯就是这个原因)。设计大环节都要有1)原理图设计。2)pcb设计。3)制作BOM 表。现在简要谈一下设计流程(步骤)： 1)原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其IC BODY)，周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin等区别。 2)有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要 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 摘要 在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量与控制，而日常生活中应用 到的水位控制也相当广泛。在以往水塔液位控制系统中，常规继电器的频繁操作容易导致机械磨损，不方便更新和维护，不能满足人们的实际需求；另外，随着人口的递增和生活条件的提高，人们用水的需求量也日益增加。 为了提高液位控制系统的质量和效率，节约能源，本次模拟水塔液位控制系统的装置考虑结合可编程逻辑控制器，继电器和传感器等技术，实现液位控制系统的自动控制。本设计使用西门子S7-300 PLC可编程控制器作为液位控制系统的核心，配合硬件与软件实现液位控制池液位动态平衡，过高、过低水位报警等功能。主要 的实验方法是在水箱上安装一个自动水位测量装置，通过水位变送器检测水箱实际液位并将该液位反馈到PLC控制器，经A/D转换后，所得数据与PLC内部设定数据进行比较，控制器处理数据并发送相应指令改变电机的转速从而控制抽 水速率，改变进水量，使水位稳定地保持在设定值附近。此外，通过液位标定计算出控制器输出PIW数值与实际水位的关系，就可以在触摸屏上直观显示实时水位情况。实验结果表明本设计能较好地完成自动液位控制的功能。 关键词：水塔液位控制，水位控制，继电器，PLC Abstract In the course of routine industrial and agricultural production we the need to measure the water level and control it. Furthermore everyday level control applications are quite extensive , such as hydropower , water towers and other water control . According to the water supply system in the past, frequent operation towers will produce mechanical wear of conventional relay convenient maintenance and updates, that means it can not meet the actual needs of the people, and with Gradual growth of population and living conditions, the demand for water is also increasing .In order to improve the quality of the water supply system, energy conservation, so I considered use a programmable logic controller, relay and sensor technology, with hardware and software to achieve low water level alarm, warning switch between work and procedures manual / automatic to design practical level control tower scheme. I completed the set up of this simulation using the tank water tower , based on Siemens S7-300 PLC programmable controller tank water level control system as the core .I completed a water tank to 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 二十年经验浓缩：PCB布线设计经验谈附原理图 在当今激烈竞争的电池供电市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。尽管多层板(4层、6层及8层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略，采用双面板。在本文中，我们将讨论自动布线功能的正确使用和错误使用，有无地平面时电流回路的设计策略，以及对双面板元件布局的建议。 自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项 设计PCB时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。 例如，图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如图2所示，这些布线层的电路原理图如图3a和图3b所示。设计此混合信号电路板时，经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地。如果在顶层布地线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。当检查这种布线策略时，首先发现的弊端是存在多个地环路。另外，还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。这种接地方案的可取之处是，模拟器件(12位A/D转换器MCP3202和2.5V参考电压源MCP4125)放在电路板的最右侧，这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。 图3a和图3b所示电路的手工布线如图4、图5所示。在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。 这两种双面板都在底层布有地平面，这种做法是为了方便工程师解决问题，使其可快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰。 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 - 一位工程师8层板设计经验 A.创建网络表 1.网络表是原理图与PCB的接口文件，PCB设计人员应根据所用的原理图和PCB设计工具的特性，选用正确的网络表格式，创建符合要求的网络表。 2.创建网络表的过程中，应根据原理图设计工具的特性，积极协助原理图设计者排除错误。保证网络表的正确性和完整性。 3.确定器件的封装（PCB FOOTPRINT）． 4.创建PCB板 根据单板结构图或对应的标准板框,创建PCB设计文件； 注意正确选定单板坐标原点的位置，原点的设置原则： A.单板左边和下边的延长线交汇点。 B.单板左下角的第一个焊盘。 板框四周倒圆角，倒角半径3.5mm。特殊情况参考结构设计要求。 B.布局 1.根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性(锁定)。按 工艺设计规范的要求进行尺寸标注。 2.根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区。 3.综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。 加工工艺的优选顺序为：元件面单面贴装——元件面贴、插混装（元件面插装焊接面贴装一次波峰成型）——双面贴装——元件面贴插混装、焊接面贴装。 4.布局操作的基本原则 A.遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局． B.布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件． C.布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分． D.相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局； E.按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局； F.器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为5--20mil,小型表面安装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于5mil。 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/dc7685609.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 基于PID的上水箱液位控制系统设计 过程控制系统课程设计 基于PID的上水箱液位控制系 统设计 一、课程设计任务书 1.设计内容 针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。 2.设计要求 1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤120s； 3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线； 4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； 5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； 6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。 3.参考资料 1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 2.崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内） 3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007 4.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007 4.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日） 时间设计内容 2010年12月27日布置设计任务、查阅资料、进行硬 件系统设计 2010年12月28日～ 2010年12月29日 编制PLC控制程序，并上机调试； 2010年12月30日～2010年12月31日利用MCGS组态软件建立该系统的工 程文件 2011年1月2日～2011年1月4日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定 2011年1月5日～2011年1月6日系统运行调试，实现单容水箱液体 定值控制 2011年1月7日～ 2011年1月9日 写设计报告书 5.设计时间及地点 设计时间：周一～周五，上午：8：00～11：00 下午：1：00～4：00 设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 电气工程学院机房（320） 初学PLC梯形图编程，应要遵循一定的规则，并养成良好的习惯。下面以三菱FX系列PLC为例，简单介绍一下PLC梯形图编程时需要遵循的规则，希望对大家有所帮助。有一点需要说明的是，本文虽以三菱PLC为例，但这些规则在其它PLC编程时也可同样遵守。 一，梯形阶梯都是始于左母线，终于右母线（通常可以省掉不画，仅画左母线）。每行的左边是接点组合，表示驱动逻辑线圈的条件，而表示结果的逻辑线圈只能接在右边的母线上。接点不能出现在线圈右边。如下图（a）应改为（b）： 二，接点应画在水平线上，不应画在垂直线上，如下图（a）中的接点 X005与其它接点间的关系不能识别。对此类桥式电路，应按从左到右，从上到下的单向性原则，单独画出所有的去路。如图（b）所示： 三，并联块串联时，应将接点多的去路放在梯形图左方（左重右轻原则）；串联块并联时，应将接点多的并联去路放在梯形图的上方（上重下轻的原则）。这样做，程序简洁，从而减少指令的扫描时间，这对于一些大型的程序尤为重要。如下图所示： 四，不宜使用双线圈输出。若在同一梯形图中，同一组件的线圈使用两次或两次以上，则称为双线圈输出或线圈的重复利用。双线圈输出一般梯形图初学者容易犯的毛病之一。在双线圈输出时，只有最后一次的线圈才有效，而前面的线圈是无效的。这是由PLC的扫描特性所决定的。 PLC的CPU采用循环扫描的工作方式。一般包括五个阶段（如图所示）：内部诊断与处理，与外设进行通讯，输入采样，用户程序执行和输出刷新。当方式开关处于STOP时，只执行前两个阶段：内部诊断与处理，与外设进行通讯。 1，输入采样阶段 PLC顺序读取每个输入端的状态，并将其存入到我们称之为输入映像寄存器的内在单元中。当进入程序执行阶段,如输入端状态发生改变.输入映象区相应的单元信息并不会跟着改变,只有在下一个扫描周期的输入采样阶段,输入映象区相应的单元信息才会改变。因此，PLC会忽视掉小于扫描周期的输入端的开关量的脉冲变化。 2，程序执行阶段 PLC从程序0步开始，按先上后下，先左后右的顺序扫描用户程序并进行逻辑运算。PLC按输入映象区的内容进行逻辑运算，并把运算结果写入到输出映象区，而不是直接输出到端子。 3，输出刷新阶段 PLC根据输出映象区的内容改变输出端子的状态。这才是PLC的实际输出。 以上简单说明了PLC的工作原理，下面我们再以实例说明为什么编写梯形图程序，不宜重复使用线圈。如下图所示，设输入采样时，输入映象区中 X001=ON，X002=OFF，Y003-ON，Y004=ON被实际写入到输出映象区。但继续往下执行时，因X002=OFF，使Y003=OFF，这个后入为的结果又被写入输出映象区， 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。 、液位控制系统的原理分析 1.1水箱液位控制系统的原理框图 本次课程设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单的控制系统， 所谓简单 液位控制系统通常是指有一个被控对象，一个检测变松单元一个控制器和一个执 行器所组成的单闭环负反馈控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统有着共同的特征，他们均有四个基本环节组成，即被控对象， 测量变送装置，控制器和执行器。对不同对象的简单控制系统尽管其具体装置和 变量不相同，但都可以用相同的方框图表示： 图1控制系统方框图 这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用 一个调节器保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控 制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度， 即控制的任务 是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。 根据控制框图，这是一个闭环反馈单 回路液位控制，采用工业智能仪表控制。 1.2被控过程传递函数的一般形式 根据被控过程动态特性的特点，典型工业过程控制所涉及及被控对象的传递 函数一般具有下述几种形式 1一阶惯性加纯迟延 2 二阶惯性环节加纯迟延 G(s) 二 k Ts 1 e s 1-1 3 N 阶惯性环节加纯迟延 二、建立被控对象数学模型 2.1求传递函数 根据阶跃响应的实验数据如表1 使用Matlab 编辑.m 文件，得出阶跃响应曲线。Matlab 程序如下: t = [0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800]; h = [0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20]; plot(t,h) grid on hold on 得到阶跃响应曲线再取0.39和0.62处的t 值如图2、图3 G(s) = (T i S 1)幽 1) V s (1-2) G(s) = K (Ts 1)n e —s (1-3) 上述3个公式只适用于自衡过程 个积分环节，即 G(s)二丄e 「s Ts G(s) - e 「s 71s(T 2 s +1) 对于非自衡过程，其传递函数应包含有一 (1-4) (1-5) 电气原理图设计方法及实例分析 【摘要】本文主要对电气原理图绘制的要求、原则以及设计方法进行了说明，并通过实例对设计方法进行了分析。 【关键词】电气原理图；设计方法；实例 继电-接触器控制系统是由按钮、继电器等低压控制电器组成的控制系统，可以实现对 电力拖动系统的起动、调速等动作的控制和保护，以满足生产工艺对拖动控制的要求。继电-接触器控制系统具有电路简单、维修方便等许多优点，多年来在各种生产机械的电气控制 中获得广泛的应用。由于生产机械的种类繁多，所要求的控制系统也是千变万化、多种多样的。但无论是比较简单的，还是很复杂的控制系统，都是由一些基本环节组合而成。因此本节着重阐明组成这些控制系统的基本规律和典型电路环节。这样，再结合具体的生产工艺要求，就不难掌握控制系统的分析和设计方法。 一、绘制电气原理图的基本要求 电气控制系统是由许多电气元件按照一定要求连接而成，从而实现对某种设备的电气自动控制。为了便于对控制系统进行设计、研究分析、安装调试、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其相互连接关系用国家规定的统一图形符号、文字符号以图的形式表示出来。这种图就是电气控制系统图，其形式主要有电气原理图和电气安装图两种。 安装图是按照电器实际位置和实际接线电路，用给定的符号画出来的，这种电路图便于安装。电气原理图是根据电气设备的工作原理绘制而成，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。绘制电气原理图应按GB4728-85、GBTl59-87等规定的标 准绘制。如果采用上述标准中未规定的图形符号时，必须加以说明。当标准中给出几种形式时，选择符号应遵循以下原则： ①应尽可能采用优选形式； ②在满足需要的前提下，应尽量采用最简单形式； ③在同一图号的图中使用同一种形式。 根据简单清晰的原则，原理图采用电气元件展开的形式绘制。它包括所有电气元件的导电部件和接线端点，但并不按照电气元件的实际位置来绘制，也不反映电气元件的大小。由于电气原理图具有结构简单、层次分明、适于研究等优点，所以无论在设计部门还是生产现场都得到广泛应用。 控制电路绘制的原则： ①原理图一般分主电路、控制电路、信号电路、照明电路及保护电路等。 ②图中所有电器触头，都按没有通电和外力作用时的开闭状态（常态）画出。 ③无论主电路还是辅助电路，各元件应按动作顺序从上到下、从左到右依次排列。 ④为了突出或区分某些电路、功能等，导线符号、连接线等可采用粗细不同的线条来表示。 ⑤原理图中各电气元件和部件在控制电路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一电气元件的各个部件可以不画在一起，但必须采用同一文字符号标明。 ⑥原理图中有直接电联系的交叉导线连接点，用实心圆点表示；可拆卸或测试点用空心圆点表示；无直接电联系的交叉点则不画圆点。 ⑦对非电气控制和人工操作的电器，必须在原理图上用相应的图形符号表示其操作方式。 ⑧对于电气控制有关的机、液、气等装置，应用符号绘出简图，以表示其关系。 二、分析设计法及实例设计分析 根据生产工艺要求，利用各种典型的电路环节，直接设计控制电路。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉大量的控制电路，掌握多种典型电路的设计资料，同时具有丰富的设计经验，在设计过程中往往还要经过多次反复地修改、试验，才能使电路符合设计 过程控制课程设计——液位控制系统综合设计 目录 目录 0 1.引言 (1) 2.系统工作原理 (1) 3. 硬件设计部分 (2) 3.1控制回路硬件图 (2) 3.2系统硬件设计 (3) 3.3控制系统的结构组成 (3) 3.4 设备连接 (4) 4.PID控制器程序设计 (4) 4.1 PID原理如下 (4) 4.2 A/D、D/A转换控制环节 (5) 4.3 PID控制程序 (5) 5.设计总结及心得体会 (7) 参考文献 (8) 1.引言 液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。 本课程设计所控制的是单容下水箱液位，根据控制系统要求，设计采用过程控制器件液位变送器、电动调节阀以及可编程逻辑控制器组成单回路闭环控制系统。从而熟悉PID算法在过程控制中的应用和闭环回路调节系统的设计方法。 2.系统工作原理 整个液位控制系统采用典型的反馈式闭环控制，液位控制系统原理图如图2.1所示： 图2.1 液位控制系统原理图 图2.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图3-2中的曲线①、②、③所示。水箱液位控制系统设计说明
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