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1、液位自动控制系统的研究 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 I 页液位自动控制系统的研究摘 要水位控制系统设计是模拟工业生产过程中对水位、流量参数进行测量、控制、观察其变化特性，研究过程控制规律的课题，它主要研究过程控制中动态过程的一般特点大惯性、大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想对象。本课题首先对水位控制系统做了整体的分析并简单介绍了水位控制系统的控制平台；然后详细介绍了PLC可编程控制器并详细分析了基于PLC的PID控制和串级PID控制，对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述,设计了双容水箱串级水位控制系统,并根据
2、4：1衰减曲线法对PID参数进行整定；最后根据理论分析进行水位控制系统实验，实验结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性。关键词：水位自动控制系统，PLC技术，PID控制，串级控制The Research of The Water Level Automatic Control SystemAbstractThe water level control system design is a topic, which allows study of the principles of process control as the process variables, for example the
3、 level and flux, to be measured, controlled and observed for its variability during the simulation process of modem industrial manufacture. It has the common characteristic of dynamic process in process control such as great inertia, larger delay, nonlinear and difficult to be controlled precisely,
4、so that it becomes a perfect object in the field of control theory and control engineering, process control teaching, testing and study.This topic first has made the whole analysis to the water level control system and simply introduces the water level system control platform, then introduces the PL
5、C programmable controller in detail and amply analyses the PID control and the cascade PID control which based on PLC. It introduces the cascade control system characteristic and the host vice-return route design in detail. The two-tank water level cascade control system has been designed. Then it c
6、arries on the PID parameter by 4:1 decay curve law; finally the water control system experiment has been done by the theoretical analysis. The experimental result indicates the system has the fine control precision and the stability.Key words: water level control system, PLC, PID control, cascade co
7、ntrol目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1引言11.2水位控制当前的研究动态11.3 PID调节器概述21.3.1PID控制特点21.3.2PID 控制中尚需解决的问题31.4本文的主要工作42 水位控制系统的整体分析52.1水位控制系统的整体设计52.2控制平台介绍52.2.1电源控制屏52.2.2交流变频调速器62.3被控对象介绍63 可编程序控制器 PLC 概述83.1 PLC 的基本结构83.1.1 CPU 模块83.1.2 I/O 模块93.1.3 编程装置93.1.4电源103.2 西门子 S7-200 PLC 简介103.2.1 西门子 S7-200 PLC 的
8、功能概述103.2.2 西门子 S7-200 PLC 的特点113.2.3 西门子 S7-200 PLC 的硬件结构113.2.4 西门子 S7-200 PLC 的工作原理123.3 西门子 S7-200 PLC 的编程语言143.4 Step 7-Micro/WIN 编程软件简介153.5 西门子 S7-200 PLC 的程序结构154 PID控制器的设计164.1PID算法概述164.2 串级控制系统184.2.1 串级控制系统的特点184.2.2 串级控制系统的设计194.3 基于PLC的串级控制194.3.1控制系统框架194.3.2串级系统的参数整定215 控制结果225.1控制软件
9、简介225.1.1控制界面225.1.2 控制软件的主要功能225.2实验结果及分析23结束语26致 谢27参考文献28附录A（英文文献）30附录B（中文译文）361 绪论1.1引言随着现代工业的进步，水位控制技术迅速发展，但与国外相比仍有很大的差距，当国内还在对水利采取笨拙的排水、泄水方式时，国外便开始通过先进的测控设备，对水利资源进行合理的疏导。 水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的水位控制，使之高精度的保持在给定的数值。水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使之达到所要求的控制精度。在本文中，以二阶的水
10、位系统为研究对象，以双容水箱的水位为被控制量，主要研究基于PLC的PID控制器和串级PID控制的设计和实现。1.2水位控制当前的研究动态水位自动控制系统作为自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验设备，它不仅可以作为水位过程控制的实验设备来供学生做试验，而且也应用于非线性控制和故障诊断的研究项目中，因此在国内外都受到广泛关注1。文献8中SacoR.等人以控制教育的目的详细的介绍了双容水箱水位控制系统的构成，仿真建模和实时仿真；在德国杜伊斯堡大学（University of Duisburg）测量与控制系的研究者使用“DTS200”模型成功地测试了非线性解耦的方法和基于模型的故障诊断方法。文
11、献9中Noura Hassan等用双容水箱水位控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行了研究。文献10用源于离散时间李雅普诺夫（Lyapunov）理论的控制技术与对实时故障估计有自寻优和在线自适应能力的现代智能技术相结合的方法对基于多模型的在线故障诊断与定位进行了研究，并给出了在双容水箱水位控制系统上进行仿真的试验结果。文献11中Tsuda K.等人利用水位控制系统作为试验对象提出了解决线性混杂系统重组问题的几种算法。文献12为四个相识非线性滤波器推导了敏感模型，利用这些敏感模型得出一种广义自适应滤波算法（General Adaptive Filtering Algorithm），并在双
12、容水箱水位控制系统上进行了验证。文献13通过水箱水位控制系统的例子，说明了在一个分布式智能控制系统内多个智能子系统之间进行动态协调的机制和大致过程。文献14提出了一种推广的基于模型的预测控制（Extended MPC）方案，用以龙伯格马夸特（Levenberg-Marquardt）算法离线训练非线性状态空间神经元网络为基础的摸，在水箱水位控制系统上验证了方案的正确性。文献15利用ZIR（Zero Input Response）和ZSR(Zero State Response)综合控制信号，构建基于非线性受控对象物理模型水箱水位控制系统的仿真器，并利用其获得理想的控制特性。文献16将多变量投影方
13、法和径向基神经网络良好的逼近能力结合起来，提出了一种基于嵌入径向基神经网络的非线性主成分回归算法的过程监测及故障诊断方法，在水箱水位控制实验装置上进行的实验结果说明该方法确实能够有效地实现过程监测、快速地检测并诊断出故障状态。上述文献都是以水箱水位控制系统为研究对象，对故障的检测与诊断以及分离和建模及监控策略进行了研究，并提出了很多行之有效的算法，为水箱水位控制系统的仿真及监控平台的开发提供了坚实的理论依据。1.3 PID调节器概述1.3.1PID控制特点PID控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久，生命力最强的基本控制方法。在上世纪40年代以前，除
14、在最简单的情况下可采用开关控制外，它上唯一的控制方法。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方法2-5。事实表明，对于 PID 这样简单的控制器，能够适用于如此广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性能价格比在市场中占据着重要地位，充分地反映了 PID 控制器的良好品质。概括地讲，PID 控制的优点主要体现在以下几个方面：1、简单实用，易于实现，性能优良。PID 控制器具有简单而固定的形式，原理也不复杂，使用起来很方便，控制效果也很好。2、适用范围广泛。它可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼
15、油以及造纸、建材等各种生产部门。3、鲁棒性能优良。其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感，在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性。4、易于在线整定。它允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。由于具有这些优点，在过程控制中，人们首先想到的总是 PID 控制，但 PID 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，研究 PID 参数整定技术具有十分重要的工程实践意义。1.3.2PID 控制中尚需解决的问题常规的 PID 控制器设计大致可分为基于模型的方法和基于规则的方法。在基于模型的方法中，可先假定精确的数学模型（如 FOPDT、SOPDT），通过瞬态响应（如脉冲响应、阶跃响应）或频率响应的实验，或通过参数辨识（如最小二乘法）的方法获得过程模型的参数，或者仅仅只获得被控过程的某些特性参数（如临界比例增益、临界振荡周期），通过这些参数来优化控制器参数，得到我们所期望的控制器性能6。在这些控制器的设计方法中，所采用的性能指标可分为两大类7：一类是时域性能指标，诸如超调量(oversh
