(2) 预测控制
预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法。它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略,体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。
(3)
自适应控制
在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。目前，比较成熟的自适应控制分三类：A、自整定调节器及其它简单自适应控制器；B、模型参考自适应控制；C、自校正调节与控制。自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一步解决的问题(特别在参数估计方面)，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难。
(4)
智能控制
随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。智能控制对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。智能控制在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应用。在国内外，模糊控制与人工神经元网络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。
1.3 PID控制的历史和发展现状
PID控制技术的发展可以分为两个阶段。20世纪30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个
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阶段为发明阶段 (1900～1940)PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际PID控制器的结构设计上。1940年以后是第二阶段——革新阶段。在革新阶段，PID控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制，PID控制器的体积逐渐缩小，性能不断提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献，甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出的是，1939年Taylor仪器公司推出的一款带有所谓“Preact”功能的名为“Fulscope”的气动控制器以及同时期Foxboro仪器公司推出的带有所谓“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的PID控制器。“Pre-act”与“Hyper-re-set”功能实际都是在控制器中加入了微分控制。PID控制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有削弱 PID控制器的应用，相反，新技术的出现对于PID控制技术发展起了很大的推动作用。一方面，各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之中，或者是用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器，PID控制技术被注入了新的活力。另一方面，某新控制技术的发展要求更精确的PID控制，从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。
总结近年来PID控制的发展趋势，可以将PID控制的发展分为两个大方向：传统PID控制技术的继续发展和各种新型控制技术与PID控制的结合。传统PID控制的发展包括自整定技术，变增益控制和自适应控制。传统PID控制的发展可以改善PID控制的效果,使PID控制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提高。各种新型控制技术与PID控制的结合包括新控制技术应用于PID控制器的设计与整定之中，或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器。诸如模糊控制、神经网络等新型控制技术与PID控制的结合扩大了PID控制器的应用范围，对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统PID控制器难以有效控制的情况收到了很好的效果。
在生产过程自动化控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。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式。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然
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是得到最广泛应用的基本控制方式。
PID控制具有以下优点： 1) 原理简单，使用方便。
2) 适应性强，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。按PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。系统中所用的PLC是S7-300系列的PLC，其中配有PID的控制模块和专门的PID控制功能指令，方便进行PID控制。
3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
在连续生产过程计算机控制系统中，一般采用两种PID控制算法：一种是含有理想微分的PID控制，另一种是含有实际微分的PID控制。
1.4 论文的研究内容
本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-300可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。
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第2章 S7-300中小型PLC和控制对象介绍
2.1 西门子PLC控制系统
西门子的中小型PLC S7-300系列采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统。模块式PLC由机架和模块组成，S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。
S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，可以和计算机连接，PLC作为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大为4096个，由于使用Flash EPROM，CPU断电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使S7-300成为完全无维护的控制设备。
S7-300系列PLC的主要特点是： （1） 功能强
? 极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过SIMECLAMS联网
的网络功能，使S3-300功能更强。
? 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系
统和无槽位限制的模块化结构。
? 快速，极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。
（2） 通用，着眼未来
? 满足各种要求的高性能模块和三种CPU适用于任一场合。 ? 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。
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? 用于与SIMATIC其他产品相连的接口，集成了MMI(人机界面)设备，
用户友好的Windows STEP7编程，使得S7-300成为对未来的安全投资。
2.1.1 CPU模块
S7-300 PLC有CPU 312IFM、CPU 314、CPU 314IFM、CPU 315/315-2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP等8种不同的处理单元可供选择。CPU 314IFM带有集成的数字和模拟输入/输出模块的紧凑型CPU，用于要求快速反应和特殊功能的装备。CPU 313、CPU 314、CPU 315模块上不带集成的I/O端口，其存储容量、指令速度、可扩展的I/O点数、计时器/定时器数量、软件块数量随序号的递增而增加。CPU 315-2DP、CPU 316-2DP、CPU 318-2DP都具有现场总线扩展功能。
系统选用的CPU模块为CPU 313。它内置20KB RAM，最大可扩展256KB FLASH-EPROM存储卡，有12KB随机存储器，位操作、字操作、定时加、浮点加时间分别为0.6s、2s、3s、60s，最大模拟量I/O通道数为32个，最大配置1个机架8块模块，使用的是软件时钟，有定时器64个，位存储器2048bit，可用模块：组织块(OB)13个，功能块(FB)128个，功能调用(FC)128个，数据块(DB)127个，系统数据块(SDB)6个，系统功能块(SFC)34个，系统功能块(SFB)没有。CPU 313是具有更大存储器、低成本的解决方案。
S7-300的CPU模块的方式选择开关都一样，有4种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制选择。
1) RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，既可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中，用编程装置可以监控程序的运行。在此位置钥匙不能拔出。
2) RUN：运行方式。CPU不扫描用户程序，可以用变成装置读出并监控PLC的CPU中的程序，但不能改变装置存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙，防止程序正常运行时被改变操作方式。
3) STOP：停止方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU中。在此位置可以拔出钥匙。
4) MERS：该位置瞬间接通，用以清除CPU存储器。CPU模块面板上有6个LED指示灯，显示运行状态和故障。
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