液位自动控制系统的研究毕业设计论文 推荐.docx

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液位自动控制系统的研究毕业设计论文推荐

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

TheResearchofTheWaterLevelAutomaticControlSystem

Abstract

Thewaterlevelcontrolsystemdesignisatopic,whichallowsstudyoftheprinciplesofprocesscontrolastheprocessvariables,forexamplethelevelandflux,tobemeasured,controlledandobservedforitsvariabilityduringthesimulationprocessofmodemindustrialmanufacture.Ithasthecommoncharacteristicofdynamicprocessinprocesscontrolsuchasgreatinertia,largerdelay,nonlinearanddifficulttobecontrolledprecisely,sothatitbecomesaperfectobjectinthefieldofcontroltheoryandcontrolengineering,processcontrolteaching,testingandstudy.

Thistopicfirsthasmadethewholeanalysistothewaterlevelcontrolsystemandsimplyintroducesthewaterlevelsystemcontrolplatform,thenintroducesthePLCprogrammablecontrollerindetailandamplyanalysesthePIDcontrolandthecascadePIDcontrolwhichbasedonPLC.Itintroducesthecascadecontrolsystemcharacteristicandthehostvice-returnroutedesignindetail.Thetwo-tankwaterlevelcascadecontrolsystemhasbeendesigned.ThenitcarriesonthePIDparameterby4:

1decaycurvelaw;finallythewatercontrolsystemexperimenthasbeendonebythetheoreticalanalysis.Theexperimentalresultindicatesthesystemhasthefinecontrolprecisionandthestability.

Keywords:

waterlevelcontrolsystem,PLC,PIDcontrol,cascadecontrol

1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（UniversityofDuisburg）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。

文献[9]中NouraHassan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TsudaK.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（GeneralAdaptiveFilteringAlgorithm），并在双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（ExtendedMPC）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（ZeroInputResponse）和ZSR（ZeroStateResponse）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。

1.3PID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（overshot）、上升时间（risingtime）、过渡过程时间（settlingtime）、积分误差（如IAE、ISE、ITAE）等；另一类是频域性能指标，如增益裕度（GainMargin）、相角裕度（PhaseMargin）等。

时域性能指标虽然很好的展现了控制器某一方面的性能，但显然它忽视了控制系统一个很重要的方面——鲁棒性（Robustness），我们知道，我们所用的数学模型往往是不精确的，实际情况是，对象或过程往往是时变的，难于建立精确的数学模型，因此，基于精确的数学模型的控制器整定或设计方法通常是不鲁棒的，在进行控制器设计和比较时，我们不仅要看时域性能的好坏，而且也要考虑频域鲁棒性。

在频域性能指标中，最常用的是增益裕度和相角裕度，它们可以反映对象的不确定性，在很多情况下是很好的鲁棒性能尺度，Ho等人研究了一些著名的PID整定公式的增益裕度和相角裕度,得出一些结论:

在基于复合（load-based）的整定方法中,增益裕度一般为1.5,相角裕度从30变化到60度；在基于设定点（setpoint-based）的整定方法中,增益裕度一般为2，相角裕度在65度左右，但遗憾的是，作为鲁棒性能指标，增益裕度和相角裕度是相关的，有些时候表现出了矛盾的一面，而且，增益裕度和相角裕度也不适用于多变量过程。

因此，我们有必要发展新的鲁棒性能尺度以克服上述的缺陷[17-18]。

1.4本文的主要工作

本文以二阶水位控制系统为研究对象，对其特性进行整体分析。

然后介绍了PLC可编程控制器的基本常识并设计出水位控制系统基于PLC的PID控制、PID串级控制，并用PLC程序实现了其控制算法。

具体内容如下：

（1）绪论主要介绍本课题的研究内容、水位控制系统研究现状，PID控制的特点及尚未解决的问题，以及本课题所做的主要工作。

（2）水位控制系统的整体分析，并介绍了相应的控制平台。

（3）对PLC可编程控制器作了介绍.

（4）控制系统基于PLC的PID控制，串级PID控制的研究与实现。

（5）根据理论知识做出水位控制系统实验，对串级PID控制的调节过程进行分析。

（6）总结和展望对已完成的工作进行总结，并对今后的工作提出建议。