中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
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。双容水箱控制[6]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，国内也有包括清华大学、浙江大学、等高校。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数学模型，具有较强的代表性和工业背景，对双容水箱建模是非常有意义的。同时，双容水箱的非线性，时滞对象是比较典型的可抽象成的数学模型[7]，许多被控对象的整体或局部可抽象为水箱模型，具有很强的代表性和产业背景，对双容水箱建模是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模的研究和控制在工业生产上对液位控制系统的研究策略具有重要的指导意义，如工业锅炉液位控制，结晶器等的液位控制。而两个水箱控制可用于研究复杂的非线性系统，具有较强的理论基础，属于基础研究与应用。同时，它还具有很强的综合性，涉及的控制理论，智能控制理论，流体力学等学科。
水箱液位控制系统[8]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[9]，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[10]、基于线性模型的模糊控制[1]、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，采用微分先行的串级控制技术、PLC控制器、MCGS软件组态[4]实现了双容液位的高精度控制盒实时显示。
液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的 PID 控制器为主，只能适应一般的控制系统，而不能控制滞后、复杂、时变温度系统。然而适应于较高控制场合的智能化[11]、自适应控制仪表，国内技术还不够成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表很少。由于工业过程控制的要求，特别是在微电子技术和计算机技术领域的迅速发展以及自动控制理论和设计方法发展的推进下，国外液位控制系统发展迅猛，并在智能化、自适应和参数自整定等方面取得不错的成果，在这方面，以日本、美国、德国、等国技术领先，生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器，并在很多行业广泛应用。
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2系统设计说明
2.1要求
以西门子S7-200PLC为基础，设计一个可以控制双容水箱液位的控制器，具体设计任务如下：
1.以S7-200PLC为控制核心，利用液位变送器的液位信息通过PID控制算法自动控制电动调节阀控制双容水箱的液位；
2.要求该控制器使用西门子触摸屏，可以在触摸屏上直接读取水箱液位和电动调节阀的当前状态，并能通过触摸屏设置各种参数、手动或自动控制双容水箱的液位；
3.要求查阅相关资料进行方案论证，确定设计方案； 4.根据设定方案确定所需各元器件型号和参数，要求画出电路原理图，做出硬件电路，最终由硬件和软件实现所要求功能；
5.撰写毕业设计报告及论文。
2.2作用说明
本系统以西门子S7-200PLC为基础，对双容水箱系统的液位进行控制。通过建立水箱的数学模型，对双容水箱系统进行直观的分析，上、下水箱液位变送器测量到水箱液位信号送入EM235模块经过A/D转换[12]后供PLC读取，PLC读取下水箱液位后经过处理与主回路的设定值比较得出偏差，进行PID运算，主回路PID运算之后的输出作为副回路的给定值，并将其与上水箱的水位数据在进行运算。获得4--20 mA的电流输出信号，电动调节阀接收到该信号后改变阀门开度，从而调节上水箱的流入量最终达到控制下水箱液位[13]的目的。该系统采用西门子触摸屏作为控制器，PLC与触摸屏之间通过通信电缆实现通信。
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3系统设计研究
3.1系统建模
数学模型是一种模拟，是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属
性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。数学模型一般并非现实问题的直接翻版，它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析，又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模[14]。在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。 3.1.1数学模型建立方法
建立数学模型主要有两种方法：机理建模法和实验建模法
机理法：依据对象的特征和建模的目的，对问题进行必要、合理的简化，用准确的语言做出假设，可以说是建立数学模型的关键一步．一般地说，一个实际问题不经过简化假设就很难模拟成数学问题，即使可能，也很难求解．不同的简化假设会得到不同的模型．假设做得不够合理或过分简易，会导致建模的失败或部分失败，于是应该修改和补充假设；假设作得非常详细，意图把复杂因素的各方面都考虑进去，可能使你很难甚至无法继续下面的工作．通常作假设[15]的依据，一是出于对问题规律的研究，二是来自对数据或者现象的分析，也可以是二者的综合．作假设时既要运用与课题相关的物理、化学、生物、经济等学科的知识，又要充分发挥自己想象力、洞察力，善于辨别问题的主次，果断地抓住重要的因素，舍弃次要的因素，尽量将问题线性化、均匀化．经验在这里也起到了重要作用．做出假设时，语言要准确，就像做题时写出已知条件那样，根据所作出的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学知识，构造各个量之间的关系式。这里除需要一些相关学科的知识外，还通常需要较多的应用数学方面的知识，以开拓思路。当然不能要求对数学学科样样精通,而是要知道这些学科能解决哪一类问题以及大体上怎么解决的。相似类比法，即依据不同对象的某些相似性，运用已知领域的数学模型，也是构造数学模型的一种方法．建模时还应遵循的一个原则就是，尽量采用简单的数学方法，因为我们建立的模型总是
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希望能有更多的人了解和使用,而不是只供少数人鉴赏，可以采用解方程、图形、证明定理、逻辑运算、等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术对模型解答进行数学上的分析，有时要依据问题的性质分析变量之间的关系或稳定情况，有时是依据所得结果给出数学上的知识，有时则可能要给出数学上的最优决策或控制，不论哪种情况还通常需要进行误差的分析、模型[5]对数据稳定性或灵敏性的分析等。把数学上分析的结果模拟回到实际问题，并用实际的现象、数据进行比较，检验模型的合理性和适用性．这一步对于建模的成败是异常重要的。当然，有些模型不可能要求接受实际的检验了．模型检验的结果如果不符合或者一部分不符合实际，问题常常出在模型假设上，应该修改、补充假设，重新建模．有些模型要经过几次反复，不断完善，直到检验结果获得某种程度。应用的方式自然取决于问题的性质和建模的目的。当然并不是所有建模过程都要经过这些步骤，有时各步骤之间的界限也不是那么明确。建模时不应拘泥于形式上的按部就班。
实验法：实验建模原则上是把被研究对象看作为一个黑箱，通过试驾不同的输入信号，研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系，估计出系统的数学模型，这种方法也可称为系统辨识方法或者黑箱方法。 3.1.2双容水箱系统的特点
（1）双容水箱系统可以构成串级控制系统。单回路控制系统、复杂过程控制系统等，从而对其他控制系统的研究提供可靠对象；
（3）通过改变阀门的开关状态可构成灵活多变的系统，如二阶和一阶系统等； （4）因为双容水箱系统主要通过计算机来控制的，因此可由编程实现各种控制算法来对水箱系统的控制，这就提供了一个良好的实验平台来对控制算法进行研究 （5）在控制过程中随时改变阀门的状态，从而模拟故障的发生，这就为故障诊断的研究提供了实验平台。 3.1.3双容水箱数学模型建立 （1）单容水箱数学模型
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Q1水箱HQ2V-2
图1 单容水箱系统构成
单容水箱系统结构如图1所示,水不断流入水箱,同时水在水箱中不断流出。水的流入Q1由变频器控制泵控制调整,流出Q0由用户的需要改变负载阀R。水位H为被控量,它反映了流入和流出的水之间的关系。显然液位的变化在任何时候都满足物质平衡方程如下:
Q1?Q0?A其中
Q1?K （1-2） uu Q0?kH （1-3）
其中A为容器的横截面积，Ku是取决于调节阀的阀门特性的系数，可以设定它是常数；K是载阀开度相关系数，在负载阀门开度不变的情况下，k可看作是一个常数。将式1-1化成增量形式为
?Q1??Q0?A d?Hd?H?C （1-4） dtdtdH （1-1） dt式中，分别为偏离某一平衡状态的增量，H为水箱横截面积。
由于到水位值在其稳定值附近的变化比较小，故由式1-2,2-3可近似认为
?Q1?Ku?u （1-5）
?Q0?式1-4可变为
k （1-6） 2H06