多输入—多输出液位控制系统控制器研发
发布时间：2022-02-14 11:42
在能源、化工、冶金和生物等工业领域,液位的高精度实时控制被广泛应用于锅炉、储液罐、熔池、回水池等设备中。多输入-多输出液位控制系统具有非线性、强耦合、柔性化等特点,可通过泵和阀模拟工业生产中的液位控制。液位控制器采样精度越高、执行器控制越精确,则液位控制精度越好。实验室原有多输入-多输出液位控制器采用了单通道选择式液位信号采集方式,可进行分时16位ADC采样,使用了计时式阀门控制策略,可进行包括单液位、双液位、三液位控制在内的多个实验。但是,控制器存在PCB布线不合理、液位采集精度较低、采样频率较慢、无法精确调节阀门开度等问题,导致控制精度达不到要求。因此,从硬件和软件两方面对其进行了优化设计,研究内容主要包括以下几个方面:（1）硬件上以ADuCM360芯片作为控制核心,对采集、控制电路分别进行了模块化整合。对液位、流量信号采集电路进行了降压滤波设计,通过搭建共射极放大电路,实现了水泵控制信号的稳定输出,借助I2C总线和锁存器完成了阀门控制电路的设计,对电源管理模块进行了磁珠隔离、电容滤波、接地处理,PCB由双面板改进为四层板,增大了布线区域。通过优化设计,控制器实现了24位ADC采样...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
原有多输入-多输出液位控制系统实物图
杭州电子科技大学硕士学位论文8柱型水箱底部安装有压力传感器，用于测算水箱液位，其中2号水箱还装有温度传感器PT100、加热器、液位开关，液位开关起到加热保护作用，当液位未达到安全高度时，加热器将一直处于断开状态，循环泵通过软管连接至2号水箱，用于加热时充分搅动水箱中的水，使温度尽可能均匀分布。上层和中层可直接拆卸，便于传感器的安装和实验平台的检修。图2.2优化后多输入-多输出液位控制系统实物图与原有液位控制系统相比，优化后的液位控制系统结构更加简洁，安全性能更高，检修更加便捷，具体特性如表2.1所示。表2.1液位控制系统物理结构对比表序号对比项优化前优化后1物理平台结构2层3层2管路布置方式软管连接内嵌式管路3阀门与传感器布局分散放置集中放置4安全性偶发漏水现象无漏水现象5检修方式上层整体翻转打开外壳盖板多输入-多输出液位控制系统结构如图2.3所示。该系统分为两组进水结构，一组为水泵1和与之相连的电磁阀1、电磁阀3、电磁阀5，另一组为水泵2与电磁阀2、电磁阀4、电磁阀6。两组进水结构可独立进水，互不影响，在实验过程中可将其中一组作为水箱进水控制，另一组作为扰动控制。在主进水管道安装有压力传感器，当水泵开启但进水电磁阀均未开启时，进水管道中的压力会急剧升高，超过压力传感器设定值后系统自动开启泄压阀，将管道中的水引流回水槽中，防止管道和阀门受损。2号水箱中的循环泵除去用于加热时确保水温
杭州电子科技大学硕士学位论文10图2.4原有控制器实物图控制器硬件系统经优化设计后，仍然将数据采集功能与执行器控制功能集成到了一块电路板中，与原有电路板大小基本一致。采用了负片的设计方式将PCB改进为厚度为1.6mm的四层电路板，电路板划分为模拟电路区域和数字电路区域，地层与电源层进行了对应分割[42]。主控芯片采用了ADuCM360芯片，该芯片的内核为ARMCortex-M3[43]，通过芯片内集成的两个24位高精度ADC[44]，采集3路液位信号、2路压力信号、1路温度信号。温度信号的采集使用高精度温度传感器PT100，采用四线制接线方式在ADC端口差分输入，可有效消除导线电阻的影响，得到较精准的温度信号。2路流量信号的采集借助芯片内的计数器，通过计算单位时间内获取到的电压脉冲数完成。另外，可将计算得到的标定系数存储至Flash/EE数据存储器进行液位校准。芯片内50μA诊断电流源用于检测ADC的外部电路是否有断路或短路情况。其实物图如图2.5所示。图2.5优化后控制器实物图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Further Effects of Test Voltages, Relative Humidity and Temperature on Air Discharge Currents from Electrostatic Discharge Generator[J]. 安全与电磁兼容. 2019(05)
[2]高速PCB电路电源完整性仿真分析[J]. 孟祥胜,车凯,栗晓锋,李玖法,李苏炫,何雪琴. 电子技术应用. 2019(09)
[3]去耦电容量化设计研究[J]. 穆远祥. 电子世界. 2019(14)
[4]电子自动化控制装置的常见干扰问题及对策分析[J]. 崔赢允. 自动化应用. 2019(03)
[5]基于ARM与DSP的箱式变电站智能远程监控系统[J]. 张翠,高新勤,李楠. 电子技术应用. 2019(03)
[6]电磁兼容的发展趋势[J]. Frank Leferink. 安全与电磁兼容. 2019(01)
[7]双容水箱液位控制系统设计[J]. 郝泽军. 电子技术. 2018(12)
[8]基于Modbus协议的农田气象信息监测站设计[J]. 赵小强,陈玉兵,高强,权恒,韩亚洲. 电子技术应用. 2018(12)
[9]基于FPGA的串行总线I2C触发设计与实现[J]. 彭海军. 国外电子测量技术. 2018(11)
[10]非线性预测控制在三容水箱液位控制系统中的应用[J]. 孙京诰,薛瑞,袁吴月. 南京理工大学学报. 2018(04)
硕士论文
[1]石油压裂施工远程液位监测系统设计[D]. 马瑞峰.中北大学 2019
[2]基于微分平坦的三容系统液位跟踪控制[D]. 周雨.吉林大学 2019
[3]纸浆模塑自动化生产线控制系统设计研究[D]. 周若兰.华中科技大学 2019
[4]储油罐油量液位测量与控制研究[D]. 温丽萍.河南科技大学 2019
[5]设备搭接和线槽电磁防护性能的测试分析[D]. 夏乐祥.东南大学 2018
[6]多容水箱液位控制系统的设计与算法研究[D]. 陈凯凯.西安工程大学 2018
[7]三容系统的液位控制[D]. 王严.吉林大学 2017
[8]过程控制实验平台设计与实验项目研发[D]. 冯晓会.陕西科技大学 2017
[9]基于反馈线性化的液位最优控制系统的设计与实现[D]. 孙萌萌.河北大学 2017
[10]基于状态反馈的四容水箱过程控制系统设计[D]. 王永翔.北方工业大学 2017
本文编号：3624484
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
原有多输入-多输出液位控制系统实物图
杭州电子科技大学硕士学位论文8柱型水箱底部安装有压力传感器，用于测算水箱液位，其中2号水箱还装有温度传感器PT100、加热器、液位开关，液位开关起到加热保护作用，当液位未达到安全高度时，加热器将一直处于断开状态，循环泵通过软管连接至2号水箱，用于加热时充分搅动水箱中的水，使温度尽可能均匀分布。上层和中层可直接拆卸，便于传感器的安装和实验平台的检修。图2.2优化后多输入-多输出液位控制系统实物图与原有液位控制系统相比，优化后的液位控制系统结构更加简洁，安全性能更高，检修更加便捷，具体特性如表2.1所示。表2.1液位控制系统物理结构对比表序号对比项优化前优化后1物理平台结构2层3层2管路布置方式软管连接内嵌式管路3阀门与传感器布局分散放置集中放置4安全性偶发漏水现象无漏水现象5检修方式上层整体翻转打开外壳盖板多输入-多输出液位控制系统结构如图2.3所示。该系统分为两组进水结构，一组为水泵1和与之相连的电磁阀1、电磁阀3、电磁阀5，另一组为水泵2与电磁阀2、电磁阀4、电磁阀6。两组进水结构可独立进水，互不影响，在实验过程中可将其中一组作为水箱进水控制，另一组作为扰动控制。在主进水管道安装有压力传感器，当水泵开启但进水电磁阀均未开启时，进水管道中的压力会急剧升高，超过压力传感器设定值后系统自动开启泄压阀，将管道中的水引流回水槽中，防止管道和阀门受损。2号水箱中的循环泵除去用于加热时确保水温
杭州电子科技大学硕士学位论文10图2.4原有控制器实物图控制器硬件系统经优化设计后，仍然将数据采集功能与执行器控制功能集成到了一块电路板中，与原有电路板大小基本一致。采用了负片的设计方式将PCB改进为厚度为1.6mm的四层电路板，电路板划分为模拟电路区域和数字电路区域，地层与电源层进行了对应分割[42]。主控芯片采用了ADuCM360芯片，该芯片的内核为ARMCortex-M3[43]，通过芯片内集成的两个24位高精度ADC[44]，采集3路液位信号、2路压力信号、1路温度信号。温度信号的采集使用高精度温度传感器PT100，采用四线制接线方式在ADC端口差分输入，可有效消除导线电阻的影响，得到较精准的温度信号。2路流量信号的采集借助芯片内的计数器，通过计算单位时间内获取到的电压脉冲数完成。另外，可将计算得到的标定系数存储至Flash/EE数据存储器进行液位校准。芯片内50μA诊断电流源用于检测ADC的外部电路是否有断路或短路情况。其实物图如图2.5所示。图2.5优化后控制器实物图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Further Effects of Test Voltages, Relative Humidity and Temperature on Air Discharge Currents from Electrostatic Discharge Generator[J]. 安全与电磁兼容. 2019(05)
[2]高速PCB电路电源完整性仿真分析[J]. 孟祥胜,车凯,栗晓锋,李玖法,李苏炫,何雪琴. 电子技术应用. 2019(09)
[3]去耦电容量化设计研究[J]. 穆远祥. 电子世界. 2019(14)
[4]电子自动化控制装置的常见干扰问题及对策分析[J]. 崔赢允. 自动化应用. 2019(03)
[5]基于ARM与DSP的箱式变电站智能远程监控系统[J]. 张翠,高新勤,李楠. 电子技术应用. 2019(03)
[6]电磁兼容的发展趋势[J]. Frank Leferink. 安全与电磁兼容. 2019(01)
[7]双容水箱液位控制系统设计[J]. 郝泽军. 电子技术. 2018(12)
[8]基于Modbus协议的农田气象信息监测站设计[J]. 赵小强,陈玉兵,高强,权恒,韩亚洲. 电子技术应用. 2018(12)
[9]基于FPGA的串行总线I2C触发设计与实现[J]. 彭海军. 国外电子测量技术. 2018(11)
[10]非线性预测控制在三容水箱液位控制系统中的应用[J]. 孙京诰,薛瑞,袁吴月. 南京理工大学学报. 2018(04)
硕士论文
[1]石油压裂施工远程液位监测系统设计[D]. 马瑞峰.中北大学 2019
[2]基于微分平坦的三容系统液位跟踪控制[D]. 周雨.吉林大学 2019
[3]纸浆模塑自动化生产线控制系统设计研究[D]. 周若兰.华中科技大学 2019
[4]储油罐油量液位测量与控制研究[D]. 温丽萍.河南科技大学 2019
[5]设备搭接和线槽电磁防护性能的测试分析[D]. 夏乐祥.东南大学 2018
[6]多容水箱液位控制系统的设计与算法研究[D]. 陈凯凯.西安工程大学 2018
[7]三容系统的液位控制[D]. 王严.吉林大学 2017
[8]过程控制实验平台设计与实验项目研发[D]. 冯晓会.陕西科技大学 2017
[9]基于反馈线性化的液位最优控制系统的设计与实现[D]. 孙萌萌.河北大学 2017
[10]基于状态反馈的四容水箱过程控制系统设计[D]. 王永翔.北方工业大学 2017
本文编号：3624484
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