双容水箱液位控制实验台设计——开题报告

1、 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：过程装备与控制工程设计(论文)题目：双容水箱液位控制实验台设计指导教师:吕海峰 2017 年 2 月 27 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献一般应不少于10篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献

2、序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 论 文 开 题 报 告1选题依据：引言 随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产

3、过程中，常常涉及一些液位或流量控制问题。因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入流程量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。而双容水箱的控制过程与工业控制系统的控制过程相似，尤其是双容水箱控制实验系统，现有的双容水箱控制实验系统中多采用 Matlab 等软件进行控制，也有采用 、编写应用软件对双容水箱进行控制的1。然而用 、 编写控制软件工作量较大，LabVIEW因其编程简单，图形化的程序语言的特点，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术

4、人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此， 它可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。故选用此研究开发了一种基于Lab VIEW 的双容水箱控制系统。1.1、课题研究背景自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动环境。2而自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行，其是相对人工控制概念而言的。而在工业生产过程自动化中

5、，为了了解容器中原料、半成品或成品的数量，调节输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节物料搭配合理，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。因此设计一个良好的液位控制系统，保证产品的质量和数量，在工业生产中具有重要的实际意义。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，因而在工业过程控制中得到了广泛应用3。 PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；

6、微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。4PID控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，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。51.2发展历史、现状及发展趋势1.2.1国内外水箱控制的发展： 水箱系统是典型的过程控制实验设备之一，在国内外有很多大学和实验室都已得到广泛地运用。如英国牛津大学、剑桥大学、德国杜伊斯堡大学、韩国首尔大学、中国清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校都引进了水箱控制系统实验装置。6它不仅可以作为液位过程控制的实验装置，还可以应用到非线性控制和故障诊断的研究项目中。在德国杜

7、伊斯堡大学测量与控制系的研究者使用DTS200模型成功的测量非线性解耦方法和基于模型的故障诊断方法7。Noura Hassan用三容水箱液位控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行研究；又如R.Sehab以双容水箱液位控制系统为研究对象提出来一种用于非线性系统的模糊PI监控器的设计报告。又如德州学院机电工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位监控系统设计，它是一种基于AT89C51单片机的远程液位数据采集监控系统，采用单片机作为控制核心，上位机采用MCGS编写的监控软件，整个系统可以完成液位信号的采集与转换、数据传送和显示、控制等功能。8在国内也有许多研究者研究水箱的控制问题，如北方工业大学

8、理学院的安艳伟做了基于单片机的分布式液位控制系统设计，设计了一种基于51单片机为核心多机分布式液位控制系统，由数据采集模块，处理模块和多种通讯平台组成，既满足了测量精度的要求，同时具有较高的可靠性，成本低，控制灵活。9又如南京邮电大学的牛标和张代远所做的可监控智能液位控制器系统设计中列举了液位控制系统可以采取的硬件方案以及他们各自的优缺点，采用FPGA作为控制器可以实现各自复杂的逻辑功能，规模大，密度高，他将所有芯片集成在一块芯片上，减小了体积，提供稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。101.2.2控制系统的发展方向： 过程控制实验装置对广大学生的学习、实验和科研人员的研

9、究工作起着非常重大的作用，但是目前国内外对过程控制实验装置的研究和丌发并不能很好的满足用户的需求。11 在国内，亚龙科技集团，许昌市瑞新电气有限公司，天科教仪，清华大学科教仪器厂和广东三向教学仪器制造有限公司的过程控制实验装置均采用模拟放大电路实现的，用户做控制实验不但需要额外搭线，还需要用万用表和示波器等辅助工具进行信号和参数的测量，操作起来比较麻烦，用户的体验不够直观；天津市源峰科技发展有限责任公司的过程控制教学装置和浙江天煌科技实业有限公司的高级水箱控制系统实验平台运用工业化的设备，采用西门子的PLC控制系统进行控制，上位机中采用MCGS工控组态软件、组态王软件、STEP7编程软件及WI

10、NCC组态软件进行配套，编程简单，易于操作，但是这些设备做工粗糙，仪器不够精密，体积比较庞大，控制软件和控制系统不是自主研发，没有良好的开放性，只能进行一些简单的教学实验演示，不能实现一些高级控制算法的研究和实验。12 在国外，加拿大quanser公司的Coupled Water Tank Experiments可进行多个单元之间的组合，丰富了实验的多样性，但是只能进行液位控制实验，并不能进行多变量控制实验，配套quanser的控制器和控制软件，能够实现和MatlabSimulink的无缝接El，编程比较简单，但是它需将控制器镶嵌到电脑主板上，每套设备需占用一台电脑资源，控制软件功能单一，没有

11、融合多媒体技术，界面不够美观华丽。德国FESTO公司的Process Automation双容水箱系统，最大的特点就是可组装可拆卸，组合比较灵活，但是他们只提供对象，不提供控制器和控制软件，给研究带来很大的不便。13英国的Armfield公司的ProcessControlTrainer和TQ公司的ProcessTrainerCEll7，做工比较精致，体积较小，但是软件不够开放，不支持MatlabSimulink的无缝接口，只能进行一些简单的手动、PI和模糊控制，不能做一些复杂的控制算法的研究。上面提到的这些设备，均不能实现网络化控制，这就更增加了设备的局限性。14新加坡国立大学的CCKo教授等

12、人研发了一套网络化双容水箱系统，可以实现网络化控制，并能够实现视频和音频的反馈，但是它的被控对象比较单一，并不能进行流量、压力和温度的控制实验，不能做多变量的解耦实验，控制软件功能比较简单，也不具有开放性，只能进行一些简单控制算法的研究。15除此之外，几乎所有实验系统控制器均采用计算机拓展板卡的形式，这类控制器不但不具备网络化研究的硬件条件，而且约束了被实验对象和上位机之间必须遵守“一机一卡”的形式，这也就限制了用户使用的灵活性，增加了用户的实验成本。参 考 文 献1李芹基于 VB6.0的双容水箱液位串级控制系统设计上海电力学院学报， 2009，25(4):3253302胡松涛. 自动控制原理

13、（第六版）M. 北京：科学出版社，20133贾瑞武，彭光正，范伟基于Lab VIEW 平台和网络的计算机过程在线监控北京理工大学学报，2002，22（2）：7680 4 牛玉广基于 Lab VIEW 的水箱平台设计及 PID 控制特性分析仪表技术与传感器，2007，24（7）：26305朱磊，薛谦，石教雄基于Lab VIEW 的以太网接口数据采集器设计计算机测量与控制，2009，17（4）：7887916杨宁，杨天奇双容水槽液位控制虚拟现实环境的建立与仿真计算机工程与设计，2006，27（16）：298829917李芹，肖思明，施羽佳基于 VB6.0的双容水箱液位控制仿真软件设计上海电力学院学

14、报，2008，24（4）：3533568郑华，吕伟珍基于组态王和 Matlab的双容水箱液位控制中国农机化，2012（2）：155157 9江丹，黄新春，李娟，等基于Lab VIEW 的双容水箱控制实验系统研究机械工程与自动化，2012（5）：16116310 吕永波. 系统工程. 机械自动化的历史发展及未来展望M北京：清华大学 11JainAK，DuinR，MaoJ.StatisticalPatternRecognition:AReviewJ.IEEETrans.onPatternAnalysisandMachineIntelligence，200022(1):4-38.12CasellaG

15、.andBergerR.L.，StatisticalInference(M)，第二版. 北京：机械工业出版社13 任彦硕，赵一丁.自动控制系统（第二版)M. 北京:北京邮电大学出版社，200714 刘金锟. 先进PID控制MATLAB仿真(第2版) M. 北京:电子工业出版社，200615 郑阿奇主编. MATLAB实用教程M. 北京:电子工业出版社， 2004. 毕 业 论 文 开 题 报 告研究方案：2.1主要研究内容 本课题的目的在于控制双容水箱的液位，使其稳定在设定值附近，液位控制范围要求在0-50mm，控制误差5%。在系统给定信号以及扰动信号输入状态下，使水槽液位始终趋于稳定平衡，实

16、现水槽液位的控制。本课题拟采用LabVIEW编写控制程序，LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。本课题拟运用LabVIEW编写相应的信号采集以及分析控制程序，并将控制变量输出至相应的执行器，实现水槽液位的控制。其中输入信号为水槽液位，输出信号为是否对水槽进行注水以及阀门的开度。最后在编写相应程序后，利用相关实验装置对控制系统进行实验验证。2.

17、1研究手段 1、通过上网查找资料和阅读学校图书馆的相关书籍做好理论知识的储备，包括学习自动控制原理等基础知识，学习LabVIEW的编程原理与使用方法的相关知识，包括用户界面的建立，程序框图的设计，各个VI模块的连接以及SIMULINK软件，对所设计系统动静态特性进行仿真等。 2、学习PID控制方法，了解PID控制方法的基本原理以及PID算法的优点，之后研究如何运用PID对双容水箱的液位进行控制，并使水箱液位始终趋于稳定平衡。如图1所示为拟采用的PID算法控制流程图，设定值为预定的水箱中水的液位，被控变量分别为上水箱的液位和下水箱的液位，操作变量为阀门的开度。 毕 业 论 文 开 题 报 告指导

18、教师意见：液位设定值电动调节阀 /水泵PID控制器上水箱压力传感器下水箱压力传感器上水箱压力传感器液位电动调节阀 /水泵设定值 电动调节阀 /水泵PID控制器下水箱压力传感器图1 PID控制流程图 3、对实验装置进行合理的设计，并对其进行搭建。满足实验的使用以及对照不同条件下双容水箱达到稳定的时间长短；同时使用LabVIEW编写相应的PID控制程序，设计相关实验对所设计的水槽以及控制效果进行验证；如图2为实验装置简图，实验装置主要包括水槽、储水箱、水泵、输水管道以及计算机和相应的传感器。水槽分为进水口和出水口，为了方便调节，实验装置进水口直径略大于出水口，且出水口装有调节阀。当压力传感器检测到水槽中的压力与设定值不符时，压力传感器将压力信号转