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基于stc89c52的的下水箱液位和进口流量串级控制系统
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2023-10-02
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液位控制有许多种情况,有的是用在工业生产中,如钢厂,煤场,化工厂需要对液体进行监控,以方便工厂的生产管理,这个时候需要对液位控制的工作环境有要求,对液位计的选择也有要求。有的用在自来水厂等普通民用设施上面。有的用来测量江河湖泊的水位,以便相关部门做一些数据统计等等。 在现代化的工业生产过程中,液位是过程控制中的常见参数,被处理物料的液位高低直接影响到生产过程能否顺利进行,因此对生产过程中的各类原料贮罐、反应器、塔器等单元操作设备进行液位控制就显得尤为重要。 在本设计中控制的目的在于使得下水箱液位维持在一定的高度上,保证整个过程控制系统能够在正常的工作指标下运行,满足最终的工业生产需要。
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湖北工业大学过程控制工程课程设计
目录
1 控制系统原理和方案设计 .........................................................................................................................................1
1.1 下水箱概述............................................................................................................................................................1
1.2 下水箱液位............................................................................................................................................................1
1.3 下水箱液位动态特性 .........................................................................................................................................2
1.3.1 下水箱液位动态特性 ................................................................................................................................2
1.3.2 下水箱液位在进口流量干扰下的动态特性 ......................................................................................3
1.4 下水箱液位控制方案分析及比较...................................................................................................................4
1.4.1 单回路液位控制系统 ................................................................................................................................4
1.4.2 液位和进口流量串级控制系统 ..............................................................................................................4
2 控制系统仿真与分析...................................................................................................................................................6
2.1 下水箱液位控制系统数学模型 .......................................................................................................................6
2.2 下水箱液位单回路控制系统 MATLAB 仿真...................................................................................................6
2.3 下水箱液位串级控制系统 MATLAB 仿真 .......................................................................................................8
2.4 仿真结果的比较与分析.....................................................................................................................................9
3 控制系统方法分析以及硬件选型.....................................................11
3.1 超声波传感器液位测量方法介绍 .................................................11

湖北工业大学过程控制工程课程设计
3.1 水箱水位控制器系统总体结构 ...................................................11
4 硬件电路的设计...................................................................12
4. 1 超声波测距模块..............................................................13
4. 2 数码管显示电路的设计........................................................14
4. 3 水泵驱动控制电路的设计......................................................14
4.4 软件程序的设计...............................................................15
4.5 程序实现 .....................................................................16
5 结论.............................................................................23
参考文献...........................................................................24
附录 1 .............................................................................25
附录 2 .............................................................................25

湖北工业大学过程控制工程课程设计
1
1 控制系统原理和方案设计
1.1 下水箱概述
本课程设计基 A3000 高级过程控制系统设备来完成,A3000-FS 系统结构原理图如图 1-
1-1 所示。
图 1-1-1 A3000 现场系统结构图
在该系统中,水箱由上水箱、中水箱、下水箱和一个大储水箱构成,下水箱接收来自
中水箱输出管道及大储水箱左右两个水泵的注水,通过下水箱输出管道进行排水。 本设
计的主对象为该系统的下水箱,仅研究在右边水泵管道注水的情况下下水箱的液位流量串
级控制系统,控制对象整体结构近似为一个单容自衡的水箱。
1.2 下水箱液位
本设计中下水箱液位高度 h 为控制系统的主控量。
液位控制有许多种情况,有的是用在工业生产中,如钢厂,煤场,化工厂需要对液体
进行监控,以方便工厂的生产管理,这个时候需要对液位控制的工作环境有要求,对液位
计的选择也有要求。有的用在自来水厂等普通民用设施上面。有的用来测量江河湖泊的水

湖北工业大学过程控制工程课程设计
2
位,以便相关部门做一些数据统计等等。
在现代化的工业生产过程中,液位是过程控制中的常见参数,被处理物料的液位高低
直接影响到生产过程能否顺利进行,因此对生产过程中的各类原料贮罐、反应器、塔器等
单元操作设备进行液位控制就显得尤为重要。
在本设计中控制的目的在于使得下水箱液位维持在一定的高度上,保证整个过程控制
系统能够在正常的工作指标下运行,满足最终的工业生产需要。
下水箱液位控制技术指标:
水位变化范围:0m~0.8m
控制水位给定值:0.5±0.05m
1.3 下水箱液位动态特性
1.3.1 下水箱液位动态特性
下水箱的出水量与水压有关,而水压又与水位高度近乎成正比。这样,当水箱水位升
高时,其出水量也在不断增大。所以,当水箱出口闸板开度适当,在不溢出的情况下,当
水箱的进水量恒定不变时,水位的上升速度将逐渐变慢,最终达到平衡。由此可见,单容
水箱系统是一个自衡系统。
水流入量 Qi 由调节阀 u 控制,流出量 Qo 则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水
位 H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。
直接在调节阀上加定值电流,从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节
仪手动给定,或者 AO 模块直接输出电流。)
调整水箱出口到一定的开度。
突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化,从而可以获得液位数学模
型。
LT
给定值
图 1-3 下水箱液位数学模型的测定实验
Q
o
h
Q
i
FV

湖北工业大学过程控制工程课程设计
3
通过物料平衡推导出的公式:
𝑄
𝑂
=
𝑘
𝐻
,
𝑄
𝑖
=
𝑘
𝜇
𝜇
,
那么
𝑑𝐻
𝑑𝑡
=
1
𝐹
(
𝑘
𝜇
𝜇−𝑘
𝐻
)
,
其中,F 是水槽横截面积。在一定液位下,考虑稳态起算点,公式可以转换成:
𝑅𝐶
𝑑𝐻
𝑑𝑡
+
𝐻
=
𝑘
𝜇
𝑅𝜇
。
公式等价于一个 RC 电路的响应函数,C=F 就是水容,
𝑅
=
2
𝐻
0
𝑘
就是水阻。
如果通过对纯延迟惯性系统进行分析,则单容水箱液位数学模型可以使用以下 S 函数
表示:
𝐺(𝑆)
=
𝐾
𝑅
0
𝑆(𝑇𝑆
+
1)
。
进行线性简化,可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统:
𝐺
(
𝑆
)
=
𝐾
𝑇𝑆
+
1
𝑒
−𝜏𝑠
。
本设计的水箱规格为 0.5m*0.5m*0.8m,控制水位给定值为 0.5m,根据阶跃响应曲线
法,得到对象传递函数为:
𝐺
(
𝑆
)
=
1
10𝑆
+
1
𝑒
−2𝑠
。
1.3.2 下水箱液位在进口流量干扰下的动态特性
在本设计中,下水箱的液位在进口管道流量波动的干扰下,会受到一定的影响。为了
更好的对下水箱液位进行控制,需要了解进口管道的流量特性。
首先,是流量特性的选择。在我们的设计中,主对象为下水箱液位。下水箱液位的变
化是一个近似线性的过程。我们希望实际的工作流量特性是线性的,因此,在流量特性曲
线畸变程度可以忽略的情况下,我们选择调节阀的阀芯为等百分比流量特性,可以更好的
克复非线性带来的影响。
根据相关资料,我们选择流量特性的传递函数为
𝐺
(
𝑆
)
=
5
𝑆
+
1
。
综上,下水箱液位在进口流量干扰下的动态特性如图:
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