液位控制器的设计(完整版)实用资料.doc

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1、液位控制器的设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）液位控制器的设计1 引言在自动控制领域里,如果被控制对象是个比较复杂的非线性、时变而且又有大的滞后的系统的话,往往很难获得精确的数学模型,并且由于传统的经典控制方法是建立在数学模型的基础上的,没有数学模型,这些经典的控制方法是很难获得良好的动态和静态性能的。而模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法,它不依赖于对象的数学模型,而是通过对模糊信息的处理做出对复杂对象的控制。模糊控制技术在复杂、大滞后、难以建立精确数学模型的非线性控制过程中表现出了优越的性能。本文针对钢水液位控制系统的时变、非线性特性,设计出模糊控制器

2、,并且将其应用到钢水的液位控制中。2 钢水液位控制系统的组成在钢铁生产的连铸工艺流程中,钢水从钢包流入中间包,然后通过浸入式水口流入结晶器,结晶器中钢水液位的调节一般通过调节中间包内可以上下移动的导塞杆的位置来实现。它的简化结构框图如图1 所示。和传统的开环控制或PID 闭环控制方式不同的是,本系统的控制器采用模糊控制器（虚线框内部分） 。 图1 钢水液位控制系统2. 1 系统部件介绍钢水液位控制系统中的执行机构采用电液伺服驱动装置来驱动导塞杆的上下位移,从而实现液位的调节。电液伺服驱动装置由伺服放大器和电液伺服阀组成。本系统采用的伺服放大器是为动圈式电液伺服阀设计的专用配套放大器,它采用固体

3、组件,集成度高,并备有多种附件插板可扩展电路功能,且能方便地与计算机相连。其输入为电压信号,输出为电流信号。电液伺服阀是电液伺服驱动装置中的一个核心部件,本系统采用DY 系列伺服阀将电气部分和液压部分连接起来,用输入为毫安级电流去控制液体流动,来驱动活塞在液压缸中的位移,液压缸活塞的位移带动导塞杆上升或下降,从而实现液位的调节。电液伺服驱动装置不仅能自动跟随控制器电输入信号而动作,而且起到信号功率放大作用。液位信号的检测通过WY 型差动变压器式位移传感器来实现,该传感器是基于变压器原理,通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合,使得铁心的位移变化量与电压信号成近似的线性关系。在使用时将它与浮子相连,可

4、以把直线移动的铁心位移变换成电压信号,经APD 转换后输入计算机进行处理。2. 2 模糊控制器的设计本系统采用的是mamdani 推理型模糊控制器。模糊控制器采用双输入、单输出的结构,输入量选用设定的液位值与采样液位值之间的偏差E 以及液位偏差值的变化率EC ,输出量选用液位控制量U。模糊控制器的设计是模糊控制中的重点,它由模糊化、模糊算法、模糊判决三部分组成。2. 2. 1 精确量的模糊化过程根据本系统的实际性质和要求,对输入量E、EC 和输出控制量U 的模糊语言描述（模糊集）定义如下:描述输入量E、EC 和输出控制量U 的语言值模糊子集均选为 PB ,PM,PS ,ZO ,NS ,NM,N

5、B ,量化论域均取为 - 3 , - 2 , -1 ,0 ,1 ,2 ,3 。输入量E 的基本论域为 - 1. 2 % + 1. 2 % ,输入量EC 的基本论域为 - 0. 6 % + 0. 6 % ,输出量U 的基本论域为 - 12 + 12 ,则量化因子分别为:K1 = 3P1. 2 % = 250 ,K2 =3P0. 6 % = 500 ,K3 = 12P3 = 4。根据实际系统可写出输入量和输出量各档的隶属函数。本系统所选择的隶属函数均为三角形分布。这样就完成了精确量的模糊化过程。需要注意的是,不同系统中,模糊集的隶属函数是不同的,要根据实际情况和实践经验而定。2. 2. 2 模糊控

6、制算法模糊控制的核心是模糊控制规则的建立,模糊控制规则的实质是把操作者的经验加以总结,并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则。在得到输入偏差量E ,偏差变化率EC 和控制量U 的模糊集后,就可以利用“若E 且EC , 则U”的控制规则进行模糊控制器的建立。这种控制规则是总结人们的操作经验和思维过程,根据测得的偏差和偏差变化率,来判断应该施加的控制量。表1 为总结出各种情况时的控制规则表。 该表总结出一个完整的控制策略,表中每项对应一条模糊条件推理语句。每一条模糊条件推理语句,对应一个模糊关系为:R = E EC U。按上式即可计算出每一条模糊条件推理语句所对应的一个模糊关系矩

7、阵R1 ,R2 , ,Rn , 将所有的模糊关系矩阵求并集运算,即:R = R1 R2 Rn ,即可求出总的模糊关系R。在计算出总的模糊关系R 后,在输入已知的条件下,输出由这个总控制规则的模糊关系确定,例如当有任意输入偏差E1和偏差变化率EC1 时,用推理合成原理即可算出相应的控制量U1 : U1 = E1 EC1 R。2. 2. 3 模糊判决由模糊数学理论知道,总的模糊关系矩阵R 是一个49 7的矩阵,每次控制计算都处理这样一个矩阵是很困难的,为此,事前先将R 矩阵算出,然后算出每种输入状态下的模糊控制输出,最后用最大隶属度决策算法,将模糊控制输出转化为精确的实际输出动作。经过计算的模糊查

8、询表如表2 所示。 在实时控制时,先将该表存入计算机,只要测得E 和EC ,通过查询计算机内存中的总控制表,即可得到相应的控制量U 去控制生产过程。3 模糊控制系统的MATLAB 仿真为了验证模糊控制器在钢水液位控制系统中的使用效果,同时为了在仿真过程中及时调整模糊控制器的控制规则和各项参数,我们利用MATLAB 软件进行了仿真研究。在仿真过程中对于执行器和被控对象,近似等效为带滞后的二阶惯性环节。 在进行MATLAB 仿真时,首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI）下建立上述的模糊控制器,然后在SIMULINK 环境下,选择所需的模块,建立系统仿真模型进行仿真。图2 是选取大小为0. 3

9、 的常值信号作为系统的设定输入,选取阶跃信号对系统作定值扰动时的仿真曲线。从图中可以明显看出模糊控制具有较好的动态性能和抗干扰能力,不但有较短的响应时间,而且超调量小。 4 结束语 用MATLAB 软件进行模糊控制器的仿真是一种直观而且简便的方法,它可以大大缩短模糊控制器的设计周期。从钢水液位控制系统的仿真情况来看,模糊控制的快速性、跟踪性能和定位准确性比传统PID 控制时有较大的改善。在实际应用中,还需要根据现场运行情况的变化对模糊查询表进行不断修正,以获得更佳的控制效果。缆式浮球液位控制开关 规格：UQK-246产品详细说明：UQK-246型缆式浮球开关，是采用意大利MAC3（马赫）公司的

10、原装组件组装。由于其采用塑料一体成形，所以结构坚固，寿命长。对长距离、多点液位控制，应用尤为方便，可广泛应用于给水、排水及含腐蚀性液体的液位自动控制。 该浮球开关是根据重力与浮力的原理设计而成，用大容量微动开关作为节点输出，当浮球与水平面上仰角度超过28时，便会输出一个开关量信号。检测范围：015m（分别为1m、3m、5m、15m五种规格，如长度超过15m，需另行定制）触点容量：220V，10A（阻性） 触点形式：一常开一常闭（每个浮球） 介质温度：080 防爆等级：隔爆型 电气接口：11电缆夹KEY电缆浮球液位开关(TEK-1)KEY电缆浮球液位开关 免予维修 无毒环保 性能稳定 价格低廉

11、：0523-82185378 ：0523-829019681。水电行业：集水井、清水井、顶盖排水、生活水塔、贮水池、前池的水位控制与报警；2。给排水行业：自来水厂的混合池、砂石过滤池、沉淀池、取水口、贮水池、水塔的水位报警与控制；3。污水处理厂的消化池初沉池、平衡池、污水池、曝汽池、栏污格栅、浓缩池的水位控制与报警。1.性能特点(tek-1)key电缆浮球液位开关是一个能够调节桶、槽或井中液位的控制装置。它可自动调节，易于操作，便于安装，安全可靠，免予维修，无毒环保。它对污水有抵抗作用，广泛应用于家庭，厂矿等的水池，油，酸和碱的池，桶，槽，灌等的容器中。如果联两个控制器。一个放至水塔，另一个放

12、至水井中控制水泵，就能防止因水源不足开空泵而损坏水泵设备；也可以三有控制器串联，一个放至水塔，另一个放过滤池和一个放至河水（水井）能同时控件，就能防止因水源不足开空泵而损坏水泵设备；也可以三个控制器串联，一个放至河水（水井）能同时控制两台水泵设备。(可参考下图)2.安装示意图(供用户参考)3.技术参数1、工作电压：250V380V。2、工作电流：10(8A)10(4A)。3、工作温度：080。4、电寿命：1100000次。5、机械寿命：5100000次。6、引线长度：3m 4m 5m 10m等 特殊长度及材料可订制4.安装方法1、使用黑色和蓝色的电线浮球在上液位时，接点是不通的状态，浮球在下液

13、位时，接点是接通的状态。2、使用黑色和黄色的电线浮球在上液位时，接点是接通的状态，浮球在下液位时，接点是不通的状态。3、固定重锤的安装液位的控制高度是由(tek-1)Key电缆浮球液位开关的电缆在液体中的长度及重锤在电缆的位置决定的。固定(tek-1)Key电缆浮球液位开关重锤的方法是：1、 先将塑料重锤非喇叭口一端的卡环拆下，将其套在电缆的适当位置上2、 然后再将电缆从塑料重锤喇叭口一端穿入，套在电缆上的卡环就限定了重锤的位置。3、 最后将电缆在容器外的适当处固定。将电缆线端接到控制箱，尽量避免使用中间接头，若需有接头时，绝对不可将接头浸入液体中。(注：塑料重锤非喇叭口端卡环也可以不拆，直接

14、将电缆从喇叭口端穿入，然后用废旧裸线缠绕在电缆适当位置卡住塑料重锤即可)液位控制器设计与制作一、 功能说明在水塔中经常要根据水面的高低进行水位的自动控制，同时进行水位压力的检测和控制。本液位器具有水位检测、报警、自动上水和排水（上水用电机正转模拟，下水用电机反转模拟）、压力检测功能。该控制器主要由89S52单片机，0809A/D转换器，A、B、C三点水位检测电路，压力检测电路、数码显示电路、键盘和电源电路组成。二、 原理简介由三路“传感器”（三根插入水中的导线）检测液位的变化，由89S52控制液位的显示及电泵的抽放水，由ADC0809采集水位压力的变化并由数码管显示压力。1液位采集电路三路液位

15、检测都采用简单的三极管检测电路检测液位变化，将电平信号分别送入单片机。实际检测时，从P3焊接出四根导线，分别将接A、B、C和VCC的导线放入水杯（模拟水塔）中，位置如图 1所示。2压力检测电路该电路主要由LM324运放组成测量放大器，放大器可分为前后两级。测量的模拟信号经过ADC0809转换为数字信号并传输给单片机，经单片机处理后送数码管显示。图1三、 电路功能介绍1液位检测的调试电路焊接好后，接通电源，改变液位使检测点变化，当液位在A点以下时红灯连续亮并且发出频率较高的报警声，显示00，电机正转；当A液位B时，显示0A，电机正转；当B液位C时，显示0B，电机不转；液位在C点及以上时，绿灯连续

16、亮并且发出报警声，显示0C，电机反转。2按键电路调试AT89S52图2 AT89S52引脚图按键S1是复位按键按下S3切换到温度显示。四、 芯片介绍1AT89S52引脚如图2所示。引脚功能说明：（1）输入/输出引脚（I/O口线）P0.0P0.7:P0口8位双向I/O口，占3932脚；P1.0P1.7:P1口8位准双向I/O口，占18脚；P2.0P2.7:P2口8位准双向I/O口，占2128脚；P3.0P3.7:P3口8位准双向I/O口，占1017脚；（2）控制口线(29脚)：外部程序存储器读选通信号。ALE/(30脚)：地址锁存允许/编程信号。/VPP(31脚)：外部程序存储器地址允许/固化编

17、程电压输入端。RST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端,VPD是备用电源输入端。（3）电源及其它Vcc(40脚)：电源端+5V。GND(20脚)：接地端。XTALl、XTAL2(1918脚)：时钟电路引脚。当使用内部时钟时，这两个引脚端外接石英晶体和微调电容。当使用外部时钟时，用于外接外部时钟源。2ADC0809 ACDC0809位8路A/D转换集成芯片。可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100us左右。ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图3。IN0IN7：模拟量输入通道信号单极性，电压范围0-5V，

18、若信号过小还需进行放大。ADDA、ADDB、ADDC：地址线A为低位地址，C为高位地址。其地址状态与通道对应关系见表1。 表1 选择的通道C B A选择的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7图2 ADC0809引脚排列图ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清“0”；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。D7D0：数据输出线。OE：输

19、出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。CLK：时钟信号。ADC 0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供。通常使用频率为500kHz的时钟信号。EOC：转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。Vcc：5V电源。Vref：参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为5V（Vref（）5V，Vref（一）=0V）。3集成电路74HC24574HC245是一种三态输出的8总线收发驱动器，无锁存功能。图3是74HC245的引脚图和功能表。它的G端和DIR端是控制端，当它的G端为低电平时，如果DIR为高电平，则74HC245将A端数据传送至B端；如果DIR为低电平，则74HC245将B端数据传送至A端。在其他情况下不传送数据，并输出高阻态。图3 74HC245的引脚图和功能表。4集成电路LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图4所示。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。11脚接负电源，4脚接正电源。图4 LM324电路符号与管脚图