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上水箱 V4 PLC HT V5 电动阀 增压泵 1V10 储水箱 图3.2 双容水箱液位控制系统 下水箱 3.2 PID控制算法
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等[11]。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 PID控制基本原理图，如图3.3所示。
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P r(t) I + + 对象 y(t) D 图3.3 PID控制基本原理图 PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：e(t)?r(t)?y(t)。
PID控制规律为：
1de(t)U(t)?Kp[e(t)??e(t)?Td]
Ti0dt或以传递函数形式表示：
U(s)1?kp(1??Tds) E(s)TistG(s)?式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
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（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零[16]。
所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性[7]。
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4 双容水箱液位控制系统的硬件设计与软件设计
双容水箱液位控制系统中的硬件构成主要包括：控制对象水箱，检测元件压力变送器，执行元件电动调节阀，送水的家用增压泵以及最后的控制元件PLC，而这些硬件设备都将进行选型工作，这也是针对本次课题研究的重要的一部分。最后系统通过采用MCGS软件，把指令传给PLC，由PLC对装置进行控制。装置中的各参数返回PLC中，通过读寄存器显示在计算机的界面上[15]。
4.1 设备选型
4.1.1 水箱
水箱是储藏水的容器，根据课题要求，决定采用上下水箱高为41CM的方形水箱即可，选用高联GO-Link水箱。储水箱的作用是为了给泵提供水源，储水箱、泵和水箱构成一个循环使用的系统。 4.1.2 水泵
在整个双容水箱系统中，泵就是用来抽水和送水的，它将储水箱中的抽出，并且送入到上水箱中。水泵的选型需要考虑到介质的特性、温度、流量、压力和扬程等参数。根据课题要求，首先应选择常用的50hz型家用水泵，价格不但便宜，还容易安装；其次，由于系统的介质是水，属于常温状态，同时不易生锈；因为需要从下面的储水箱往上送水，就需要一定的流量，并且扬程应当大于6m以上；最后作为电机元件，那必须要能安静运行，以免影响他人。
通过上述分析，决定采用丹麦格兰富的家用增压水泵，型号为UPA 120 AUTO，该水泵输出功率为250W,电压220V,扬程最大12.5m,流量为3.5吨/小时，频率50HZ，电容6uF,最大承受压力0.6Mpa。其主要特点：
（1）因为该水泵结构紧凑，外形朴实； （2）体积小巧，仅有5KG；
（3）运行及其可靠，使用维修方便；
（4）泵体经阴极电泳处理，保证水泵不会生锈； （5）过水部件的材料是不锈钢，保证不污染水质； （6）采用先进的水润滑技术，保证水泵运行极其安静。
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4.1.3 电动调节阀
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执行元件:执行单元是1个电动调节阀，是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自PLC输出的信号，并转化成为电动阀的开度以改变上水量的大小，从而控制流入或流出被控制过程的物料或能量，实现过程参数的自动控制[10]。调节阀的选型主要考虑以下几点：
（1）调节阀结构形式的选择
常用的调节阀结构形式有：直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、 蝶阀、全功能超轻型调节阀、球阀等。应当根据不同的使用情况，结合不同结构形式阀门各自的特点，从调节性能、适用温度、适用口径、耐压、适用介质条件、切断差压、泄流量、压力损失、重量、外观和成本等方面对调节阀的结构形式进行选择。
通过对课题要求的研究，可以知道需要对液位进行控制，所以整个系统环境应当属于泄漏量小的场合，同时还需要有一定的精度；阀前后压差值较小。因此决定使用直通单座的阀结构形式。
（2）调节阀执行机构的选择
执行器按其使用的能源不同可以分为气动、电动和液动三大类。同时按执行机构输出位移的类型，执行机构又分为直行程执行机构和角行程执行机构，直行程执行机构输出直线位移；角行程执行机构输出角位移。
通过对课题内容的研究，可以知道装置实验管路环境无可燃性危险气体，而且希望采用工控机输出4-20mA电流的方式对调节阀的开度值进行控制，要求阀门的开度能够随工控机输出电流的增大而增大，随输出电流的减小而减小。因此决定选用电动执行机构，并使用直行程。
（3）调节阀流量特性的选择
调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。固有特性又称调节阀的结构特 性，是由生产厂制造时决定的，其特性曲线的测定是在阀门前后差压保持不变的条件下测定的。但调节阀在工作管路中使用时，由于管路系统阻力分配情况随流量变化，调节阀的前后差压也发生变化，这样就使调节阀的流量特性曲线相对于其固有特性曲线发生了畸变，此时的流量特性即为调节阀的工作流量特性。调节阀常见的流量特性曲线有快开、等百分比、直线三种形式。