【文章內(nèi)容簡介】 量系數(shù)，=儲存的物料變化量/ 液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動的地點(diǎn)之間由物料傳輸距離時，就會出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。液體流經(jīng)這段距離所需時間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風(fēng)方程為： （211）具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時間常數(shù)和純滯后時間有關(guān)。綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時間常數(shù)和純滯后時間這三個特性參數(shù)來全面表征。 誤差性能分析 生產(chǎn)過程中有各種控制對象，它們對控制器的特性有不同的要求，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律和整定其參數(shù)，使控制器性能和控制對象配合好，以便得到最好的控制效果?，F(xiàn)在已經(jīng)建立了水箱液位控制模型，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，最后是控制效果怎樣才是“最佳”的，也就是說，將用什么標(biāo)準(zhǔn)來確定控制器的“最佳”整定參數(shù)。由于各種生產(chǎn)過程的要求不同，因此標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。但在一般情況下，可以根據(jù)控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程來判定控制效果。總的來說，對控制系統(tǒng)可以提出穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三個方面要求，而這三方面往往又互相矛盾的。穩(wěn)定性首先要考慮的因素，一般都要求被控量的波動具有一定的衰減率。也就是經(jīng)過一個到兩個振蕩周期以后就看不出波動了，在穩(wěn)定的前提下盡量滿足準(zhǔn)確性和快速性的要求。 典型最佳控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是：在階躍的干擾作用下，保證調(diào)節(jié)過程波動的衰減率ψ=[5]（衰減率ψ是指）或更高的前提下，使過程的最大動態(tài)偏差、靜態(tài)偏差和調(diào)節(jié)時間最小。 為評定誤差和調(diào)節(jié)時間最小，常采用一種誤差絕對值積分指標(biāo)來衡量，它是以穩(wěn)態(tài)值為基準(zhǔn)來定義誤差 （212）并用積分 （213）圖5并用積分綜合表示了整個過渡過程中動態(tài)誤差的大小。它的意義是，在過渡過程中被控量的偏差（不分正負(fù)）對于時間的累積數(shù)字愈小愈好。這個積分綜合表示了偏差的大小和持續(xù)的時間，所以積分面積最小表示偏差小和過程快。除了以上誤差絕對值積分指標(biāo)外，還有采用其他的積分指標(biāo)，如希望誤差平方積分最小等，現(xiàn)將常用的誤差性能指標(biāo)列于表21[6]中。 表21 誤差性能指標(biāo)名 稱表 達(dá) 式備 注平方誤差積分指標(biāo)(ISE)積分下限是過渡過程開始的時間，積分上限∞可以由選擇足夠大的時間ts來代替，當(dāng)t＞ts時，e(t)足夠小，可以忽略。時間乘平方誤差積分指標(biāo)(ITSE)絕對誤差積分指標(biāo)(IAE)時間乘絕對誤差積分指標(biāo)(ITAE)3 基于單片機(jī)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計以水箱的供水為基本模型，鑒于單片機(jī)液位測量裝置的測量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液位測量監(jiān)控記錄系統(tǒng)。它具有實時測量監(jiān)控水箱液位高度并顯示的功能，并根據(jù)實時水量與設(shè)置的上、下液位參數(shù)進(jìn)行比較，啟動電機(jī)供水或停止水泵。在啟動電機(jī)與停止水泵時，實時記錄時間點(diǎn)與電機(jī)的狀態(tài)。液位測量高度≤5米，測量精度10%，AC220V供電。可通過上位機(jī)軟件，與監(jiān)控記錄系統(tǒng)進(jìn)行通信，能夠從PC機(jī)獲取當(dāng)前液位高度、電機(jī)狀態(tài)、設(shè)備系統(tǒng)時間、上下液位高度等數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要改變系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)。同時可以獲取設(shè)備運(yùn)行時記錄的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行保存。并能夠根據(jù)一定的算法，計算分析單位時間水箱消耗的水量，并繪制圖形，通過計算分析的結(jié)果，可以進(jìn)行區(qū)域用水統(tǒng)籌，降低能源的消耗。 核心芯片8051 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)有芯片僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)比專用處理器更適合嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了更廣泛的應(yīng)用，事實上單片機(jī)是世界上使用最多的計算機(jī)。計算機(jī)芯片MCS51[7]是一個電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機(jī)。所出的系列產(chǎn)品有8058038751。其代表就是8051。其他系列的單片機(jī)都以它為核心,所以本設(shè)計采用的核心芯片是8051單片機(jī)（如圖31）。CPU是它的核心設(shè)備,從功能上看,CPU包括兩個部分:運(yùn)算器和控制器,它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。整個系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號進(jìn)行采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作為控制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)的輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了大大的提高。系統(tǒng)總原理圖見附錄A。 圖31 8051引腳圖 系統(tǒng)的硬件設(shè)計廣泛的液位控制系統(tǒng)包括對水體的液位，壓力等參數(shù)的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹液位的控制。液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器，把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809[8]把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接LED進(jìn)行顯示,實現(xiàn)液位的報警和鍵盤的顯示與控制。模擬過程見圖32?？刂茍?zhí)行裝置8051按鍵及顯示模塊報警裝置傳感器圖32 基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用單片機(jī)為主控芯片[9]，通過單片機(jī)數(shù)據(jù)地址總線及I/O端口，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、時間模塊、串口通信模塊以及A/D轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制等外圍電路，從而實現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)計功能。傳感器通過對液面進(jìn)行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過8051單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過LED進(jìn)行顯示,通過報警裝置進(jìn)行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機(jī)。 液位傳感器的設(shè)計 在液體液位控制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測精確度起著重要的作用。傳感器[10]的種類很多,如溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器等,本設(shè)計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的光電傳感器來對液位進(jìn)行控制，在把檢測的電信號通過ADC0809輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實行對液位的報警。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化。光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。本文采用的是四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖33:圖33 液位傳感器液位傳感器的主要元件是高亮二極管和光敏三極管,它們都屬于光電元件,光電元件主要采用的是光電效應(yīng),光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 光電效應(yīng)的基本原理是PN結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動，分別在兩個方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對的濃