实验二：基于模糊控制的液位计算机控制系统设计

BI YE SHE JI（20 届）液位模糊控制系统的设计所在学院专业班级自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月-II-摘要液位控制系统广泛存在于各个领域，是工业过程控制中的典型控制之一，液位控制早期运用PID控制方法实现。

常规的PID控制器具有无静态误差、高可靠行、算法简单等优点。

它的设计核心是整定参数，对于确定性的被控对象通过设定合适的PID控制器的三个参数，可以获得比较理想的控制效果。

但由于实际控制系统具有时变性、多变量、大滞后等特点，且在控制过程中会受到各种干扰因素的影响，要建立精确的数学模型很困难，也就不能达到预期效果。

近些年来，在很多控制过程中模糊控制都取得了成功，模糊控制器具有不依赖被控对象数学模型，适应性强的优点，在许多无法建立精确数学模型的复杂系统中表现出了其优越性，不仅获得了较好的控制效果，而且又能简化系统的设计。

因此，模糊控制在水箱液位控制系统中就成为较好的选择。

本文利用模糊控制理论设计一水箱水位模糊控制器，具体给出了系统设计方案。

首先详细的介绍了模糊控制的基本原理及模糊控制器的相关知识，其次讲述了对系统进行模糊控制的具体设计内容，在此基础上提出对水箱水位进行模糊控制的方案。

最后，充分利用MATLAB的模糊逻辑工具箱和Simulink相结合的功能得到实际液位跟踪给定液位的曲线，仿真结果证实水箱液位模糊控制系统能够获得良好的控制效果。

关键词：液位控制；模糊控制；MATLAB；SimulinkAbstract-II-Liquid level control system exists in each field extensively and is one of the typical control in industrial process control, the liquid level control most used PID control method in the early days. Conventional PID controller has lots of strong points, for instance, it has no static error, its algorithm is simple and it is reliable. The heart of its design is setting parameters; the certainty object can achieve satisfactory control effects through proper setting three parameters of PID. But the practical control systems have the characteristics of time-dependence, nonlinear, large lag and they will be influenced by various kinds of interference factors, so it is difficult to set up accurate mathematics model, then it is not possible to achieve the desired results.In the recent years, fuzzy control has achieved success in many control process. Fuzzy controller has outstanding merits that do not rely on mathematics model of object and whose adapting ability is strong, it shows its superiority in many complex systems which have no accurate mathematics model. It not only wins the better control results, but also can reduce system design. Therefore, control fuzzily become better choice on water tank level control system. This text designs a water tank level fuzzy control system according to the fuzzy control theory and puts forward a design scheme specifically. Firstly, it introduces the fuzzy control theory and the related knowledge of the fuzzy controller. Then, it describes the detailed design things for the system design, and proposes a fuzzy control scheme for the liquid level of the water tank on this basis. At last, the system has also fully utilized the function that the fuzzy logic toolbox of MATLAB combines with SIMULINK, and obtains the curve of the actual level tracking the desired level. Simulation results show that the water tank fuzzy control system can possess good control performance.Keywords: liquid level control; fuzzy control; MATLAB; Simulink-II--IV-目 录摘要..............................................................Ⅰ Abstract..........................................................Ⅱ 目录.. (Ⅲ)第一章 引言 (1)1.1 模糊控制的研究背景和现状 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究现状 (1)1.2 课题来源及研究的意义 (2)1.3 本课题的研究内容及任务 (3)第二章 模糊控制系统 (4)2.1 模糊控制的原理 (4)2.2 模糊控制器的组成 (4)2.2.1 模糊化 (5)2.2.2 数据库 (7)2.2.3 规则库 (8)2.2.4 推理机 (8)2.2.5 反模糊化 (8)2.3 模糊控制器的结构 (9)第三章 模糊控制器及模糊控制系统设计 (11)3.1 常规模糊控制器设计 (11)3.2 模糊控制器的输出形式 (13)3.2.1 位置式输出 (13)3.2.2 增量式输出 (14)3.3 模糊控制器参数与系统控制性能 (15)3.3.1 模糊控制器输入、输出变量的论域 (15)3.3.2 模糊控制器输入比例因子e K 及c K 的影响 (16)第四章 液位模糊控制系统的设计及仿真 (19)4.1 确定控制方案 (19)4.2 液位模糊控制系统的设计 (19)4.2.1 确定模糊控制器的结构 (19)4.2.2 定义输入、输出模糊集及其论域 (19)4.2.3 定义隶属函数 (19)4.2.4 建立模糊控制表 (21)4.2.5 模糊推理 (22)4.2.6 反模糊化 (22)4.3 模糊控制系统仿真 (22)4.3.1 系统仿真模型的建立 (22)4.3.2 水箱液位模糊推理系统（FIS）的建立 (22)4.3.3 对Simulink模型控制系统的构建 (25)4.3.4 对系统进行Simulink模型仿真 (27)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)-IV-第一章引言1.1模糊控制的研究背景和现状1.1.1 研究背景控制技术被广泛地应用在各种工业技术领域里，成为现代高新技术的重要手段之一。

实验2液位开关式计算机控制系统实验实验2、液位开关式计算机控制系统实验⼀、实验⽬的1、熟悉实验装置，了解⼆位式⽔箱液位控制系统的组成。

2、掌握位式控制系统的⼯作原理、控制过程和控制特性。

3、编写⼆位式控制程序，按偏差值预测处理程序，按偏差值调整进⽔阀开度的程序，使液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。

4、三个框图编程实验（按偏差值预测处理，按偏差值调整进⽔阀开的开度，按偏差值算法确定D/A值）按偏差值算法确定D/A 值实验要数值仿真选择系数使液位控制在20cm处，超调量不超过10%，稳态误差5%。

⼆、实验设备硬件：过程控制实验装置（⽔箱）、万⽤表、EasyArm2200开发套件、实验连接线，软件：ADS1.2集成开发环境。

三、实验原理1、⼆位式温度控制系统⼆位控制是位式控制规律中最简单的⼀种。

本实验的被控对象是⽔箱，被控制量是⽔箱液位，所谓⼆位控制实质上是⼀个典型的⾮线性控制。

执⾏器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器，理论上来说，我们的调节阀不适合做⼆位控制，可以使⽤更为合适的电磁阀（只有开、关两种状态）控制，但是由于实验设备的硬件构成环境，我们选⽤调节阀来模拟电磁阀⼯作，模拟过程：我们可以使调节阀处于两种状态，⼀是调节阀开度是％0（相当于电磁阀处于关），⼆是调节阀开度是10％（相当于电磁阀处于开），这⾥的10％也不是固定的，⾃⼰可以选择，但是阀门开度越⼩，精确度越⼤。

该系统的⼯作原理是当被控制的液位测量值HP=H⼩于给定值HS时，即测量值〈给定值，且当e=HS-HP≥dF时，调节阀处于开度状态。

随着液位H的升⾼，HP也不断增⼤，e 相应变⼩。

若H⾼于给定值，即HP 〉HS，e为负值，若e≤-dF时，则两位调节阀处于关闭状态，由于这种控制⽅式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不⾼的系统才使⽤。

图1 位式控制系统的⽅块图如图1位式控制系统的⽅框图所⽰，液位给定值在智能仪表上通过设定获得。

基于远程液位模糊控制实验设计姜增如【摘要】应用Client/Server模式、C#编程语言和.Net Remoting技术进行了水箱系统的远程控制实验系统设计,并把模糊PID(proportion integration diffrentiation)控制加入到远程控制系统中,获得了很好的控制效果.由于液位控制装置属于大型实验设备,它受实验室面积、资金条件限制,一般数量为1台或2台.将该实验引入到网络后,使学生能在校园网内的计算机上实现远程操作控制,通过网络摄像机实时获得真实设备影像,并观察实验过程,实验不受实验时间、空间的制约,且充分利用了有限的设备资源.该方法不仅可作为远程教学演示平台用于多媒体教学中,还能达到对液位系统进行控制器参数设计和分析实验特性的目的.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2010(027)007【总页数】5页(P37-41)【关键词】液位控制;远程控制;模糊PID控制器【作者】姜增如【作者单位】北京理工大学,自动化学院,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】TP273;G642.4231 实验平台介绍液位控制属于典型的过程控制,三容水箱具有滞后、非线性、耦合性等特点,是控制理论、过程控制的很好的实验对象。

该实验的硬件以德国amira公司DTS200为实验平台,采用3个并行水箱的玻璃圆筒作为液位被控对象,3个容器分别命名为T1、T2、T3,容器之间通过阀门连接,其中,T1与T3之间阀门命名CV1,T3和 T2之间阀门命名CV3,容器 T2的右侧阀门CV2连接到蓄水槽中。

T1、T2、T3底部各自有一相应的泄流阀,分别命名为LV1、LV2、LV3,左右侧的2个水泵命名为 P1、P2,可分别给容器 T1、T2供水。

水泵的进水管连接底部蓄水槽,为容器供水。

容器中的液体可通过LV1、LV2、LV3和CV2排到蓄水槽中,水泵P1和P2给容器注水使用,这样形成了一个闭环回路系统。

题目基于模糊PID的液位控制系统设计1本选题的意义及国内外发展状况1.1研究目的和意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。

位需要维持合适的高度，这就需要用到液位控制系统。

不仅如此，液位控制系统也是工业过程中的一种典型控制系统，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果，如蒸馏塔中液位控制的精度可直接影响产品的质量，锅炉等高压设备中液位控制的精度则于生产安全紧密相关。

由此可见，液位控制不论对人们的生活还是工业发展皆具有非常重要的意义。

液位控制系统是一种可以模拟多种对象特性的实验装置。

常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想。

而模糊PID 控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点, 在工业控制中得到广泛的应用。

本设计以单水箱液位控制系统为研究对象，结合模糊控制和PID控制方法设计液位控制器，同时针对液位控制过程中存在的滞后现象，利用Smith预估方法进行补偿以消除滞后影响。

1.2国内外发展情况PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制的主要技术之一。

常规的PID控制器在非线性时变，滞后较大的系统中鲁棒性不强，控制效果不理想[1]。

而模糊PID控制器既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有常规PID控制精度高的特点,在工业控制中得到广泛的应用。

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。

模糊控制——基于matlab的锅炉水位控制系统设计郑州大学物理工程学院测控技术与仪器1班杜佰林20102240103一、应用背景由于锅炉水位具有大滞后、多变量、强耦合等非线性特性，因此采用经典控制理论和现代控制理论的控制方法都不能取得理想的控制效果。

针对锅炉水位的实际运行情况，采用模糊控制策略，设计了锅炉水位的模糊控制系统，并且使用MATLAB时，主要使用模糊逻辑工具箱构建模糊控制器，使用进行SIMULINK动态仿真技术。

二、锅炉水位动态特性锅炉给水控制系统的操作变量是给水流量，主要是使水位维持在给定的范围内。

给水流量增加后，就从原来有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽包容积有所减少，当水位下汽包的变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反应了汽包储水量增减。

当给水量做阶跃变化时，汽包水位在起始状态不会立即增加，而要呈现出起始惯性段，水位H与水流量W之间的传递函数类似于一个积分环节和时滞环节的串联。

系统特性可表示为：式子中，s为拉式算子；k为给水流量改变单位流量时水位的变化速度；T为时间常数。

由于所选用的锅炉的供气量是120t/h，依据此项指标，选用液位变送器的量程160mm 流量计的量程为150t/h，水流量与水位的传递函数为：三、模糊控制系统结构模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。

因此，模糊控制系统的组成具有常规计算机控制系统的结构形式，通常由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构，被控对象和测量装置五部分组成.从理论上讲,模糊控制器的维数越高,控制越精细.但是维数太高,模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。

因此，目前被广泛采用的均是二维模糊控制器。

本设计的锅炉水位模糊控制系统也采用二维结构。

锅炉水位的模糊变量：水位误差为e，水位误差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量控制直流伺服电动机SM两端电枢电压的大小和极性。

模糊PID在水位控制系统中的应用为了解决造纸行业对恒定水位的控制问题，设计并应用了水位恒定控制系统中的模糊PID控制器。

详细论述了模糊PID算法的设计过程，通过实验验证了此方法的可行性。

实现了水位控制系统的PID参数的在线调整，达到了对水位的有效控制的目的。

引言水位控制系统在造纸行业得到广泛应用，如果液位控制不好，液位高了或低了，会影响纸张的质量。

本文将模糊控制和PID控制结合起来，实现PID参数的在线调整，可以有效地解决系统的非线性和不确定性，同时随时根据系统的输入与反馈的偏差及偏差率来调节水位，实现水位的恒定。

实验结果表明，这样既能防止超调又能提高响应速度，明显地改善了系统的动态和静态性能，在水的压力及负载变化的情况下也能保持水位的恒定。

1 水位控制系统本系统的控制对象如图1所示：假若液罐I和液罐Ⅱ里面均是水，由液罐I的水通过进水管的水泵将水输送到液罐Ⅱ。

水位的控制过程如下：水位变送器检测到的水位值通过PLC 送到控制器中，该值与控制器的设定值进行比较，如果检测到的值小于设定值，那么控制器将输出调节信号，经过PLC、手操器，最终将信号送至出水管的电动调节阀上，此信号将阀关小。

如果检测到的值大于设定值，那么阀将开大。

如果检测值与设定值正好相等时，这时的出水量应与水泵的进水量相等，保持动态平衡犯。

2 水位的模糊PID控制2．1模糊PID的构成常规的PID控制虽有着原理简单、使用方便等优点但却不具备在线调整参数P、I、D 的功能，使其不能满足系统在不同条件下对PID参数自调整的要求，模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小。

模糊控制器代替了传统的控制器，它是模糊控制系统的核心部分。

由输入量模糊化、模糊控制规则、模糊决策等几部分组成，如图2所示。

点击图片查看大图图1 水位控制结构框图点击图片查看大图图2 模糊控制系统原理框图2．2模糊-PID控制原理模糊一PID控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，根据不同的偏差和偏差率对PID参数进行在线调整，以满足不同时刻对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能，如图3所示。

液位（压力）二阶模糊控制实验（选学）一、实验目的1．进一步加深对模糊控制理论的理解；2．了解及使用变频器，认识压力变送器。

二、实验原理本实验模糊控制原理还是采用比例控制钟摆无限接近的控制理论，由于该模糊理论并非适用在难控的二阶控制上，所以请不要将液位设置高于75mm，我们在将来的升级中会用更好的模糊理论代替现有的较差的控制理论，这里还要指出好的模糊控制理论在一定程度上比好的PID 控制还要稳定，做的好的模糊控制是经验与理论的最完美结合。

三、实验项目1．在一阶稳定的情况下，用P 控制二阶水箱液位高度；2．用控制效果对比实验，选出比较好的控制值。

四、实验仪器ZCK-II 型智能化测控系统。

五、实验步骤及操作说明1．打开仪器面板上的总电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；2．打开仪器面板上的液位电源开关，绿色指示灯亮起表示系统正常；3，确保贮水箱内有足够的水，参照图2（图见第三章）中阀门位置设置阀门开关，将阀门1、2、5、6 打开，阀门3、4 关闭；4．参看变频器操作说明书将其设置在自动操作挡；5．单击控制器RUN 按钮，使变频器处于工作状态；6．打开计算机，启动ZCK-II 型智能化测控系统主程序；7．用鼠标单击液位控制图形进入液位控制系统主界面，小组实验无须在个人信息输入框填写身份，直接确定即可；8．在液位系统控制主界面中，单击采集卡测试图标，进入数据采集卡测试程序。

确定软硬件正常工作后返回。

9．在液位系统控制主界面中，单击传感器标定图标，进入传感器标定程序。

完成标定后返回。

10．在液位系统控制主界面中，单击二阶模糊PID 系统图标，进入二阶模糊PID液位控制系统程序。

点击控制参数图标，进入控制参数设定界面，按照参数表16 中的小组1 给定的预设参数填写。

确定返回后点击采集参数图标按照参数表16 中的小组1 给定的预设参数填写。

确定返回后点击启动程序图标，观察实验波形，波形满意后点击停止程序图标并用事后观察观察具体波形情况并记录数据于表17 中，记录完毕保存数据（保存的数据可以随意编辑文件名，但请不要更换文件夹以方便教师统一管理）；25表16液位给定值mm 控制周期ms Kp Ki Kd 采样点数采样速率小组1 50 1000 5 0 0 5000 5000小组2 50 1000 10 0 0 5000 5000小组3 50 1000 50 0 0 5000 500011．点击重置程序图标，重复步骤10 的操作按表16 中的小组2 给定的预设参数重新设置控制参数和采集参数（重置后程序返回默认值，即使和上次一样的数值也必须重新输入），观察、记录并保存数据；12．重复步骤11 完成小组3 中给定数值的操作。

基于PLC的模糊PID水箱液位控制系统设计摘要常规PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠，被广泛应用于过程控制中，但常规的PID在系统参数、工作环境发生变化时往往不能获得较好的控制效果。

采用基于PLC 知识和不依赖精确数学模型的模糊控制来解决这类问题。

本文首先通过机理法建立液位控制系统水箱的数学模型，为了改善调节过程的动态特性，采用串级控制，主调节器用模糊控制，副调节器采用PID控制。

根据液位系统的特征，选取合适的模糊控制规则和隶属度函数，建立模糊控制规则查询表，设计PID控制器和模糊控制器，将设计好的串级系统在Simulink软件上进行仿真，比较常规PID 控制器和模糊PID控制器的控制性能。

通过西门子SIMATIC S7-300 PLC 编程系统和力控组态软件6.0设计了西门子PLC 的常规PID系统和模糊PID控制算法。

通过组态软件力控6.0实时监控液位变化，将设计好的液位控制系统进行仿真。

实验表明模糊控制器具有良好的动、静态控制效果。

关键词：过程控制，PID控制，模糊控制，PLC，力控组态软件Based on PLC fuzzy PID water level control system designAbstractThe conventional PID controller simple structure, good stability, reliable working, are widely used in process control, but the conventional PID parameters in the system, working environment change often cannot obtain the good control effect. Based on PLC knowledge and not rely on the accurate mathematical model of fuzzy control to solve the problem.This paper first through the mechanism of water level control system method to establish the mathematical model, in order to improve the dynamic characteristics of the regulatory process, the cascade control, regulation is the fuzzy control, vice regulator PID control. According to the characteristics of liquid level system, to select the suitable fuzzy control rules and membership functions, establish the fuzzy control rules lookup, PID controller and fuzzy controller design, the design good ship machine system in Simulink software, and simulation is the conventional PID controller and fuzzy PID controller control performance.Through the Siemens SIMATIC S7-300 PLC programming system and the force control configuration software design of the 6.0 Siemens PLC conventional PID systems and fuzzy PID control algorithm. Through the configuration software force charged with 6.0 real-time monitoring level changes, Will design good level control system was simulated. Experiments show that the fuzzy controller has good dynamic and static control effect.Key Words: Process control, PID control, Fuzzy control, PLC, Force contro目录1 绪论 (1)1.1过程控制概述 (1)1.2模糊控制理论的产生和发展状况 (2)1.3PLC的特点及发展状况 (3)1.3.1 PLC的特点 (3)1.3.2 PLC技术发展动向 (5)1.3.3 可编程控制器的硬件组成 (6)1.4课题研究的主要内容与论文结构 (6)1.4.1 课题研究内容 (6)1.4.2 论文结构 (7)2 水箱液位控制系统设计及模型分析 (7)2.1水箱液位串级控制系统设计 (8)2.2水箱液位控制系统组成及工作原理 (9)2.3双容水箱数学模型建立与分析 (10)3 PID控制和模糊控制 (14)3.1PID控制 (14)3.1.1 PID简述 (14)3.1.2 数字式PID控制算法 (16)3.2模糊控制 (18)3.2.1 模糊控制器的基本结构 (18)3.2.2 模糊集合 (20)3.2.3 隶属度函数及其确定 (22)3.2.4 模糊推理 (24)3.3液位模糊控制器的设计 (25)4 系统硬件设计 (31)4.1西门子S7-300PLC (31)4.2液位控制系统组成 (32)5 PLC编程实现 (35)5.1西门子S7-300编程基础 (35)5.2STEP7编程 (36)5.3控制算法的实现 (38)5.3.1 程序流程图 (38)5.3.2 梯形图程序 (40)5.4组态软件力控6.0 (43)5.5常规PID与模糊PID控制器性能比较 (44)5.5.1 用MATLAB模糊逻辑工具箱设计模糊控制器 (44)5.5.2 SIMULINK仿真 (46)结论 (48)致谢 (49)参考文献 (50)附录 (52)1绪论1.1过程控制概述过程控制技术是利用测量仪表、控制仪表、计算机、通信网络等技术工具，自动获得各种变量的信息，并对影响过程状况的变量进行自动调节和操作，以达到控制要求等目的的技术。

基于模糊控制的水箱液位控制系统设计在工业中，水平液位控制是控制系统中的重要部分，它能够有效地保持水箱液位在特定的水平。

一个高效的液位控制系统可以帮助我们高效地实现水箱液位的控制从而避免浪费水资源，从而节约成本。

随着技术的进步，模糊控制已经开始成为一个重要的技术，它可以有效地支持水箱液位控制系统的构建与管理。

首先，本研究保留了传统水箱液位控制系统的基本结构，并使用模糊控制理论来优化控制系统从而实现精确的控制效果。

首先，在生成模糊规则的过程中，将采用梯度下降法和变量化规则抽象的相结合的方法来确定模糊控制参数，以最大化水箱液位控制效果。

接下来，在模糊控制的实现过程中，会使用PID算法，以及模糊规则生成器，让检测出来的反馈信号与模糊规则生成器控制信号进行比较，并结合反馈回路系数，以调整水箱液位控制系统的运行状态。

此外，在实现水箱液位控制系统的控制部分中，将采用两个独立的控制器对水箱的液位进行控制，其中一个主控制器采用传统的PID控制算法，并配合模糊控制算法进行控制；另一个子控制器则采用线性状态反馈算法，由两个控制器一起实现更好的全局水箱液位控制。

在本研究中，还提出了一种基于数字滤波及模糊控制的结合策略，以便更好地抑制系统噪声并实现更准确的水箱液位控制。

该策略中，首先会采用数字滤波技术来减少系统的噪声，然后再采用模糊控制算法来解决系统控制的实际问题。

最后，本研究中建立了一个模型仿真实验，主要用于检验在水箱液位控制方面的实际效果。

仿真实验包括模型的建立，模糊控制参数的确定，液位控制策略的调整，以及液位控制策略的比较等。

仿真结果表明，采用本研究中建立的模糊控制策略，可以有效地调节水箱液位，达到良好的控制效果，表明该模糊控制策略有效可靠。

综上所述，本文针对传统水箱液位控制系统的局限性，提出了一种基于模糊控制的水箱液位控制系统的设计方案，通过梯度下降法和变量化规则抽象的相结合的方法来确定模糊控制参数，以最大化液位控制的效果，并采用PID算法和模糊规则生成器来实现更加精确的水箱液位控制，经过仿真实验和结果分析，证明了该控制系统的有效性和可靠性。

摘 要双容水箱液位控制系统具有过程控制中动态过程的一般特点:大惯性、大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而使其成为过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。

因此，双容水箱液位控制系统在耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究中得到了广泛的关注。

本文以双容水箱液位控制系统为对象，先讨论最普遍的研究方法——串级控制，并在A3000过程控制系统上实现双水箱液位串级控制系统，其次，在实验的基础上推导双容水箱的数学模型，由于双容水箱是一个典型的非线性时变多变量耦合系统，用常规的控制手段很难实现理想的控制效果。

因此，引入模糊控制技术，将模糊控制与传统的PID 控制结合，设计出模糊PID 控制器，并进行Simulink 仿真。

仿真结果表明，模糊PID 控制器的控制效果比常规PID控制器的控制效果理想，和串级控制系统达到类似的效果。

关键词:双容水箱，模糊PID，液位控制AbstractTwo-capacity water tank level control system is in the process control dynamic process of the general characteristics: large inertia, the time delay, non-linear, not their precise control, thereby making it a teaching process control, testing and research of the ideal experimental plat form . Therefore, the dual-capacity water tank level control system in the coupled non-linear system monitoring and fault diagnosis method in the study received widespread attention. Based on dual-capacity water tank level control system for the object, First discuss the most common research methods - cascade control and process control system on the A3000 dual tank level cascade control system,second, The basis of the experimental two-capacity water tank derived a mathematical model ,Because of the capacity of water tanks is a typical multi-variable nonlinear time-varying coupling system, using conventional means of control difficult to achieve the desired effect of control. Therefore, the introduction of fuzzy control technology, fuzzy control with the traditional combination of PID control, designed fuzzy PID controller, and Simulink simulation, And cascade control system to achieve a similar effect.Key words：Two-capacity water tanks, fuzzy PID, Level Control第一章 前 言 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.1.1 选题背景 (1)1.1.2 研究意义 (2)1.2 本文的主要研究内容 (3)第二章 串级控制系统 (4)2.1 串级控制系统的特点 (4)2.2 串级控制系统的设计原则 (4)2.2.1 主、副变量的选择与主、副回路的设计 (4)2.2.2 调节规律 (5)2.3 双水箱液位串级控制系统设计分析 (6)2.4 双水箱液位串级控制系统在A3000 上的实现 (7)2.4.1 原理分析 (7)2.4.2 主、副控制器正反作用的确定 (7)2.5 双水箱液位串级控制系统的投运和整定 (8)2.5.1 双水箱液位串级控制系统的投运 (8)2.5.2 控制器参数整定 (9)第三章 模糊控制理论基础 (11)3.1 双容水箱液位控制系统的数学建模 (11)3.2 模糊自动控制的基本思想 (12)3.3 模糊控制特点 (14)3.4 模糊控制系统的组成 (15)3.5 模糊控制系统的设计 (16)3.5.1模糊控制器的设计原则 (16)3.5.2 模糊控制器的常规设计方法 (17)3.5.3模糊控制器组成 (18)3.6 模糊控制与PID 算法的结合 (20)第四章 双容水箱液位控制系统的仿真研究 (23)4.1 MATLAB 简介 (23)4.1.1 模糊逻辑工具箱 (23)4.1.2 SIMULINK 工具箱 (23)4.1.3 MATLAB 在模糊控制仿真中的应用 (23)4.2 模糊PID 双容水箱液位控制的仿真 (24)4.2.1 模糊控制器的simulink 仿真 (24)4.2.2 双容水箱液位控制的模糊PID 仿真 (37)4.3 对比与结论 (37)第五章 结论与展望 (39)5.1 研究工作总结 (39)5.2 展望 (39)参 考 文 献 (41)致 谢 (42)第一章 前 言1.1 研究背景及意义1.1.1 选题背景过程控制是石油、化工、冶金等工业部门中重要的控制手段，它采用各种检测控制仪表，实现对生产过程的自动检测与控制。

液位计算机控制系统设计方案1、系统设计方案1.1 系统设计方案比较对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。

两种方式的实现如下：(1)简单的机械式控制方式。

其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。

存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。

这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D 变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。

本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。

1.2 系统设计总框图图2-1 系统总体框图1.3 A/D转换模块设计方案TLC1543美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。

采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。

TLC1543为20脚DIP装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1 所示。

其中A0～A10（1～9 、11、12脚）为11 个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18脚）和DATA OUT（16脚）。

ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。

DATA OUT 为A/D 换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。

基于PLC的液位控制系统毕业设计论文目录1. 内容概述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究目的 (4)1.3 研究意义 (4)1.4 国内外研究现状 (5)1.5 论文结构 (6)2. PLC控制系统基础 (7)3. 液位控制系统需求分析 (9)3.1 系统概述 (10)3.2 系统功能需求 (11)3.3 系统性能指标 (12)3.4 系统设计约束 (14)4. 液位控制系统硬件设计 (15)4.1 硬件组成及连接方式 (17)4.2 传感器选型及安装方式 (18)4.3 执行器选型及安装方式 (20)4.4 PLC选型及安装方式 (22)4.5 电气接线及调试 (24)5. 液位控制系统软件设计 (24)5.1 软件架构设计 (26)5.2 控制算法设计 (28)5.3 PLC程序编写 (29)5.4 仿真与调试 (31)6. 系统集成与测试 (33)6.1 系统集成方案设计 (34)6.2 系统测试与验证 (36)6.3 结果分析与讨论 (37)7. 结论与展望 (38)7.1 研究成果总结 (39)7.2 进一步研究方向建议 (40)1. 内容概述本毕业设计论文旨在深入研究和探讨基于可编程逻辑控制器（PLC）的液位控制系统设计与实现。

通过系统化的设计流程，结合理论分析与实际应用，全面阐述PLC在液位控制中的关键作用及其优化策略。

随着工业自动化技术的不断发展，液位控制作为工业生产过程中的重要环节，其精确性和稳定性对于保障产品质量和生产效率具有至关重要的作用。

PLC作为一种高效、可靠的工业控制设备，在液位控制领域得到了广泛应用。

本研究将围绕基于PLC的液位控制系统展开深入研究。

PLC具有强大的数据处理能力，能够实时监控液位变化，并根据预设的控制算法输出相应的控制信号。

PLC的可靠性高、抗干扰能力强，能够在恶劣的工业环境下稳定运行。

PLC还具有易于扩展和维护的特点，便于用户根据实际需求进行系统升级和改造。