1．目的及意义

1．目的及意义

1.1研究背景

过程控制在我国现代化建设中具有不可替代的地位。改革开发以来，随着科学技术的发展，过程控制产生巨大的变化。大致可分为局部自动化、综合自动化和全盘自动化等阶段。在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。双容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双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容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，双容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。

液位控制就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制，从而使液体的高度保持在所希望的数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及，对此进行研究有很高的实用价值。目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。
1.2PID控制技术发展与现状
在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915一1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。
1.3双容水箱液位系统国内外研究现状

德国Amira自动化公司研制的双容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。

国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。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。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容

图1 控制系统组成

本次设计是基于PID算法的水箱液位控制系统设计，是基于STC89C2单片机设计的，其主要构成有上水箱、下水箱、储水箱、调节阀、液位传感器、控制器。设计重点是上下水箱模型的建立，PLC编程特别是PID指令的使用与参数整定，计算机人机界面开发以及控制器及测控系统的仿真。

2.2研究目标

通过人机交互界面显示水箱液位，实现整个系统的仿真，出现扰动后可以及时作出控制，将液位控制在确定的范围内。上位机将采集到的数据进行实时显示、后续处理等，便于用户操作观察。

2.3研究拟采用的技术方案及措施

本次毕设首先通过液位传感器检测水位信号，然后经过放大、滤波、A/D转换电路，将杂乱的模拟电压信号转换成有序的数字信号。数字信号通过微处理器进行分析处理，同时，将信号传输到PID控制器，然后将液位维持在一定范围内。上位机将采集的数据进行实时显示、后续处理等。双容水箱液位串级控制系统如图2.

图2 双容水箱液位串级控制系统

3. 参考文献

[1] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真[M] 第3版.北京：电子工业出版社, 2011.

[2] 潘永湘，杨延西，赵跃.过程控制与自动化仪表[M]. 第2版.北京：机械工业出版社, 2012

[3] 金以慧，王诗宓，王桂增. 过程控制的发展与展望[J]. 控制理论与应用 1997, 2:145-151

[4] 俞金寿，孙自强. 过程控制系统[M]. 第2版.北京：机械工业出版社, 2015

[5] 张德丰. MATLAB控制系统设计与仿真[M].北京：电子工业出版社, 2009

[6] 李昕. MATLAB数学建模[M].北京：清华大学出版社, 2017

[7] 刘文定，王东林.过程控制系统的MATLAB仿真[M].机械工业出版社，2009.

[8] 双容水箱液位控制系统设计[J]. 卢春华,石峰,范六灿. 山东工业技术. 2018(13)

[9] 戴蓉.传感器原理及应用.北京：电子工业出版社，2013

[10]曹刚 PID控制器参数整定方法及其应用研究[D].浙江大学 2004．

[11] Yu M , Jia H L , ChenP J . The Research on the System of Double-Holding Water Tank Liquid LevelControl with the PID Control[J]. Advanced Materials Research, 2014,945-949:2559-2562.

[12] Kiam Heong Ang, GregoryChong, Student Member, IEEE, and Yun Li, Member, IEEE PID Control SystemAnalysis, Design,and Technology

[13] Souza Granja Barros,J., Rossi, L., amp; Sartor, K. PID temperature controller in pig nursery:improvements in performance, thermal comfort, and electricity use. InternationalJournal Of Biometeorology,2016，60(8), 1271-1277.

[14] RevathiS, Radhakrishnan T K, Sivakumaran N. Climate control in greenhouse usingintelligent control algorithms[C].American Control Conference. IEEE,2017:887-892.

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1．目的及意义

1．目的及意义

1.1研究背景

过程控制在我国现代化建设中具有不可替代的地位。改革开发以来，随着科学技术的发展，过程控制产生巨大的变化。大致可分为局部自动化、综合自动化和全盘自动化等阶段。在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。双容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双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容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，双容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。

液位控制就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制，从而使液体的高度保持在所希望的数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及，对此进行研究有很高的实用价值。目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。
1.2PID控制技术发展与现状
在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于1915一1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。
1.3双容水箱液位系统国内外研究现状

德国Amira自动化公司研制的双容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。

国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。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。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容