基于单片机的双容水箱液位控制系统设计

基于单片机的双容水箱液位控制系统设计内容摘要：

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于 CAN总线的汽车发动机智能电子控制器， GPS导航系统， abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 11 第 2 章 系统的方案设计 控制系统的模型 被控过程数学模型的作用与要求 模型的作用 被控过程动态 特性的数学模型是表示其输入变量与输出变量之间动态关系的数学描述。 被控过程的数学模型在生产过程工艺分析、设计及控制系统分析与设计方面有广泛的应用，归纳起来主要有以下几个方面： （ 1） 设计过程控制系统及整定控制参数 （ 2） 指导生产工艺及其设备的设计与操作 （ 3） 对被控过程进行仿真研究 （ 4） 培训运行操作人员 （ 5） 工业过程的故障检测与诊断 实际生产过程的动态特性是非常复杂的，为了得到使用的模型，在建立其数学模型时不得不突出主要因素，忽略次要因素。 根据用途的不同，过程动态数学模型的具体要求也有所不同，但总的原则一是尽量简单 ，二是正确可靠。 这主要是基于一下考虑： （ 1）如果模型参数是用估计方法根据输入输出数据计算得到的，选用数学模型月复杂 需要计算的模型参数就越复杂。 （ 2）如果数学模型用于前馈控制、解耦控制、预测控制、推理控制等时，模型过于复杂，则控制规律和算法也会比较复杂。 调节器 执行器 被控过程 检测信号 12 （ 3）如果模型太复杂，控制系统进行在线参数整定与系统优化的计算量很大。 为了保证实时性，必须配置高速在线运算设备，增加控制系统的复杂性和投资。 鉴于以上原因，在实际应用中，被控过程的传递函数或其他动态数学模型的阶次一班不高于三阶，经常采用具 有纯滞后的一阶和二阶模型，最常用的是纯滞后的一阶形式。 建立被控过程数学模型的方法 建立被控数学模型的基本方法有两种， 即 机理法和实验测试法。 机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程，如：物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程，以及反映流体流动、传热、化学反映等基本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的特性方程，从中获得所需的数学模型。 2．测试法 测试法建模通过被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得数学模型，这种方法也称为系 统辨识。 用测试法建模时，可以在不十分清楚内部机理的情况下，把被研究的对象视为黑匣子，完全通过外部测试来描述它的特性。 液位过程系统分析 单容过程的模型 单容过程 只有一个贮蓄容量的过程。 单容过程可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。 1． 自衡过程的建模 自衡过程 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。 容量或容量系数 被控过程都具行 — 定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小。 其物理意义是：引 起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。 例：液位过程 13 Q1流入量，控制过程的输入变量 Q2流出量，中间变量 h液位，控制过程的输出变量 动态物料平衡关系： dtdhA 21，其增量形式： dthdA 21。 物理原理：2222 QhRRhQ  或。 消去中间变量 Q2，及拉氏变换后，得传递函数：11)( )()( 0 02 210  sT KCsR RsQ sHsW 被控过程都具行 — 定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。 其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存量变化的大小。 例：具有纯时延的液位过程 .具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为： 14 2． 无自衡过程的建模 无自衡过程 指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身不能重新恢复平衡的过程。 例：无自衡液位控制过程 1QdthdC ；sTsW a1)(0 ； sao esTsW01)(  双容过程的模型 双容过程 被控过程往往是由两个个容积和阻力构成。 可分为有自平衡能力和无自平衡能力两类。 1. 具自衡能力的双容过程的建模 其被控量是第二只水箱的液位 h2，输入量为 Q1。 根据物料平衡关系可以列出下列方程： 15 双容过程的数学模型为： 2. 无自衡能力的双容过程的建模 无自平衡能力双容过程的传递函数： 111)(0  TssTsW a 无自平衡能力双容过程的传递函数： 16 na TssTsW )1( 11)(0  过程具有纯时延，则传递函数： sna esTKsTsW 0)1(1)(100  （ 1）查阅国内外资料，了解连续生产过程的现代控制技术和控制方法，了解过程控制系统的国内外发展动态。 （ 2）调节器设计：完成 PID调节的控制功能 （ 3）控制电路设计：给定与反馈 比较环节的设计和输入 /输出电路设计。 （ 4）实验验证：利用 THKGK1型实验装置，进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。 17 双容水箱液位控制系统，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。 显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器 GK04 的结构和参数的合理选择。 由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。 对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比 例（ P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（ PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和 Ti 选择得合理，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的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。 第 3章 单片机控制器的设计 单片机控制器的设计方案 18 单片机控制系统的分析 89C51 单片机简介 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪 烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 89C51 的引脚及其功能 19 1．主要特性： 与 MCS51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 20 32 可编程 I/O 线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2．管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2口为一个内部上拉电阻 的 8位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。 在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL 门电流。 当 P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 RXD（串行输入口） 21 TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0外部输入） T1（记时器 1外部输入） /WR（外部数据存储器写 选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H FFFFH），不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3．振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除： 22 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡。