基于模糊pid的水箱液位控制系统设计(附件)【字数：8323】
摘 要随着我国科技的不断发展，对城乡的基础建设也有提出来新的要求。城乡恒压供水系统就是其中一个方面，供水的稳定性，快速性以及便捷直接影响人民的生活和工业的发展。随着人们对供水系统要求不断增加，设计出一款高效率，高节能的恒压供水系统成为一种必然趋势。本文根据电机运行的特性曲线，阐明PID控制电机运行的节能原理；具体分析PID控制原理以及系统的组成结构，通过研究可知恒压水箱符合我们的各类性能要求。考虑到成本，硬件采用51单片机为控制核心，利用PWM驱动水泵达到水泵调速。最后对结果进行分析表明具有明显的经济效益。
Key words:Constant pressure water supply; PID control; 51 single chip microcomputer; high efficiency? 目 录
第一章 绪论 1
1.1 单片机实际应用概况 1
1.2研究恒压水箱系统的意义 1
1.3 本课题的设计要求 1
第二章 恒压水箱系统组成 3
2.1 恒压水箱设计思路 3
2.2 硬件电路设计 3
第三章 恒压水箱建模及程序设计 8
3.1主程序设计流程 8
3.2 过程控制建模系统框图 8
3.3系统程序设计 12
3.4控制策略 15
第四章 结果分析及总结 17
4.1系统结果分析 17
4.2系统的设计总结 17
致谢 20
参考文献 21
附录1 22
第一章 绪论
1.1 单片机实际应用概况
1.1.1 国外的发展状况
PID就是按偏差的比例(Proportion)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制。在过程控制中PID控制是应用最广泛的一种控制。早在 30年代末期PID 控制器就已经出现。PID控制器至今已有近 七十多的年历史, PID控制器稳定性强、构造简单、价格低廉、调试简单。PID控制器已成为工业控制的主要技术之一 [1]。经过五十多年来的不断更新换代, PID控制技术得到了很大 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的发展。特别是近年来, 随着计算机技术的飞速发展, 发生了由模拟PID 控制到数字PID控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型PID控制算法和控制方式。例如, 自适应控制、鲁棒控制、预测控制、最优控制、非线性PID控制和智能控制等等 [2]。
1.1.2 国内的发展状况
我国经过几代工程人员的努力与钻研， PID控制及基于PID的各类改进控制器的研究和应用已相当成熟，是当前控制工程的主流控制器,其实用性和有效性均毋庸置疑。
但是PID型控制器仍有许多不足和需要进一步改进之处，特别是把PID型控制器用于复杂对象(主要是时延较大、参数时变较快、不确定性明显和非线性严重)的控制时，控制质量还比较差。通过对PID控制结构的一些改进来提高控制性能。如对积分环节的改进， 得到积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法等；对微分环节进行改进，得到不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法、带死区的PID控制算法等。它们在不同程度上克服了传统PID控制的缺点。积分分离算法克服了积分饱和，可以显著降低系统的超调，缩短过渡时间。因此，如何成功地把PID型控制器用于复杂对象的控制，如何在理论上，对基于软件计算科学的各类模型，如粗集模型，专家模型，小波模型，叠代学习模型、 模糊系统模型以及其它人工智能模型等的工作机理进行更深刻的认识，使智能PID控制器的设计方法更趋于结构化，从而构造出更快、更正确的自适应机制[3]。
1.2 研究恒压水箱系统的意义
在我国工业供水以及高层建筑供水等方面的技术相对落后，工业自动化水平较低。传统的水箱供水方式为人工启停电机控制和水箱二次供水调节。传统的供水方式能耗大，消耗多而且380V电机对电网冲击大。这样的供水方式影响设备的使用寿命且劳民伤财。研究恒压水箱意义重大。设备变频调速运行稳定没有频繁启动的现象，启动方式多为软启动，避免机械，电气冲击，具有广阔的经济效益[4]。
1.3 本课题的设计要求
如图11所示，有两个容器分别为水箱A水箱B，水箱A内装有足量的水，水箱B一开始是空的，底部留个孔安装水阀门用作出水。从水箱A中抽水抽到水箱B中，使得水箱B中的水位量恒定在预设值附近，并一直维持。
基本要求：
利用一个数显装置显示当前的水位量。
将系统的误差范围控制在±1000mh，若超出误差范围则提示灯闪烁。
如果水箱B中水位超出控制范围则立即停止系统运行。
图11 设计图示
第二章 恒压水箱系统组成
2.1 恒压水箱设计思路
2.1.1 恒压水箱设计思路
在本次的毕业设计中，我主要做的是建立水箱模型，仿真，PID参数整定以及控制器程序的编写。为了方便仿真，可以将此次的毕业设计建立一个数学模型，就是将系统等效成为一阶惯性环节。通过压力传感器测得当前水位的水压，将水压乘以一个比例系数换算成当前水位的高度，因此我们就可以按照一阶惯性环节来设计系统。假设已知惯性环节的参数T和参数K，利用之前PI调节器仿真出来惯性环节的闭环特性曲线也方便和后面作比较。PI调节器的系统误差，仿真得到其图形。其中我们是通过经验法测得PI调节器的参数，至于程序中我们则是通过增量式PI算法进行调试，通过不断调试得到最佳的参数。
2.1.2 系统控制方案
系统的控制框图21如图所示，系统的组成为：
（1）AT89C51控制单元
（2）基于电阻应变片的传感器检测单元及A/D转换单元
（3）PWM电机控制器
（4）水泵及水箱
图21 系统的控制框图
Key words:Constant pressure water supply; PID control; 51 single chip microcomputer; high efficiency? 目 录
第一章 绪论 1
1.1 单片机实际应用概况 1
1.2研究恒压水箱系统的意义 1
1.3 本课题的设计要求 1
第二章 恒压水箱系统组成 3
2.1 恒压水箱设计思路 3
2.2 硬件电路设计 3
第三章 恒压水箱建模及程序设计 8
3.1主程序设计流程 8
3.2 过程控制建模系统框图 8
3.3系统程序设计 12
3.4控制策略 15
第四章 结果分析及总结 17
4.1系统结果分析 17
4.2系统的设计总结 17
致谢 20
参考文献 21
附录1 22
第一章 绪论
1.1 单片机实际应用概况
1.1.1 国外的发展状况
PID就是按偏差的比例(Proportion)、积分(Integral)、微分(Derivative)控制。在过程控制中PID控制是应用最广泛的一种控制。早在 30年代末期PID 控制器就已经出现。PID控制器至今已有近 七十多的年历史, PID控制器稳定性强、构造简单、价格低廉、调试简单。PID控制器已成为工业控制的主要技术之一 [1]。经过五十多年来的不断更新换代, PID控制技术得到了很大 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的发展。特别是近年来, 随着计算机技术的飞速发展, 发生了由模拟PID 控制到数字PID控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型PID控制算法和控制方式。例如, 自适应控制、鲁棒控制、预测控制、最优控制、非线性PID控制和智能控制等等 [2]。
1.1.2 国内的发展状况
我国经过几代工程人员的努力与钻研， PID控制及基于PID的各类改进控制器的研究和应用已相当成熟，是当前控制工程的主流控制器,其实用性和有效性均毋庸置疑。
但是PID型控制器仍有许多不足和需要进一步改进之处，特别是把PID型控制器用于复杂对象(主要是时延较大、参数时变较快、不确定性明显和非线性严重)的控制时，控制质量还比较差。通过对PID控制结构的一些改进来提高控制性能。如对积分环节的改进， 得到积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法等；对微分环节进行改进，得到不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法、带死区的PID控制算法等。它们在不同程度上克服了传统PID控制的缺点。积分分离算法克服了积分饱和，可以显著降低系统的超调，缩短过渡时间。因此，如何成功地把PID型控制器用于复杂对象的控制，如何在理论上，对基于软件计算科学的各类模型，如粗集模型，专家模型，小波模型，叠代学习模型、 模糊系统模型以及其它人工智能模型等的工作机理进行更深刻的认识，使智能PID控制器的设计方法更趋于结构化，从而构造出更快、更正确的自适应机制[3]。
1.2 研究恒压水箱系统的意义
在我国工业供水以及高层建筑供水等方面的技术相对落后，工业自动化水平较低。传统的水箱供水方式为人工启停电机控制和水箱二次供水调节。传统的供水方式能耗大，消耗多而且380V电机对电网冲击大。这样的供水方式影响设备的使用寿命且劳民伤财。研究恒压水箱意义重大。设备变频调速运行稳定没有频繁启动的现象，启动方式多为软启动，避免机械，电气冲击，具有广阔的经济效益[4]。
1.3 本课题的设计要求
如图11所示，有两个容器分别为水箱A水箱B，水箱A内装有足量的水，水箱B一开始是空的，底部留个孔安装水阀门用作出水。从水箱A中抽水抽到水箱B中，使得水箱B中的水位量恒定在预设值附近，并一直维持。
基本要求：
利用一个数显装置显示当前的水位量。
将系统的误差范围控制在±1000mh，若超出误差范围则提示灯闪烁。
如果水箱B中水位超出控制范围则立即停止系统运行。
图11 设计图示
第二章 恒压水箱系统组成
2.1 恒压水箱设计思路
2.1.1 恒压水箱设计思路
在本次的毕业设计中，我主要做的是建立水箱模型，仿真，PID参数整定以及控制器程序的编写。为了方便仿真，可以将此次的毕业设计建立一个数学模型，就是将系统等效成为一阶惯性环节。通过压力传感器测得当前水位的水压，将水压乘以一个比例系数换算成当前水位的高度，因此我们就可以按照一阶惯性环节来设计系统。假设已知惯性环节的参数T和参数K，利用之前PI调节器仿真出来惯性环节的闭环特性曲线也方便和后面作比较。PI调节器的系统误差，仿真得到其图形。其中我们是通过经验法测得PI调节器的参数，至于程序中我们则是通过增量式PI算法进行调试，通过不断调试得到最佳的参数。
2.1.2 系统控制方案
系统的控制框图21如图所示，系统的组成为：
（1）AT89C51控制单元
（2）基于电阻应变片的传感器检测单元及A/D转换单元
（3）PWM电机控制器
（4）水泵及水箱
图21 系统的控制框图
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/97.html
