论文总字数：27573字

摘 要

双容水箱系统，究其根本就是通过传感器及控制和执行元件来实现对工作系统的液位控制，期间还会运用比较高级的控制算法的过程控制系统。双容水箱系统由于自身系统的非线性、滞后性，所以在工业上是一种常见的非常典型的控制系统，大部分控制对象其实都可以类比为双容水箱系统的原理模型，因此，双容水箱系统在学术实验上具有较高的研究意义，在工业生产上也具有重要的参考价值。

本文首先对双容水箱系统的实验装置进行了机械结构方面的设计，完成双容水箱系统的Solidworks的建模，并用CAD完成图纸的输出。在建立双容水箱的数学模型后，用Simulink软件进行仿真，观察和理解双容水箱模型的特性。最后运用EtherCAT测试测量系统的高效性、精确性、便捷性实现对双容水箱液位的控制，完成系统主站和从站的设计，并在Simulink和TwinCAT上完成仿真和交互运行方案的模拟，取得了良好的控制效果。

关键词：双容水箱；EtherCAT；液位控制；TwinCAT

Abstract

The dual-capacity water tank system is basically to realize the liquid level control of the working system through sensors and control and execution components. During the process, a more advanced control algorithm process control system will also be used. Due to the non-linearity and hysteresis of its own system, the double-capacity water tank system is a common and very typical control system in industry, most of the control objects can actually be compared to the principle model of the double-capacity water tank system. Therefore, the double-capacity water tank system has high research significance in academic experiments and also has important reference value in industrial production.

This paper firstly designed the mechanical structure of the experimental device of the dual water tank system, completed the modeling of Solidworks of the dual water tank system, and used CAD to complete the output of the drawings. After establishing the mathematical model of the dual-capacity water tank, use Simulink software for simulation to observe and understand the characteristics of the dual-capacity water tank model. Finally, the efficiency, accuracy and convenience of the EtherCAT test and measurement system are used to realize the control of the liquid level of the double water tank. Completed the design of the system's master station and slave station, and completed the simulation and interactive operation program simulation on Simulink and TwinCAT, and a good control effect is got.

Key Words：Double.capacity water tank; EtherCAT; liquid level control; Matlab; TwinCAT

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1关于双容水箱的具体定义及探究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1双容水箱系统近年的研究现状 1

1.2.2 EtherCAT技术研究现状 2

1.2.3双容水箱控制技术研究现状 3

1.3论文的主要研究内容及目标 4

1.3.1研究的基本目标 4

1.3.2研究的内容 4

1.4拟采用的方案及技术措施 5

1.4.1 系统设计方案 5

1.4.2 基本硬件选型 5

1.4.3 技术路线 6

第二章 双容水箱控制系统机械机构设计 7

2.1 基于双容水箱系统的需求分析 7

2.2 上水箱及下水箱的结构设计 8

2.2.1 水箱材料的选择 8

2.2.2 上水箱及下水箱的设计 8

2.3 上水箱及下水箱的支撑底座结构设计 9

2.3.1 上水箱底座的设计及强度校核 9

2.3.2 下水箱底座的设计及强度校核 11

2.4 其余零件的选型及设计 12

2.4.1水泵的选型 12

2.4.2 外壳框架的选型 13

2.5 双容水箱系统机械结构装配设计 14

2.6 本章小结 14

第三章 双容水箱系统模型仿真 15

3.1 双容水箱系统数学建模 15

3.1.1 一级水箱建模 15

3.1.2 双容水箱建模 17

3.2 一级水箱控制系统Simulink仿真 18

3.2.1 Simulink软件介绍 18

3.2.2 一级水箱的仿真 19

3.3 双容水箱控制系统Simulink仿真 20

3.3.1 PID控制器的设定 20

3.3.2 双容水箱的仿真 21

3.3 本章小结 22

第四章 基于EtherCAT的双容水箱控制系统设计 23

4.1 EtherCAT技术介绍 23

4.1.1 EtherCAT的通信原理 23

4.1.2 EtherCAT协议的工作原理 23

4.1.3 系统总体控制方案 24

4.2 基于EtherCAT的双容水箱主站设计 24

4.2.1 PLC逻辑程序的编写和运行 24

4.2.2 HMI界面设计 26

4.3 基于EtherCAT的双容水箱从站设计 27

4.3.1 PWM 技术对电机驱动的控制方法 27

4.3.2 主从站连接相关配置 28

4.4 Simulink与TwinCAT交互运行 28

4.5 本章小节 29

第五章 结论 31

参考文献 32

致谢 33

附录 35

1. 绪论

1.1关于双容水箱的具体定义及探究意义

双容水箱^[[1]]是一种非常经典的非线性、具有时间延迟特性的动态系统，在工业上的很多液位控制系统都是运用了双容水箱系统的工作原理，其代表性显而易见。在进行工业锅炉生产和运用工业结晶槽等工业生产活动时，双容水箱在其工业生产中对液位系统的控制方案和工作原理，都具有非常高的参考价值和指导意义。同时，双容水箱系统的控制原理还可以给更复杂的液位系统提供研究基础，因为它比较完善的理论，所以可以定义为应用基础研究。不仅如此，双容水箱系统还包括了流体力学、自动控制、智能液位控制等多个领域的内容，具有较强的综合性，可以作为基础理论而进行研究。

双容水箱系统^[[2]]在工业生产和工业制造上有较强的代表性和实用性，在学科研究和理论基础学习上，双容水箱也具有非常重要的研究意义和参考价值，这都是因为它具有以下特性:

1、我们常见的双容水箱系统，一般来说有三个可以控制进水和出水的阀门，可以改变相应阀门的开启或关闭，使系统构成一阶水箱系统或二阶水箱系统；

2、由于双容水箱系统具有非线性和时延性等特性，所以它在非线性系统的判定和控制等领域具有较高的研究价值；

3、双容水箱系统可以通过相关硬件和控制设备实现对水箱的单回路控制、串级控制和复杂过程控制等操作，从而给其他控制系统的研究和设计提供参考经验和理论支持；

4、双容水箱系统还能给开发先进的控制算法提供较为完善的实验平台，可以通过计算机的编程来实现对双容水箱这个实验对象的液位控制；

5、如果在工作过程中，阀门的状态意外改变，也会出现较多较复杂的故障情况，所以它也给故障诊断、排查与控制的研究提供了较好的研究对象和实验平台。

1.2国内外研究现状

1.2.1双容水箱系统近年的研究状况

德国的Amira公司在前几年研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一^[[3]]， 在这个实验设备推出市场后，国外的很多名牌大学和著名实验室就对这个系统进行了引用和研究，并取得到了相关研究成果和实验数据，但这个设备的价格实在是太昂贵了，国内也只有清华大学、浙江大学、吉林大学等高等学府购买了该公司的实验设备，用于对双容水箱系统进行算法的研究和实验仿真，所以说，基于这个现况，在国内对双容水箱系统的研究与应用还是和世界水平存在一定差距的。

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