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    基于STM32的液位控制系統(tǒng)設計

    2020-08-07 08:51:32程訓明董婷婷
    科技風 2020年20期
    關鍵詞:PID控制

    程訓明 董婷婷

    摘?要:本文設計一種基于STM32的液位控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)采用STM32作為控制核心,使用壓力傳感器采集水箱內(nèi)的液位,通過串口觸摸屏進行液位顯示和給定,對水位進行有效的閉環(huán)控制。系統(tǒng)運用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)液位閉環(huán)控制,通過對PID參數(shù)的整定,可以使液位保持在一個很小的誤差范圍內(nèi),實現(xiàn)液位的連續(xù)控制。

    關鍵詞:STM32;液位控制;PID控制

    1 緒論

    隨著科學技術的不斷發(fā)展,恒液位控制系統(tǒng)的研究也在不斷進步。所謂的恒液位控制就是系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)任意液位的精度控制,使其保持恒定的液位。在與嵌入式軟件、硬件、自動控制等多項技術的緊密結(jié)合下,更能凸顯出其優(yōu)勢。本課題的研究著重于對液位的檢測與控制,以STM32作為主控制器,結(jié)合PID算法,達到對液位的精確控制。

    2 硬件設計

    2.1 總體方案

    液位控制系統(tǒng)以STM32為控制核心,通過串口觸摸屏發(fā)出啟動信號到STM32控制器中,對傳感器信號進行采集,將所得到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成數(shù)字信號給STM32進行運算,根據(jù)運算結(jié)果控制調(diào)節(jié)閥進而控制液位的高度,并將結(jié)果實時在顯示屏上。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

    2.2 電路主要模塊

    液位控制系統(tǒng)除了負責傳感器信號的采集和調(diào)節(jié)閥的控制外,還要運行PID算法,因此,需要對于微控制器的內(nèi)部資源有一定的要求,本設計選用STM32F103RC,該微控制器具有豐富的外設資源,運算速度快,完全滿足設計要求。對于電源模塊,考慮到設備多應用于工業(yè)場景中,因此,設備采用DC24V供電,使用DCDC降壓轉(zhuǎn)換器TPS5430DDAR將24V轉(zhuǎn)換為33V和5V,分別給STM32系統(tǒng)和串口屏供電。液位控制系統(tǒng)中,液位的采集是最重要的環(huán)節(jié),液位數(shù)據(jù)的精度決定了控制效果,本設計選用TM7705設計A/D轉(zhuǎn)換電路,TM7705是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器,通過串行接口與STM32通信。串口觸摸屏選用迪文串口屏DMT10600C070_07W,該串口屏采用組態(tài)軟件實現(xiàn)界面的開發(fā),通過串口與STM32進行數(shù)據(jù)的交互,操作簡單,能夠極大程度上縮短開發(fā)周期。

    3 軟件設計

    3.1 控制系統(tǒng)程序設計

    STM32作為控制核心,控制系統(tǒng)功能程序使用C語言實現(xiàn),主要有模擬量采集程序、PID控制程序、調(diào)節(jié)閥控制程序和串口屏通信程序??刂屏鞒倘缦拢捍谟|摸屏將給的定液位值通過串口傳遞給STM32。STM32接受到設定的液位值與所采集到水箱的液位高度值進行運算,將所計算的偏差量引入到所寫的數(shù)字PID算法中進行運算得到結(jié)果,并控制調(diào)節(jié)閥注入水的快慢,從而完成液位的精確控制。程序流程圖如圖2所示。

    3.2 PID控制的參數(shù)整定

    PID控制器結(jié)構簡單,工作穩(wěn)定,魯棒性較強,被廣泛應用于各種工業(yè)過程控制領域。本文PID參數(shù)整定使用工程整定法來確定參數(shù)。工程整定法模擬控制系統(tǒng),觀察系統(tǒng)的響應曲線,按照先比例——后積分——再微分的順序反復調(diào)試參數(shù)直到認為得到滿意的響應為止。

    首先,先將調(diào)節(jié)器的積分時間Ti調(diào)到最大,令Ti=SymboleB@

    ;將微分時間Td調(diào)節(jié)到最小,令Td=0;選擇較大的比例度δ,即通過參數(shù)設定將控制器簡化為純比例環(huán)節(jié)進行控制。然后,不斷減小比例度δ,當過渡過程顯現(xiàn)具有衰減比(4∶1)的振蕩過程,記錄下此振蕩過程中的比例度δs和衰減振蕩周期Ts的值。根據(jù)測試數(shù)據(jù)的階躍響應曲線得出振蕩周期為Ts=115.76,根據(jù)經(jīng)驗公式,按δ=0.8δs,Ti=0.3Ts,Td=0.1Ts整定,得到整定參數(shù)為δ=4/30(即Kp=7.5),Ti=34.728,Td=11.576。將參數(shù)代入,可以計算出調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:

    Gc=7.5(1+134.728s+11.576s)

    4 控制系統(tǒng)調(diào)試

    通過串口屏設置目標液位的設置,然后啟動液位控制系統(tǒng),對實際的液位進行調(diào)節(jié),液位控制曲線圖如圖3所示,液位控制系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地實現(xiàn)液位的調(diào)節(jié),滿足本次設計要求。

    5 結(jié)語

    本文主要介紹了基于STM32的液位控制系統(tǒng)的設計,文章較為全面地解析了液位控制系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件設計,通過串口屏的設定和監(jiān)控,能夠清晰地看到液位的精確控制,直觀地感受液位控制系統(tǒng)的作用,達到恒液位控制的效果,而且該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng),成本低,容易部署,具有很廣泛的應用前景。

    參考文獻:

    [1]張小娟,高蕊,常豪豪.基于單片機液位控制系統(tǒng)的研究與設計[J].艦船電子工程,2018.

    [2]林惠標,郭楊.變頻恒壓供水系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)整定[J].機電工程技術,2016.

    [3]崔皓天.基于PLC的液位控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊,2017.

    作者簡介:程訓明(1993—),男,江蘇南京人。

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