水箱液位控制&开题报告

毕业设计开题报告

设 计 题 目: 基于组态软件的双容水箱液位监控系统设计 院 系 名 称： 机电工程学院

专 业 班 级: 机械13班 学 生 姓 名: XXXX 导 师 姓 名： xxxxx 开 题 时 间: 2013年3月15日

指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日

1课题研究目的和意义

人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理,化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。 因此,需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题.因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。通过进行了多次的实验得出了一些相关的数据，水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 由于液位检测应用领域的不同,性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势,随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性.随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。

比例、积分、微分（ proportion integration differentation, PID） 控制是迄今为止最通用的控制方法， 大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。由于过程控制系统执行机构的复杂性及变量间的关联性和非线性等原因， 找到一组适合整个系统大范围控制的合适的PID 参数相当困难, 对要求控制范围宽、响应快且连续可调系统PID 就显得力不从心。模糊控制与PID 控制相结合则显示了巨大的优越性, 不但具有PID 控制精度高等优点, 又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点， 对复杂控制系统和要求高精度的伺服系统可获得优良的控制效果, 是近年来控制领域十分活跃的一支分支。

2文献综述

2.1 研究现状

水箱液位控制系统是整机设计的重要部分，一般应用在船舶、发电站、污水净化站、蓄水库等需要监控液位的地方，目前并没有相关文献规范液位控制系统的设计方法，只是依靠以往的经验理论进行设计工作。船舶上用到的多输入/输

出的液位控制系统是一个非线性系统，常存在容积延迟时间长、抗干扰能力差的现象。运用滑模控制算法、并用组态王（Kingview)编制了上位机控制界面和算法程序，组件接近于实际的控制系统。通过在线运行，获得滑模变结构控制自适应能力强，动态、静态品质优良,鲁棒性好等优点,有效地解决了类似系统难于控制的问题。对液位控制系统,一般是在工作点附近线性化后再加以控制的。控制方法有PID控制、基于线性模型的模糊控制、人工神经网络等等。针对双容水箱普遍存在容积延迟问题和传统PID单回路控制难于达到控制要求的特点，提出了基于串级技术和PLC控制器的双容液位控制系统。系统根据双容水箱的数学模型，采用微分现行的串级控制技术、PLC控制器、MCGS软件组态实现了双容液位的高精度控制盒实时显示。

2。2 课题介绍

液位对象一般具有时变、非线性、大惯性的特点，其控制系统一般采用常规PID控制，但由于参数固定，PID控制难以保证系统适应工作条件的变化。文献［7］通过机理建模法建立了三容水箱的数学模型，设计了基于模糊控制原理的PID参数自整定控制器,仿真结果表明该方法能极大地改善系统的动态和静态性能。文献[8］提出了一种改进的三容水箱单神经元自适应PID控制方法。该方法具有自学习和自适应能力，以及较强的鲁棒性。仿真结果表明该方法对三容水箱这种复杂对象具有良好的控制效果.

文献[7-8］均采用了智能控制方法对液位进行控制，但只停留在仿真阶段，没有用于实际控制系统。文献［9—10]设计了模糊PID控制器并用于三容液位的实际控制中,改善了系统的性能。但文献［9-10]分别采用MCGS组态软件和VC++编程实现控制算法，其监控界面须由用户编写。文献［11］采用遗传算法在线自整定PID参数用于液位控制系统中,取得了很好的控制效果，但遗传算法得到合适的整定参数所需时间较长.dSPACE实时系统实现了和Matlab／Simulink完全无缝连接,无需编程,通过RTI（Real-Time Inter-face)可实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的自动下载，并可对实验可视化管理。文献[12］将dSPACE用于双闭环直流调速系统中,利用dSPACE强大的软硬件功能快速构建了双闭环直流调速系统的控制平台并进行实验研究.结果表明，该控制平台具有构建方便，控制算法易于实现的优点。

文献［15］采用dSPACE的DS1104单板系统搭建了过程控制系统的实验平台，开发了模糊自适应PID控制算法，并用于液位控制系统，取得了良好的控制效果。为此,采用功能比DS1104更为强大的dSPACE—DS1103单板系统搭建了水箱液位

控制系统的通用平台。在该平台上，分别将常规PID和单神经元自适应PID控制算法成功用于双容水箱液位控制系统中。实验结果表明了该平台的有效性，且采用单神经元自适应PID控制的水箱液位，较常规PID控制超调小，过渡过程时间大大缩短，响应速度快，改善了系统的性能。

3设计基本内容、拟解决的主要问题

组态软件MCGS是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Wind ows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、肮天。建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域 。

图1 双容水箱控制原理

设计内容是以控制系统的MATLAB 仿真为前提［14—15],研究模糊PID控制效果, 并基于过程控制实验系统的双水箱液位系统, 采用MCGS组态软件实现， 在计算机控制系统上对模糊PID 算法进行应用研究.在常规PID 基础上加上1 个模糊调节环节， 将其与常规PID 控制结合起来， 构成模糊PID 控制, 在线对PID 3 个参数进行整定。电动调节阀调节上水箱进水流量, 采用双闭环串级控制上、下水箱的液位, 使下水箱液位保持恒定,液位变送器对上、下水箱液位进行实时测量。 并使用串接控制可改善其调节过程动态性能, 并且其副回路可以较快地消除作用于内回路的扰动。本系统以下水箱液位为主调节参数, 上水箱液位为副调节参数， 构成串级控制系统。 当压力传感器检测的液位信号与给定液位值进行比较后，则输入模糊PID控制器， 其输出作为比例积分调节器的给定值, 当与上水箱液位传感器检测到的液位信号比较后, 再送入比例积分调节器, 其输出则可控制电动调节阀的开度， 调节进水流量， 实现水箱液位的控制。

4技术路线或研究方法

本次设计用总线控制系统实验置来完成,现场总线过程控制对象系统实验装置是由实验控制对象、实验控制台、实验挂件、FCS控制柜及上位监控PC机五部分组成。本设计主要有三大部分内容:

1模糊PID控制算法的实现：

其中模糊PID控制算法是重点也是难点。模糊PID控制算法的编写与模拟要用到MATLAB软件,算法中需要的数据要在THPCAT—2型现场总线控制系统实验置上来测得。

图2 模糊PID控制回路

2组态界面的实现：

本系统采用MCGS 组态软件［16］实现模糊PID控制器， 对整个系统进行实时监控。MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件,帮用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能.MCGS组态软件所建立的下程山主控窗口、设备窗口、用户窗C7 ，实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同特性。

3软件界面模拟：

PID控制要取得较好的控制效果，就必须通过调整好比例、积分和微分二种控制作用。形成控制量中既相互配合又相互制约的关系，这种关系不一定是简单的“线性组合”，从变化无穷的非线性组合中可以找出最佳的.神经网络所具有的任意非线性表达能力,可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制.采用模糊PID 控制的下水箱液位较常规PID 控制具有响应速度快， 且能较

快地达到稳定, 从而改善系统的性能。

图3 MCGS组态软件构成

5设计进度安排

2013.2.27~2012.3.18: 明确设计任务,查阅相关的参考文献资料，完成开题报告;

2013。3.19～2013.4。8： 给出基于组态软件的双容水箱液位监控系统总体方案并确定；

2013.4.9～2013.4。27： 进行基于组态软件的双容水箱液位监控系统虚拟对象组态设计；

2013.4.28～2013。5.19： 进行窗口界面组态设计; 2013。5。20~2013。6。9: 进行控制信号界面组态的设计；

2013.6。10~2013.6.15： 撰写设计说明书，进行计算机绘图；准备答辩。

6主要参考文献

[1］金以慧. 过程控制［ M] 。 北京: 清华大学出版社， 2008: 103􀀁122。 [2]刘紫刚,贾永盛.浅议水箱液位控制系统研究。科技创新导报。2011。25 [3]赵科．三容水箱的模糊自整定PID控制［J］．电力科学与工程,2007,23（1)：33—36．

［4］劳深，付凯波，高国章。双容水箱液位控制系统的设计。交通科技.2011。3

［5]THOMAS HECKENTHLAER,SEBSATIAN ENGELL．Approximately Time Opitmal Fuzzy Conrtol of a TWO-Tank System[J]．IEEE Conference On Control

Applications（ISSN0272—1708)，1994，3（14)：24-30．

[6］TE0D0R MRA C U，LETITIA MIREA，ATITLA KLOSZ．A Neural Network ADDroach to Robust Model Based Diagnosis of Faults in a Three—Tank system［C]．IEEE Proceedings of the Intem aitonal Symposium on Corn-—puter-Aided Conrtol System Design (ISBN0 7803-3032—3）。1996.111-116

[7］吴兴纯，杨秀莲,赵金燕，杨燕云.基于FX_（2N)系列PLC的双容水箱液位控制系统的设计。电子设计工程。2011。14

［8］刘玲，董海鹰．三容水箱的单神经元白适应PID控制研究［J］．信息技术,2008（8）：132—133．

[9］李兵，方敏，汪洪波．模糊PID液位控制系统的设计与实现［J］．合肥工业大学学报，2008，29(11)：1370．1374．

[10]孙红英,颜德文,李文武．基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制［J］．电气应用，2008，25(8）：97-99．

[11］TENG T K,SHIEH J S，CHEN c S．Genetic algorithms applied in online autotuning PID parameters of a liquid-level control system[

J]．Transactions ofthe Institute ofMeasurement and Control，2008，25（5）：433450．

[12］庞启洋，邵雪卷，张井岗．基于dSPACE的双闭环直流调速系统［J]．太原科技大学学报，2008，29（5)：363-365．

[13］王书,毕效辉，张琦．基于dSPACE的过程控制算法研究[J］．微计算机信息．2007，23（6）：52-54．

［14］ 刘金琨. 先进PID 控制及其MATLAB 仿真［M］。 北京：电子工业出版社， 2008.

［15]李明伟， 等。 模糊液位控制器的设计与MATLAB 仿真［ J］. 自动化技术与应用, 2008, 25（ 6） ： 21- 22.

[16] 孙亚灿， 吴兴华。 模糊自适应PID 算法在MCGS 中的实现［ J］ . 控制工程， 2007, 14( 2) ： 157􀀁160。