基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计双容水箱

#大学本科生毕业论文（设计）本科毕业论文(设计)题 目：基于组态王 6.5 的串级 PID 液位控制系统设计学 院： 专 业： 自动化 姓 名： 指导教师： #大学本科生毕业论文（设计）摘 要开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验内容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验内容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。本文通过对当前国内外液位控制系统现状的研究，选取了 PID 控制、串级 PID 控制等策略对实验系统进行实时控制；通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识；利用工业控制软件组态王 6.5，并可通用于 ADAM 模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。关键词：双容水箱液位控制系统 串级PID控制算法 组态王6.5 智能调节仪AbstractIt is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching.Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as real-time control of experiment system.Industrial control software configuration king 6.5 is used in experiment, ADAM module and boards, etc can also be suitable for this experiment, through a variety of control module on the device in the experiment verified experimental realization, experimental system has good expansibility and openness.Key Word Double let water tank liquid level control system Cascade PID control algorithm Configuration king 6.5 Intelligent adjusting instrument#大学本科生毕业论文（设计）目 录前 言 .1第一章 串级液位控制系统介绍 .21.1 国内外研究现状 .21.1.1 液位控制系统的发展现状 .21.1.2 液位控制系统算法的研究现状 .21.2 PID 控制算法的介绍 .31.2.1 PID 控制算法的历史 .31.2.2 PID 控制各环节作用 .41.3 串级控制系统介绍 .41.4 本文的主要工作 .4第二章 水箱液位控制系统的建模 .62.1 水箱液位控制系统的构成 .62.2 水箱的建模过程 .72.2.1 单容水箱的建模过程 .72.2.2 二阶双容水箱的对象特性 .82.3 水箱液位控制参数辨识方法 .112.3.1 单容上水箱的参数辨识 .112.3.2 二阶双容水箱的下水箱对象参数辨识 .122.4 水箱液位 PID 参数整定方法 .142.4.1 上水箱液位的 PID 整定 .142.4.2 主回路和副回路的 PID 参数整定 .15第三章 组态王 6.5 简介与操作界面的设计 .17#大学本科生毕业论文（设计）3.1 组态王 6.5 简介 .173.2 基于组态王 6.5 的液位控制系统上位机部分设计 .183.2.1 建立新工程 .183.2.2 定义外部设备 .193.2.3 动画设计 .213.2.3 组态王 6.5 的控件中选择历史曲线绘制 .23第四章 设计实验 .244.1 设备的连接和检查 .244.2 系统连线 .244.3 实验步骤 .25第五章 总结与展望 .30谢辞 .31参 考 文 献 .32#大学本科生毕业论文（设计）#大学本科生毕业论文（设计）0前 言随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产的规模越来越大，结构也越来越复杂，从而使控制对象、控制器以及控制任务和目的日益复杂，而对系统的精度、响应速度和稳定性的要求却越来越高。但是，当前的学术理论研究成果明显滞后于实际生产中的应用，两者相差甚远。在我国，看似成熟先进的控制理论，其研究往往仅局限于高校或科研机构这一狭小的范围内，而远离了实际生产这个广阔的实验平台，尤其是最近几年，国内一些控制领域的研究已接近甚至超过了国外同领域水平，然而就实际应用的状况来讲，与国外相比却存在明显差距。最重要的原因就是理论研究缺乏实际背景的支持，先进理论的算法一旦应用到实际工业生产就会出现各种各样的问题，制约了其进一步的发展与应用。在现阶段尚不具备在实验室中真实复现实际工业生产过程的条件下，利用具有典型对象特性的实验装置将是一件探索将理论成果转化为实际应用的有力武器。课题研究的双容水箱液位控制系统实验装置是以水箱的液位为控制变量，来模拟实际工业控制领域中的过程控制系统，该实验装置在国内外很多高校的实验室都有配备，其价值在于可为学生的自动控制理论课程和毕业设计提供便捷的实验平台。同时，该系统也可为相关科研人员在复杂的控制系统研究方面提供实际的模拟对象。在本论文中，智能调节仪模块也可换成是ADAM模块或者板卡，工控软件组态王6.5可有其他工控软件替代，使该实验装置实现了多种控制策略的实验，从而达到了增加该实验装置实验内容的目的；同时本课题中所提出的硬件和软件实现方法也具有较强的可移植性，可以应用推广到其他的教学实验装置的实验内容增加上，极具现实意义。#大学本科生毕业论文（设计）1第一章 串级液位控制系统介绍1.1 国内外研究现状1.1.1 液位控制系统的发展现状水箱液位控制系统实验装置最初的研发与生产是由德国 Amira 自动化公司完成的，由于当时该实验装置的价格太高，在国内只有少数高校引进了此设备，如哈尔滨工业大学，吉林大学、浙江大学等。现阶段伴随着我国科学技术水平和经济水平的不断提高，国内许多企业也能够自主生产该实验装置，如杭州言实公司研制的 HDU3000-1 型、河北德瑞特公司研制的 RTGK-2 型、深圳固高公司研制的 GTW 型等，它们的特点如下：1、主要配件均采用工业级过程控制元件，保证系统最高的质量和可靠性。2、实验和研究的理想平台，可以方便地构成模拟实际生产系统中的液位系统。3、通过液位传感器对液位进行精确检测，得到实际水位的变化，方便地获得瞬态响应指标，直观反映出控制器的控制效果，准确判断控制性能。1.1.2 液位控制系统算法的研究现状当前，常见的液位控制多数采用凭人工经验进行的参数整定 P、PI、PID 或串级控制策略。针对结构简单的液位系统，此种参数整定的方法还能达到预期的效果，一旦被控的液位对象结构复杂、自身机理特殊、各变量间关联耦合严重，常规的参数整定方法在便捷性和稳定性上就无从谈起。针对这种存在着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多高校和科研单位研究提出了一些优化的控制方案和有效的控制算法。中南大学的邓秋连等提出了采用 RBF-ARX 模型对水箱液位系统进行离线动态特性建模的研究。着重讨论了 RBF-ARX 模型结构的选取、模型参数辨识、RBF 参数优化等问题。BF-ARX 模型与 ARX 模型的进一步预测输出比较的结果证实了 BF-ARX 模型在非线性系统建模中的优越性。吉林大学的高兴泉等提出了采用一种基于非线性静态反馈的解耦方法进行水箱液位系统控制，当系统满足一定条件时，可以寻找到一个输出与等效新输入之间的线性微分方程关系，然后再选择合适的状态反馈形式即可使该非线性系统解耦。经解耦，水箱液位控制系统就可以分解为两个相互独立的单输入单输出线性子系统，对每个子#大学本科生毕业论文（设计）2系统可采用 PI 控制，从而解决了系统的非线性。内蒙古科技大学的崔桂梅等采用模糊-神经网络解耦控制技术，实现了对水箱液位系统的解耦以及液位控制。模糊-神经网络解耦技术结合了模糊控制鲁棒性好和神经网络对不确定对象有显著控制效果的特点，具有直接从输入输出数据中提取模糊规则的能力。内蒙古工业大学的韩梅等提出了采用基于 T-S 模型的模糊 PID 控制策略，这种策略根据液位变化，通过适用度加权产生 PD 控制参数，可实现参数的平稳度过。有利于改善系统性能。大连海事大学的孙红英等提出了设计一种参数自整定模糊 PID 控制器，可以实现PID 参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和稳定性。广西大学的梁颖杏等提出了用 BP 网络辨识水箱液位控制系统的方法。采用并联型辨识结构，训练网络采用 Levenberg-Marquardt 算法和 BFGS 拟牛顿算法，利用 MATLAB软件平台，实现比较训练仿真，结果表明，采用 LM 算法和 BFGS 拟牛顿算法能较好的辨识水箱液位系统。1.2 PID 控制算法的介绍在工程实际中，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。1.2.1 PID 控制算法的历史PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 70 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现 PID 控制功能的可编程逻辑控制器(PLC)，还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet 相连，如 Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。#大学本科生毕业论文（设计）31.2.2 PID 控制各环节作用1）比例（P）控制 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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。 2）积分（I）控制 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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 3）微分（D）控制 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组件（环节）或有滞后(delay)组件，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。这就是说，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。所以对有较大惯性