毕业论文双容水箱液位控制系统设计.docx
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毕业论文双容水箱液位控制系统设计
毕业论文-双容水箱液位控制系统设计
温州职业技术学院
毕业综合实践
课题名称：
双容水箱液位控制系统设计
作者：
学号：
系别：
电气电子工程系
专业：
电气自动化
指导老师：
专业技术职务
2016年3月浙江温州
课题摘要
在工业生产中，液位控制通常具有滞后性、大惯性和时变性等特点，所以实现液位控制的快速性和稳定性，对于提高产品质量和生产效率有很重要的现实意义。
本课题针对液位控制系统的特点及实现快速、稳定的液位控制在现实工业生产中的意义，设计了一个双容水箱液位控制系统。
其中运用到传感器、采集卡检测液位，并采用了PLC的AD/DA转换模块将数字量转换成模拟量输出。
本系统PID参数在整定的设置和范围，使最终系统无稳态误差，无超量调节，各项指标均满足设计要求。
本系统实现简单，硬件要求不高，且能对液位进行实时显示，具有控制过程的特殊性，本设计提出了一种基于PID算法来实现双容水箱液位控制系统，主要是为了达到生产过程中对液位控制速度快，稳定性高等特点。
关键词PID控制传感器AD/DA转换
阶系统。
对象，用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。
水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对水箱数学模型的建立是非常有意义的。
同时，水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。
而且，水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。
同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。
1.2国内外研究现状
随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！
不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。
将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！
1.2.1国外研究现状
德国Amira自动化公司研制的水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amira公司研制的水箱过程控制实验装置。
但是，由于德国Amira自动化公司研制的水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。
也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。
液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。
在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。
液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：
（1）对象存在滞后
热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。
因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。
（2）对象特性的非线性
对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。
大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。
（3）控制系统较复杂
从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。
过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。
也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。
任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。
1.2.2国内研究现状
国内也有一些厂家研制了水箱液位系统。
GWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。
用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。
各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。
开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。
THJS-1型水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。
液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。
目前，我国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
1.3过程控制的发展过程
过程控制是工业自动化的重要分支。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
1.3.1过程控制的发展
在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。
在本世纪30年代就已有应用。
过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：
分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。
从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：
开始到70年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第三阶段开始。
其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。
第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：
使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。
这与当时生产水平是相适应的。
第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。
这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。
这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。
1975年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。
分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。
由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法（几十至上百种）、较好的人—机界面和故障检测报告功能。
经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。
第三阶段是高级阶段，目前正在来到。
1.3.2过程控制策略与算法的进展
几十年来，过程控制策略与算法出现了三种类型：
简单控制、复杂控制与先进控制。
通常将单回路PID控制称为简单控制。
它一直是过程控制的主要手段。
PID控制以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。
目前，PID控制仍然得到广泛应用。
在许多DCS和PLC系统中，均没有PID控制算法软件，或PID控制模块。
从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。
它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。
它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。
20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。
从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。
近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。
先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。
实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。
1.3.3传统过程控制存在的问题
（1）随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，过程控制的任务也愈来愈繁重。
这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。
这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交错，而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，也有本质非线性。
由于工业过程的这种复杂性，决定了控制的艰难性。
（2）传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的，即按建模2控制2优化进行的，建模的精确程度决定着控制质量的高低。
尽管目前建模的理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，如一些反应过程、冶炼过程、生化过程，甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。
这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。
如自适应控制，对缓慢的变化过程比较有效，但对变化剧烈的过程（如幅度大,非线性强）却力不从心了。
因此，用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严重的挑战。
1.4PID控制的发展现状及意义
目前，工业自动化水平已经成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准。
同时控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
生活中常见的智能控制的典型实例有全自动洗衣机和全自动电冰箱等。
根据自动控制原理可知：
控制系统根据其回路组成可分为开环控制系统和闭环控制系统。
考虑到工业生产中的稳定性与准确性要求，通常采用闭环控制系统作为实际生产中的控制模型。
一个闭环控制系统通常包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口等组成部分。
基本的工作原理是将控制器的输出通过输出接口、执行机构加在被控系统上，控制系统的被控量通过过传感器、变送器经由输入接口反馈回控制器。
作为不同的控制系统，其传感器、变送器和执行机构都不尽相同。
例如压力控制系统要采用压力传感器，而液位控制系统要采用压力传感器等。
传统的液位自动控制系统，通常都是采用PID控制技术调节水泵功率以达到控制液位的效果，控制效果不甚理想。
虽然PID控制是目前在工业控制中应用最为广泛的控制技术之一，且占有主导地位，但是PID控制技术在解决一些复杂的、非线性的、时变的、迟滞的被控对象方面控制效果不太理想。
另外，PID参数的整定难度较大且较为专业化，当系统受外界干扰控制条件改变后，需要重新整定。
因此控制效果不甚理想。
针对上述控制不理想的问题对使用的影响比较大的情况，需要进一步改进该控制系统，本课题提出用仿人智能PID控制方法，对控制区间进行了划分，使控制算法更加精细;进一步提高了原控制系统的稳定性、快速性和稳定性。
我国以最大的社会效益和经济效益为目标，研究和开发综合自动化技术是国民经济快速发展的需要，是参加国际市场剧烈竞争的需要。
在世纪交替之际，新技术的研究和开发将大大推动工业过程制度化的发展，并带来巨大的社会效益和经济效益。
2水箱的数学建模
2.1数学模型的介绍
数学模型（MathematicalModel）是一种模拟，是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。
数学模型一般并非现实问题的直接翻版，它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析，又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。
这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模（MathematicalModeling）。
不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。
数学建模和计算机技术在知识经济时代的作用可谓是如虎添翼。
2.2数学模型的建立
水箱是液位控制系统中的被控对象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不变，平衡后当流入侧阀门开大时，流入量大于流出量导致液位上升。
同时由于出水压力的增大使流出量逐渐增大，其趋势是重新建立起流入量与流出量之间的平衡关系，即液位上升到一定高度使流出量增大到与流入量相等而重新建立起平衡关系，液位最后稳定在某一高度上；反之，液位会下降，并最终稳定在另一高度上。
由于水箱的流入量可以调节，流出量随液位高度的变化而变化，所以只需建立流入量与液位高度之间的数学关系就可以建立该水箱对象的数学模型。
2.2.1机理法
根据对象的特征和建模的目的，对问题进行必要的、合理的简化，用精确的语言做出假设，可以说是建模的关键一步．一般地说，一个实际问题不经过简化假设就很难翻译成数学问题，即使可能，也很难求解．不同的简化假设会得到不同的模型．假设作得不合理或过份简单，会导致模型失败或部分失败，于是应该修改和补充假设；假设作得过分详细，试图把复杂对象的各方面因素都考虑进去，可能使你很难甚至无法继续下一步的工作．通常，作假设的依据，一是出于对问题内在规律的认识，二是来自对数据或现象的分析，也可以是二者的综合．作假设时既要运用与问题相关的物理、化学、生物、经济等方面的知识，又要充分发挥想象力、洞察力和判断力，善于辨别问题的主次，果断地抓住主要因素，舍弃次要因素，尽量将问题线性化、均匀化．经验在这里也常起重要作用．写出假设时，语言要精确，就象做习题时写出已知条件那样，根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学工具，构造各个量（常量和变量）之间的等式（或不等式）关系或其他数学结构．这里除需要一些相关学科的专门知识外，还常常需要较广阔的应用数学方面的知识，以开拓思路.当然不能要求对数学学科门门精通,而是要知道这些学科能解决哪一类问题以及大体上怎样解决．相似类比法，即根据不同对象的某些相似性，借用已知领域的数学模型，也是构造模型的一种方法．建模时还应遵循的一个原则是，尽量采用简单的数学工具，因为你建立的模型总是希望能有更多的人了解和使用,而不是只供少数专家欣赏，可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值计算等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术对模型解答进行数学上的分析，有时要根据问题的性质分析变量间的依赖关系或稳定状况，有时是根据所得结果给出数学上的预报，有时则可能要给出数学上的最优决策或控制，不论哪种情况还常常需要进行误差分析、模型对数据的稳定性或灵敏性分析等。
把数学上分析的结果翻译回到实际问题，并用实际的现象、数据与之比较，检验模型的合理性和适用性．这一步对于建模的成败是非常重要的，要以严肃认真的态度来对待．当然，有些模型如核战争模型就不可能要求接受实际的检验了．模型检验的结果如果不符合或者部分不符合实际，问题通常出在模型假设上，应该修改、补充假设，重新建模．有些模型要经过几次反复，不断完善，直到检验结果获得某种程度上的满意。
应用的方式自然取决于问题的性质和建模的目的，这方面的内容不再详叙。
应当指出，并不是所有建模过程都要经过这些步骤，有时各步骤之间的界限也不那么分明。
建模时不应拘泥于形式上的按部就班。
2.2.2实验法
实验建模原则上是把被研究对象看作为一个黑箱，通过试驾不同的输入信号，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，估计出系统的数学模型，这种方法也可称为系统辨识方法或者黑箱方法。
显然，任何一个对象都可能有多个输入变量和输出变量，当我们要研究的是x1与y1之间的关系时，就应该将施加的输入信号家在x1输入端上，并记录相应的y1的变化。
这种方法对于复杂对象更为有效，对于已知的一阶或者二阶系统，通过试验方法测取其特性参数也很方便，适用。
在这里主要是用阶跃响应法，阶跃响应是指一个阶跃输入加到系统上时系统的输出。
稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。
控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。
稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准时指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值只差；快是指控制系统相应的快速性，通常用上升时间来定量描述。
2.3本文中水箱液位数学模型的建立
水箱液位控制系统是一个单回路控制系统，它有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。
显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器Gc（S）的结构和参数的合理选择。
由于水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
2.3.1系统介绍
对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
因此，我利用力控组态软件的控制策略里的传递函数模拟一个一阶惯性系统，然后，通过用策略里的PID模块进行控制，通过PID进行整定！
由于水箱的非线性、大惯性、延迟特性，控制策略研究主要有以下几个方面：
（1）预测控制。
目前对水箱液位控制大多限于预测控制。
例如，应用一种工
业上易于获取的阶跃响应模型，根据其预测控制算法对有约束的水箱进行模型预
测控制；或者利用神经网络广义预测控制算法实现水箱的控制。
（2）容错控制。
由于水箱能够在实验过程中模拟各种实际应用故障，所以少
数实验室也研究关于故障诊断和容错控制在水箱上的应用。
（3）解耦控制。
国内外水箱实验系统大多通过阀门相互连通，水箱存在
一定耦合，通过系统解耦进行控制。
2.3.2建立步骤
本实验选择中水箱作为被测对象（也可选择下水箱）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9和中水箱出水阀F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
鼠标左键点击实验项目“二阶水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-1所示。
图2-1系统监控界面
（1）按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。
（2）打开监控计算机，运行MCGS组态软件，打开“液位串级过程控制系统”实验。
（3）先设定电动阀开度
，系统达到稳态后记录液位高度
及此刻对应时间
。
（4）设定电动阀开度为
，系统达到稳态后记录液位高度
（5）求
;
（6）整理实验数据
2.3.3实验数据
1）原始数据记录
当电动阀开度
时。
对应水位高度
;
当电动阀开度
。
对应水位高度
;
表2-1原始数据表
1
11:
13:
39
11:
14:
09
11:
16:
19
1.0
1.4
0.4
2
14:
28:
24
14:
30:
29
14:
35:
04
1.6
11.3
9.7
3
14:
58:
34
15:
59:
59
16:
03:
09
1.2
6.5
5.3
4
12:
30:
54
12:
31:
29
12:
33:
24
1.2
3.0
1.8
5
09:
45:
16
09:
46:
31
09:
49:
36
1.3
6.0
4.7
6
10:
08:
06
10:
09:
11
10:
11:
51
1.3
5.1
3.8
7
10:
33:
36
10:
35:
26
10:
39:
41
1.4
9.9
8.5
8
11:
08:
31
11:
09:
41
11:
12:
31
1.4
6.3
4.9
9
11:
32:
21
11:
33:
31
11:
36:
11
1.5
6.5
5.0
10
11:
50:
41
11:
51:
46
11:
54:
21
1.4
5.3
3.9
2）数据处理
G（s）=G1（s）G2（s）=
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
0.32〈t1/t2〈0.46（2-5）
根据以上公式求的
的平均值及传递函数
G（s）=
；（2-6）
（2-7）
3硬件设计
3.1变频器
变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
如图所示。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。
图3-1变频器
3.1.1主回路
（1）主回路端子规格表
端子
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