中国石油大学郭彦男毕业设计双容水箱液位控制

1、单位代码：11414学 号：2011011140题目过程控制实验装置的双容液位控制系统设计学院名称地球物理与信息工程学院专业名称自动化学生姓名郭彦男指导教师孙琳起止时间： 2015年4月16日 至 2015年 6 月16日摘 要摘 要双容水箱液位控制系统广泛应用于食品生产、工业化工等各个领域。双容液位控制系统具有非时变、滞后等特点，根据这一特点，分别应用了PID控制、模糊控制等控制策略。基于对过程控制实验装置的了解，建立了过程实验装置与西门子PLC的硬件连接。然后，基于PLC实现了过程实验装置双容液位控制系统的设计，并对实验结果进行了对比分析。在此基础上，基于OPC接口技术，建立西门子PLC与

2、MATLAB软件的数据通讯。进而，采用模糊控制算法应用MATLAB软件中的模糊控制工具箱，实现了对过程实验装置双容液位的控制。最后，对实验结果进行了对比分析，得出了模糊控制算法在双容液位控制系统中应用的优点。关键词：双容液位；PLC；PID控制；模糊控制- 5 -ABSTRACTProcess control device of Liquid Level Control System DesignABSTRACTTwin-tank water level control system is widely used in various fields such as food productio

3、n, industrial chemicals. Liquid Level control system with a non-time-varying characteristics of the lag, according to this feature, each application of the PID control, fuzzy control and other control strategies.Based on the process control device of understanding, the course of the experiment appar

4、atus connected to a Siemens PLC hardware. Then, based on PLC achieved during experimental apparatus Liquid Level Control System, and the experimental results were compared and analyzed. On this basis, based on the OPC interface technology, establish data communication Siemens PLC with MATLAB softwar

5、e. Furthermore, the use of the experimental device for Liquid Level Process Control Fuzzy Control MATLAB software fuzzy control toolbox achieved. Finally, the experimental results were compared and analyzed, we obtained advantages of fuzzy control algorithm in Liquid Level Control System.Key Words：L

6、iquid Level; PLC; PID Control; Fuzzy Control目 录目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1选题的背景及意义11.2国内外研究现状21.2.1过程控制系统研究现状21.2.2双容液位控制概论31.2.3模糊控制研究现状41.3本文研究内容5第2章 过程实验装置的双容液位系统62.1装置介绍62.2对象特性分析92.3控制需求分析9第3章 过程实验装置的双容液位控制系统设计113.1 控制系统设计113.2 基于PLC的双容液位控制123.2.1PLC控制程序133.2.2PID参数整定153.2.3 传递函数的求解与OPC的连接153.3

7、 实验结果分析223.4小结25第4章 基于PID的Matlab和模糊控制仿真274.1数据通讯系统274.2基于 PID控制器的模糊控制系统设计294.2.1模糊控制器的编写294.2.2模糊控制器的编写304.2.3模糊控制仿真设计374.3实验结果对比分析40第5章 总结44参 考 文 献45附录A 附录内容名称46致 谢49中国石油大学（北京）本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1选题的背景及意义双容水箱在工业生产过程中极其常见，是工业生产常用的控制设备之一。它是由装有阀门、变送器、传感器的两个水箱通过管道上下连接而成。在生产工程中，通常需要对下水箱液位进行定值控制，与此同时选取上水箱

8、进水流量为操纵变量，对下水箱液位进行控制。对其液位的控制通常采用模拟仪表、计算机、PLC 等单回路控制。 双容水槽一般表现出二阶特性，广泛应用于生产生活中。液位是工业生产中最常见的控制参数之一，而液位控制也是过程控制中的典型案例。液位控制得好坏直接影响产品的质量，甚至成为产品制造成败的关键，所以液位控制具有广泛的实际应用价值和应用前景1。液位的高低在生产中是一个重要的参数，应用非常广泛。生产中常需测量油罐等容器内的液面高度以计算产品产量和原料消耗，作为经济核算的依据。蒸汽锅炉运行时，必须保证汽包水位有一定的高度，化工反应塔内，常需保持一定的液位也取得较高的生产率。单回路反馈控制原理以及PID控

9、制原理是计算机控制技术的基础。控制对象的动态特性和数学模型是分析和设计控制系统的基础资料和基本依据。对被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须首先建立其数学模型，因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化控制具有极为重要的意义。在对水箱建立PID控制之后，为了加强控制效果，本文增加了模糊控制这一先进控制方案。模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，它具有可控非线性、拟人思维、不拘泥于数学模型建立的特点。模糊控制可以应用于控制难以取得相对准确的机理模型的水箱液位，它本身是一种基于数学定义的控制策略，而且在控制时有着相

10、对的独立性，在应对一些因为出发点和控制指标出现较大差异的模型时，有着良好的效果。在现在的工业生产中，会出现很多难以具体确定模型的控制方案，在这个时候，不需要具体数学模型而只需要系统辨识的模糊控制可以派上相当大的作用。也正因为模糊控制的以上特点，使得各行各业对模糊控制的研究一直在进行中，模糊控制器更是广泛应用于生产生活的各个领域。本文以双容水箱为基础，在参考了国内外相关文献之后，先确立了以PID控制为基础的控制方案，在完成该控制方案之后又在MATLAB软件上加入了先进控制策略，并在Simulink上进行了对照仿真实验，最终基本完成了毕业设计的任务。1.2国内外研究现状双容水箱液位控制系统作为一种

11、十分基础的控制系统被作为一种教学模型广泛应用于国内各大高校，以此为研究对象的大学就有清华大学、合肥工业大学、中国石油大学等多所理工科大学。在液位控制系统中，经常得到应用的是PID控制方案，但除此之外，随着技术的发展，诸如神经网络控制、模糊控制、预测控制等先进控制方案也得到了很快的发展，在统计中，大概有百分之八十以上是应用的PID控制。也正因为其应用的广泛性，所以使得国内外各大厂家对其进行不断的研究与更新设备，客观上带动了液位控制系统的发展。液位控制系统在国内经常应用于石油石化、化工、污水处理等各个领域，可以说应用广泛，但客观的评价，国内的液位控制器跟世界一流水平还有着不小的差距，尤其是与国外发

12、达国家诸如美国、德国、日本等工业化自动化先进的国家相比较。目前，国内液位控制还主要依靠的是PID控制，PID控制虽然很经典，但也有着一定的局限性，比如说它只能适应一般的控制系统，对于要求控制精度较高、较细的控制场合还有着很大的区别。总而言之，在先进控制领域，国内技术还不成熟，适用于先进控制的商业控制仪表还难以形成品牌化。反观之国外，在先进控制领域已经超过我国很多了，而且其先进产品在自调、自整定、自开车方面已经相对成熟，液位控制领域发展迅速。其中德国、日本、美国等都有厂家生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器以及液位仪表，在各大领域都得到了很广泛的应用，我国在液位控制领域还有着很长的路要走。

13、1.2.1过程控制系统研究现状过程控制的发展并不是一个孤立的过程，相反这一新兴的学科是跟随着控制理论、仪表专业、计算机技术、化工生产、石油石化等多个相关学科一起发展的2。过程控制的发展大体上可以分为三个发展阶段3：70年代以前可以看作是第一阶段，它是以经典控制理论为核心。第二阶段则是70年代到80年代，它是以现代控制理论为核心。第三阶段是90年代，是以控制论、信息论、系统论、人工智能等学科交叉，接下来本文将会简要介绍一下这三个阶段。在第一阶段中，这一阶段的主要理论核心是经典控制理论，它又被称为自动化孤岛模式，盖因为它的控制目标仅仅是保证生产的平稳运行：诸如在石化石油领域对进入物料多少、高低限、

14、安全问题的实现大多运用的就是对这一理论思想的实现。在第二阶段中，出现了一个变革思想的新系统，它就是分布式工业控制计算机系统（DCS），它的出现为先进控制理论创造了条件与应用环境.在这一系统下，诸如预测控制、神经网络控制、模糊控制等先进控制方法得到了新的发展与应用，并使得工业流程的控制进入了一个新的领域，为实现高产低耗的控制目标更进了一步。在第三阶段里，80年代后期工业，随着新兴工业的飞速发展，多学科的相互渗透，仅仅是先进控制理论与分布式工业控制计算机系统已经不能够满足工业生产目标的要求。随之兴起的的人工智能、智能控制、信息库的、大数据、计算机通讯技术与新型网络的出现也让人们的视野更加的开阔，为

15、实现更高水平的自动控制提供了理论基础和实践手段。时至今日，过程控制系统仍然在不断的发展着，现在的控制思路也随着人们对可持续发展思路的变化而变化，为了满足可持续发展的时代主题，工作人员与科研人员也开始不断研究既保证生产效率、少出事故、平稳发展的生产要素，也要满足保护环境、较少能耗、减少成本等多方面因素，最大程度上的在满足市场需求的基础上，发展技术，提高技术竞争力。1.2.2双容液位控制概论双容液位控制作为一种典型的控制回路在上世纪50年代便开始被人所研究。最开始的控制思路是以经典PID控制为基础，发展而来的串级控制、均匀控制、前馈控制、比值控制等，一般称之为复杂控制。在20世纪70年代中后期，随

16、着可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）、分布式控制系统DCS（Distributed Control System）的出现，更是为双容液位控制提供了新的硬件平台。时间往后推移，20世纪80年代后期至今，随着先进控制理论的不断发展，诸如模糊控制、神经网络控制、预测控制等更适应于各种环境的先进控制策略应运而生。先进控制的先进性主要体现在当常规控制无法解决的一些情况下，先进控制可以对症下药，完成复杂的控制指标，可以说先进控制将会成为未来过程控制的发展方向。现今，我国过程控制系统主要使用的是分布式控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）、进程间通信（IPC

17、）三种系统，其中DCS的主要设计思路是控制分散、管理集中，因为其控制分散的特点，使得其安全性与之前的集中系统相比较得到了很大的提高，因此成为了大中型企业控制系统的首选方案。进程间通信系统（IPC）作为一种配有各种输入输出接口和工业应用软件的沟通性过程控制系统，具有着开放性、灵活性、联网性、沟通性的优点，再加上其拥有着极强的计算机处理能力与图像显示功能，使得它成为工业控制领域里的佼佼者。而本文用到的可编程逻辑控制器(PLC)则诞生于二十世纪中叶，应工业发展的要求，这种功能强大的通用控制设备在之后的岁月里得到了广泛的应用4。在国内很多的工业自动生产线中和大小企业自动化控制系统中，PLC都被首选为控

18、制程序软件。PLC具有功能的多样化与简便化的优点，在可编程控制器中，我们既可以应用大规模集成电路技术、数据采集与控制，又可以对进行的工程进行逻辑控制与过程控制，在此基础上加上PLC本身具有着结构紧凑、运行速度快、可靠性高（跟DCS一样）的特点，这也使得PLC应用广泛。本文的双容水箱液位控制在之后章节也将会应用到西门子S7-200PLC编程的内容。1.2.3模糊控制研究现状模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年美国的扎德创立了模糊集合论,1973年,他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年英国的Mamdani首先用模糊控制语句组成模

19、糊控制器,并把它用于锅炉和蒸汽机的控制,在实验室获得成功,这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生5。模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研究领域。从信息技术的观点来看,模糊控制是一种基于规则的专家系统。从控制系统技术的观点来看,模糊控制是一种普遍的非线性特征域控制器6。模糊控制具有以下特点：1.模糊控制采用语言性直接控制方法，其设计基础是专家和实际科研人员本身的知识和实践所得结论，在实际控制中并不需要精确的数学模型，而只需要通过系统辨识得到相关的函数就可以编写相应的控

20、制规则。2.由于工业生产中经常会遇到很多数学模型难以计算和求取的情况，所以在这个时候应用模糊控制的方法就可以取得很好的效果，尤其对那些动态不易掌握的被控对象非常适用。3.一般在模型计算中，常常因为出发点和性能指标的不同导致较大差异，但是类似模糊控制这一类的语言控制规则却具有相对的独立性，利用相应控制之间的连接，将会更容易找到平衡点，且效果优于常规控制器。模糊控制的研究主要体现在控制器的研究和开发以及各类实际应用中,目前模糊控制已经应用在各个行业。各类模糊控制器也非常多,模糊控制器的研究一直是控制界研究的热点问题7。1.3本文研究内容1.本文设计的双容液位控制系统所用装置使用的是AE混合温度与液

21、位实验装置，其由主体设备、PLC控制柜、Unical涡旋空气压缩机、储气罐及上位机组成。在选择好本文所使用的液位回路后，根据机柜说明书，对其正确接线。2.本文将对控制双容水箱的PLC可编程控制器进行着重研究，在PLC上进行编程设计，从而实现对液位的控制。3.在完成了以上内容，实现对水箱的PID控制之后，本文将研究MATLAB软件，首先实现其与实验装置的数据通讯，之后对所得数据进行辨识研究，最后将有数据得出的传递函数送入Simulink仿真中，依次在仿真实验里进行PID、模糊控制实验，最后将结果进行对比分析，得出结论。第2章 过程实验装置的双容液位系统2.1装置介绍AE装置可根据不同的实验内容，

22、通过各手动球阀的开闭进行自由组合，形成适合不同实验要求的控制回路，该装置有结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好等优点。在混合温度与液位实验装置上能够较好完成自动化专业与过程控制课程相关的实践项目。混合温度与液位实验装置主要由主体设备、PLC控制柜、Unical涡旋空气压缩机、储气罐及上位机（从左到右）组成。混合温度与液位实验装置全貌图如图2.1所示：图2.1混合温度与液位实验装置全貌图FIG.2.1 The mixing temperature level experimental device up view混合温度与液位实验装置主体设备含冷水槽1个，热水器1台，混合水箱（TANK）1个

23、，热交换器1台，风扇1台，气动调节阀5个，水泵3台，手动阀21个，仪表及管线若干。主体设备采用四层立式结构设计，占地面积小，实验装置布局合理，配置齐全，各工艺管线、容器、泵阀等设备标识明确。通过调节手动球阀的开闭形成不同的控制回路，从而适应不同的过程控制实验要求，充分体现了实验装置能够适应实验目的多变性。以下是我们根据AE的工艺流程绘制的管道仪表总流程图，如图2.2：图2.2 AE工艺流程管道仪表总流程图FIG.2.2 General flowchart process piping and instrumentation因为本文目标为要能实现双容水箱的液位控制，所以工艺流程为：水从泵P01进

24、入，经过阀门FV01进入上水箱D01，上水箱D01液位由液位传感器LI01送入电脑，随后进入D01的水经过阀门FV05进入下水箱D02，下水箱D02液位由液位传感器LI02送入电脑，进入DO2水箱的水最后从FV04流出。如图2.3所示：图2.3双容水箱液位系统流程图FIG.2.3 Twin- tank water system flow chart而根据实验要求，对实验装置进行接线，如图2.4所示：图2.4 装置接线图FIG.2.4 Device wiring diagram 在过程控制系统中，阀门、阀门的选型都是至关重要。在选择阀门、传感器时，要充分考虑到工艺要求、所处环境、室内常温等条件，

25、并综合安全、控制精度以及经济等原则，最终选出适合的型号。在本系统中，我们选择使用的传感器和阀门信号如下表四所示：表一 阀门传感器选型序号仪表位号测点名称信号类型型式量程单位1LI-01大水箱液位0-100%2LI-02小水箱液位0-100%3LIT-01大水箱液位4-20mA两线制0-40cm4LIT-02小水箱液位4-20mA两线制0-37.4cm5FT-01大水箱入口流量4-20mA两线制L/h6FT-02大小水箱入口流量4-20mA两线制L/h7FT-03水泵与小水箱入口流量4-20mA两线制L/h2.2对象特性分析 在工业领域，双容水箱是一个很常见但同样很重要的设备。经过2.1分析，可

26、以看出双容水箱液位控制系统本身是一个复杂的控制对象，上水箱和下水箱之间的液位会互相影响。上水箱的输入变量是由阀门FV01控制的输入水量，输出变量是由阀门FV05控制的输出水量。而下水箱的输入变量是由阀门FV05控制的输入水量，输出变量是流经常开阀门FV04(阀门开度固定不变)的输出水量。上下水箱的液位变化会互相影响：1.当上水箱液位达到给定液位之后，输入输出流量相等，下水箱液位未达到给定值时，会影响到阀门FV05开度变化，进而导致上水箱输入输出流量不等且变化，进而引起上水箱液位改变。2.当下水箱液位达到给定液位之后，输入输出流量相等，上水箱液位未达到给定值时，因为下水箱输出流量为常开且阀门开度

27、不变的阀门FV04控制，所以会引起阀门FV05阀门开度变化，进而导致上水箱输入输出流量不等，从而使上水箱液位发生偏移，需要继续调节。3.当上水箱和下水箱液位都未达到给定值时，阀门FV01和阀门FV05会出现不间断变化，直到两个水箱都逐渐达到给定值并稳定之后。由此可见：双容液位水箱控制系统是一个复杂的控制系统，其数学模型预测为二阶线性模型。2.3控制需求分析根据任务书要求，对本文双容水箱液位控制系统的控制目标提出了以下的要求：1.应用本专业所学的自动控制理论、过程控制、可编程控制器等理论知识，研究对过程控制实验装置双容水箱液位系统的控制问题，应用控制算法对双容液位进行控制。2.实现西门子S7-2

28、00对双容液位的控制。3.要能快速、稳定、准确的控制上水箱、下水箱的液位，在稳定之后给出阶跃扰动之后仍能完成控制目标。4，需要对比、分析控制效果。- 9 -中国石油大学（北京）本科毕业设计（论文）第3章 过程实验装置的双容液位控制系统设计3.1 控制系统设计在过程控制系统中，一般习惯的将PID控制叫做基本控制，在国内工业生产控制中，PID控制仍然占据了主导地位，这主要是因为PID控制实现简单，控制稳定，具有良好的可适性。本文对双容水箱液位系统的控制也将先从最基本的PID控制开始，由简入难，步步为营。当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和

29、执行7。测量关心的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。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（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。这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，到目前为止，我国大多数工业控制还沿用着PID控制算法。PID算法作为经典控制理论推出的最为辉煌的理论成果之一最主要的特点是：综合了各种控制器的优

30、点，既能克服对象的容量滞后，减少动态偏差，提高系统的稳定裕度，又能消除系统的余差。如果能对三个参数（比例P、积分I、微分D）加以适当的整定，可以使系统获得良好的控制性能。下面分别介绍P、I、D三种控制效果：P：比例控制。比例控制是最简单、最基本的控制规律，其能迅速有力的克服干扰的影响，或使被控变量能迅速跟踪设定值的变化，但会存在余差。其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为：U(s)=Pe(s) (3.1)I：积分控制。在比例控制的基础上加入积分控制，会减少系统的稳定裕度，是比例增益减小，过渡过程变慢，动态偏差增大是其缺点，但是它可以消除余差，使控制更加精准。其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为：

31、 U(s)= (3.2)D:微分控制。在比例积分控制的基础上引入微分控制，可以增大系统的稳定裕度，使比例增益增加，从而加快过渡过程，减少动态偏差和余差，并且对对象的容量滞后有着明显的效果。缺点是：过强的微分作用会引起系统振荡。其偏差e(s)跟输出u(s)的关系为：U(s)= (3.3)综合在一起，PID算法为: (3.4)因为需要控制的是两个水箱，所以经过观察与查找资料，最终确定方案为：PID串级控制。采用不止一个控制器，而且控制器间相互连接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入的设定值的控制系统叫做串级控制系统。双容水箱串级控制方框图如下图3.1所示：图3.1 双容水箱串级液位控制系统方框

32、图FIG.3.1 Twin-tank cascade level control system block diagram如图所示：准备使用两个PID控制器，一个PID控制器通过控制阀门FV01控制上水箱入水流量来控制水箱液位，另一个PID控制器通过控制阀门FV05控制下水箱入口流量来控制下水箱液位，阀门FV03常开。在通过实际的操作之后，发现两个水箱的耦合并不严重，两个PID控制可以实现单独控制。3.2 基于PLC的双容液位控制在决定了控制方案之后，双容液位控制系统将以PLC为平台进行控制，即在西门子S7-200PLC编程软件中编写相应的控制程序，从而实现对水箱的液位控制。3.2.1PLC控

33、制程序根据第二章的介绍，本次实验需要控制上下两个水箱，而要想控制水箱液位就需要对控制流量进出的阀门进行控制。所以本文的设定便是：通过阀门1控制上水箱液位，通过阀门5控制下水箱液位，控制阀门4使其常开（常开流量均小于上下水箱阀门全开时的最大流量）。 所以本文的S7-200 PLC编程中，在对三个阀门进行编程控制之后，使用PID控制面板设置了两个PID控制器分别控制阀门1和阀门5，具体程序如图3.2,图3.3，图3.4所示：图3.2 PLC阀门量编程FIG.3.2 Valve amount PLC programming图3.3阀门开度编程FIG.3.3 Valve opening degree

34、program图3.4两个PID控制器编程FIG.3.4 Two PID controller programming3.2.2PID参数整定参数整定是通过调整控制器参数，改善系统动静态特性，从而实现最佳控制的一种常用方法。在本文中，PLC的PID调节面板里，有着自动控制和手动控制两种。当我们使用手动控制的时候，运用的方法是参数整定里的逐步逼近法。逐步逼近法是指在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数，然后将求得的数值写入副回路控制器（这个时候保持副回路控制器数值不变），然后让整个串级系统闭合，再求主回路控制器的PID参数。具体步骤如下所示：断开主回路，闭合副回路，用求取单回路控制系统的整

35、定方法（例如控制器参数经验方法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法等）整定副控制器参数。闭合整个串级系统，将上一步求取的副控制器参数写入，整定主控制器参数。闭合整个串级系统，将求取的主控制器参数写入，重新调整副控制器参数。将求得的主、副控制器参数写入，验证控制品质，如果达成目标则整定结束。如未达到整定目标，则返回步骤2重新开始。实验结果：下水箱的整定参数为：P=50，I=3， D=0 上水箱的整定参数为：P=0.5，I=0.5, D=03.2.3 传递函数的求解与OPC的连接在完成了PID参数整定之后，下一步需要求取系统的传递函数。在对所用水箱进行了实地观测和测量后，因为水箱本身存在厚度，且

36、为多边不规则柱体，兼因为其放置比较高，所以很难实地准确的测量其容量和高度，故放弃机理建模方法，改用系统辨识的方法来计算它的传递函数。求取传递函数的基本流程可以概括为：使用OPC完成MATLAB软件与PLC程序的连接，继而将在PLC程序中得到的数据图像通过设置的OPC标签（item）传入到MATLAB里，随后将数据放置入MATLAB的工作空间，使用辨识工具箱对所得数据进行分析辨识，最后得出传递函数。传递函数求解的具体步骤如下：打开PC ACESS，在PC ACESS中设置项目，新建标签（ITEM）并运行。故在PC ACESS中设置写入进度、进水流量、进水阀门开度、SP（设定值）、PV（液位高度）

37、标签如图3.5所示:图3.5PC ACESS设置标签图FIG.3.5 PC ACCESS Settings tab Figure打开MATLAB，新建Simulink，打开OPC工具箱，将工具箱里的OPC READ和OPC 拖入Simulink里，随后将示波器Scope拖入Simulink，并连接Scope和Opc read。如图3.6所示：图3.6 Simulink设置与实时读取数据图FIG.3.6 Simulink set and read real-time data graphs 3.通过OPC完成了PLC程序和Simulink的连接，接着打开PLC程序，将正副控制器参数写入（参数整定

38、已完成），随后在PLC程序中写入给定值。运行PLC程序，打开PID控制面板，观察给定值和输入值的变化，等到给定值与输入值相等且平稳时停止。如图3.7、3.8所示：图3.7 PLC控制运行程序FIG.3.7 PLC control to run the program图3.8 PID控制面板FIG.3.8 PID control panel在PID控制面板上数值稳定后，调整给定值数值，给系统一个阶跃响应，观察曲线变化，直到输入曲线平稳，就可以结束控制了。随后将会在MATLAB里进行数据读写，并辨识曲线。在完成了以上的数据导入之后，可以重新选取需要的数据进行定义（因为要求传递函数只需要取其中从阶跃

39、开始到输入值稳定的这一部分，故需要去除其余部分，以保证传递函数的准确性。）如图3.9所示，分别定义数据x,y。在这里先打开的数据是LO3数据，其中x为阀门开度，y为液位高度。图3.9 设置所得数据量FIG.3.9 The resulting data set4.随后在命令窗口输入：ident，即打开辨识工具箱。5.在打开的辨识工具箱中，找到import data,点开下滑菜单栏，选择Time domain data，在紧接着弹出的import data 中的Workspace variable的input（输入量）中填入x1(即之前设置的工作空间里的横轴变量)，在output（输出量）中填入y

40、1（即之前设置的工作空间里的纵轴变量），随后点击下面的import。如图3.10所示:图3.10 辨识工具箱的应用FIG.3.10 Identification Toolbox application 6.接下来在Estimate中的Transfers Function Model中选择预期的传函格式，因为双容液位水箱的传递函数可能是一阶传函，也可能是二阶传函，所以在对比了两种传函的拟合曲线后，最后本文选定的双容水箱格式为二阶无零点，并在显示图像上打钩（可以出现相应的传递曲线。）如图3.11所示，为一阶传递函数和二阶传递函数以及实际曲线的拟合图，根据下图可以很容易看出，下水箱辨识曲线图更接近于

41、二阶拟合曲线： 图3.11 一阶二阶拟合曲线比较图FIG.3.11 First-order second-order fitting curve comparison chart而且，相应的拟合度在图3.12中可见分别为68.61%和-1398%，故而可以认定传递函数为二阶传递函数。进一步单独对二阶拟合曲线进行求取，可得图3.13和图3.14结果：图3.12 一阶二阶拟合曲线拟合度比较图FIG.3.12 Fitting a second-order curve fit order comparison chart图3.13下水箱二阶传递函数FIG.3.13 Under second-order

42、 transfer function tank图3.14 下水箱二阶拟合曲线FIG.3.14 Under second-order curve fitting tank如图3.13所示，粗实线为辨识曲线，细虚线为实际曲线，传递函数的最后结果为（下水箱传递函数），拟合度为68.61%。随后根据以上，可求得上水箱传递函数，如图3.15所示：图3.15 上水箱一阶二阶三阶拟合曲线对比图FIG.3.15 First Order 2nd and 3rd order on the tank fitting curve comparison chart从上图可以看出二阶拟合曲线与原图线最为接近，且一阶二阶三

43、阶的拟合度比较如图3.16所示：图3.16一阶二阶三阶拟合曲线拟合度对比图FIG.3.16 First Order of 2nd and 3rd order fitting curve fitting comparison chart所以可以认为上水箱传递函数为二阶传递函数，传递函数的最后结果为：，拟合度为57.57%。传递函数如图3.17所示：图3.17 上水箱二阶传递函数FIG.3.17 UP-Water tank second-order transfer function至此，上下水箱的传递函数都已经辨识出来。 3.3 实验结果分析在双容水箱液位控制系统中，对系统本身的调节性能的分析，

44、一般可以从动态性能和稳态性能两方面来进行结果分析。稳定被认为是控制系统能够运行的首要条件，所以只有当动态过程收敛时，研究系统的动态性能才有其实际意义。而为了研究系统本身动态性能的好坏，一般情况下会使用阶跃响应来进行试验，因为阶跃输入对系统来说是最严峻的工作状态7，如果在阶跃函数的作用下还能满足对动态性能的要求，那么系统在其他形式的函数作用下，其动态性能可以满足其他各种形式下的函数要求。除了动态性能，在液位系统中，一般对稳态性能的性能指标指定为稳态误差。稳态误差是系统控制精度或者抗干扰能力的一种测量量。综上所述，为了对控制系统的动态性能和稳态性能进行测试和评估，会先对控制系统施加阶跃函数效果，即

45、改变给定值大小。在完成阶跃响应实验测试后，会进一步增加扰动实验，即改变稳定状态下的常开阀门开度，从而观察其重新稳定时间等各项参数，对比数据指标，评估控制系统品质。1.当液位稳定且在给定值附近上下波动时（波动极小），改变给定值数值，在实际效果上等同于阶跃响应，则上下水箱PID调节曲线图如下图3.18图3.18 下水箱给定值阶跃响应后的PID调节曲线图FIG.3.18 PID regulator graph under the tank setpoint step response after由图3.18所示的下水箱给定值阶跃响应的PID调节曲线图可得出以下数据：延迟时间：125S 上升时间：14

46、0S 超调量：0.5% 峰值时间：400S 调节时间：420S 稳态误差：0.2根据以上数据，基本可以认为：下水箱液位控制系统响应时间较快，阻尼系数较小，超调量符合标准，稳态误差很小。图3.19 上水箱阶跃响应后的PID调节曲线图FIG.3.19 PID regulator on the tank after the step response graph同上，上水箱也进行阶跃响应实验，如图，虚线为上水箱给定液位值，实线为实际液位值，可得上水箱控制系统数据：延迟时间：40S 上升时间：90S 超调量：0.87%峰值时间：130S 调节时间：160S 稳态误差：0.34根据以上数据，基本可以任务

47、：上水箱液位控制系统响应时间较下水箱控制系统更快，但阻尼系数比之更大，超调量符合标准，稳态误差较小。可以说阶跃响应实验下的液位控制系统总体来说响应时间较快，阻尼系数很小，超调量和稳态误差都很小，基本实现预期效果。在双容水箱液位稳定之后，通过改变阀门开度，对控制系统施加扰动，以观察其控制效果。图3.20、图3.21分别为上水箱、下水箱施加扰动后的控制效果：图3.20 下水箱扰动实验图FIG.3.20 Under tanks disturbance experiment Figure下水箱控制系统数据：延迟时间：120S 上升时间：200S 超调量：0.83%峰值时间：250S 调节时间：500S

48、 稳态误差：0.012根据数据所得：在调整了阀门开度之后，系统本身超调与波动都不大，但是调节时间较阶跃响应要长一些，整体动态性能基本达到预期，稳态误差较阶跃要更小，说明系统抗扰动能力很强。图3.21 上水箱扰动实验图FIG.3.21 FIG perturbation experiments on water tank上水箱控制系统数据：延迟时间：100S 上升时间：190S 超调量：0.67%峰值时间：270S 调节时间：600S 稳态误差：0.056根据数据所得：上水箱扰动控制系统较下水箱的调节时间要略长一些，但整体抗干扰能力类似，都算是很强，超调量也很小，基本保证了水箱液位的稳定控制。在依

49、次进行了阶跃响应实验和扰动响应试验之后，可以得出以下结论：1.基于双容水箱液位控制系统的PID控制控制效果显著，控制速度较快，且稳态误差较小，动态性能和稳态性能都达到了预期标准。这说明PID控制在液位控制系统中的应用很成功，鲁棒性好，应用简单，操作方便。2.基于双容水箱液位控制系统的PID控制的缺点主要在于遇到干扰时，虽然稳态误差很小，超调量也很小，但是调节时间较长，而且上下水箱会出现相互影响的情况。这也说明了在遇到突发状况以及控制方案改变的时候，PID控制会出现调节时间过长且可能会难以满足更为细致和严苛的控制目标。3.4小结在这一章中，本文主要设计了PID串级控制方案，通过PLC编程，实现对

50、阀门开度的控制，进而对水箱液位实现了控制。在水箱稳定之后，对其设定值进行改变，从而得到阶跃变化下的水箱数据，并将其传入MATLAB中，使用辨识工具箱进行分析后分别得出两个水箱的传递函数。在完成了以上控制目标之后，本文又进行了对PID串级控制系统的动态性能和稳态性能的实验，依次进行了阶跃响应实验和扰动响应实验，并得出了以下结论： 从现场传出的控制图像上看，PID控制实现简单，控制方便，鲁棒性强，稳态性能和动态性能都很好，可以说PID控制基本符合控制预期，能够实现控制目标。但是，从扰动实验的调节时间过长可以看出，当控制目标和突发状况发生时，PID控制就可能会出现难以快速调节的情况，或者说PID控制

51、对某些控制精度有着更高要求的工业流程时会出现一定偏差。- 27 -中国石油大学（北京）硕士学位论文第4章 基于PID的Matlab和模糊控制仿真4.1数据通讯系统 本次试验的数据通讯系统是由集散控制系统（DCS）、组态王6.50版和MATLAB2012A版组成。其中DCS集散控制系统是以过程控制和过程监控为组成，以通信网络为纽带的控制系统。在本文中，选用的DCS硬件设备是西门子过程控制系统，软件部分是西门子S7-200 PLC编程软件。西门子过程控制系统是在一台紧凑设计的工控机中整合了一个最优秀过程控制系统(DCS)的所有组件，诸如可视化系统、工程师站、现场总线、基于SQL的归档系统以及集成的

52、硬件控制器。控制系统硬件体系结构根据可靠性高和开放性好的原则进行选择。DCS是本次设计的主要控制系统，而组态王则是一款开发监控的自动化软件，是一款将工业计算机软硬件结合在一起的集成系统。通过组态王，可以建立自己的工业流程画面，并设定需要监控或者修改的变量，组态王最大的优点就是可以更加直观的看到数据的变化与趋势。本文使用的组态王版本是6.5版本，即动画效果还不太完善的版本。因为本文最终是通过MATLAB直接控制PLC程序模块并间接控制双容水箱液位控制系统（见第三章），所以组态王的人机画面就只设计了监控报警界面、动画连接界面、实时报表界面、实时趋势曲线和历史趋势曲线。如图4.1、图4.2和图4.3

53、所示：在使用了以上软件之后，为了进行数据的处理，本文就使用了MATLAB这一数学软件。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。其主体部分包括MATLAB和Simulink两大部分，本文主要使用的是simulink仿真部分，目标通过simulink进行先进控制与PID控制的比较得出结论（将在第五章重点介绍）。本文使用的simulink版本为MATLAB2013b（用于仿真的版本）与MATLAB2012R a版本（用于控制PLC）。图4.1 组态王界面FIG.4.1 Kingview interf

54、ace图4.2 组态王控制主界面（已开启监控）FIG.4.2 Kingview control of the main interface (monitor is turned on)图4.3 组态王实时趋势曲线FIG.4.3 Kingview real-time trend curve4.2基于 PID控制器的模糊控制系统设计通过第三章系统辨识的方法后，可以分别得出上下水箱的传递函数。整理手头得到的数据，便可以使用simulink进行仿真。根据第二章控制方案所得到的控制方框图，可以建立simulink相应的仿真图。本次仿真将先对PID控制方案进行仿真模拟，以验证得到的PID参数可以稳定快速准

55、确的控制液位。随后将会根据之前编写的模糊规则制作模糊PID控制器，从而使用先进控制进一步对控制方案进行优化，以达到控制目标。4.2.1模糊控制器的编写在完成了PID控制方案之后，通过下几章的具体实验可以发现PID控制有效且平稳，是很不错的方案。不过，为了加强控制效果，在PID控制的基础上，增加了新的先进控制方案，即模糊控制。模糊控制是应用模糊数学里的知识，对复杂系统里变量过多、影响因素过多的现象进行简化，通过模糊数学建立相应的模糊规则，从而快速准确的完成控制任务。本文通过MATLAB里的模糊工具箱来设定之前设置好的模糊规则，建立FIS格式的模糊文件，从而可以在之后的simulink仿真的时候进行调用。本文设定的模糊规则是专门为PID控制器所编写的