基于PID的上水箱液位控制系统设计

水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试【摘要】在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。

因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，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，能收到很好的效果。

PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

【关键词】水箱液位；PID控制；液位控制；Matlab仿真一．引言在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。

因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，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，能收到很好的效果。

本论文利用PID算法在matlab中进行仿真并讲解实物搭接效果，具体如下：1、利用指导书中推导的模型和实际的参数，建立水箱液位控制系统的数学模型，并进行线性化；2、构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足σ%≤10%0.5秒，静态误差小于2%；3、通过在matlab编程中求取合适的反馈变量K,然后与仿真模型结合构成最优控制的水箱液位系统，通过图形分析是否满足系统的性能参数；4、加入P、PI、PD、PID环节分别进行调试；5、选取合适的极点并通过图形分析是否满足系统的性能参数；6、比较加入各种不同PID 环节下的优缺点；7、实物搭接；8、比较在不加扰动和加扰动情况下以及在各种不同环节作用下系统性能。

二．水箱液位控制系统的设计及实物调试该题目包括MATLAB 软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对 系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。

基于PID的液位控制系统的设计与实现液位控制系统是工业生产过程中常用的控制技术之一、PID（比例-积分-微分）控制器是一种经典的控制算法，可以有效地实现液位控制。

本文将设计和实现基于PID的液位控制系统。

液位控制系统一般由传感器、执行器和控制器组成。

传感器用于测量液位高度，执行器用于调节液位，而控制器则根据测量值和设定值之间的差异来控制执行器的运动。

在这个过程中，PID控制器起到关键的作用。

首先，我们需要设计传感器来测量液位高度。

常见的液位传感器有浮子式、压力式和电容式传感器。

根据实际应用需求，选择适合的传感器。

传感器的输出值将作为反馈信号输入到PID控制器中。

其次，我们需要选择合适的执行器来调节液位。

根据液位的控制需求，可以选择阀门、泵等执行器。

这些执行器的动作是由PID控制器输出的控制信号来控制的。

接下来，我们将重点介绍PID控制器的设计和实现。

PID控制器由比例、积分和微分三个部分组成。

比例部分输出和误差成正比，积分部分输出和误差的累积和成正比，微分部分输出和误差的变化率成正比。

PID控制器的公式为：输出=Kp*错误+Ki*积分误差+Kd*微分误差其中，Kp、Ki、Kd是PID控制器的三个参数。

这些参数的选择对于系统的稳定性和响应速度有重要影响。

参数的选择需要通过实验和调试来确定。

在PID控制器的实现中，有两种常用的方式：模拟PID和数字PID。

模拟PID控制器基于模拟电路实现，适用于一些低要求的应用场景。

数字PID控制器基于微处理器或单片机实现，适用于更复杂的控制场景。

在具体的实现中，我们需要先进行系统建模和参数调整。

系统建模是将液位控制系统转化为数学模型，以便进行分析和设计。

常见的建模方法有传递函数法和状态空间法。

参数调整是通过实验和仿真等手段来确定PID控制器的参数。

接下来，根据建模和参数调整的结果，我们可以进行PID控制器的实际设计和实现。

在设计过程中，需要注意选择合适的控制算法和调试方法，以保证系统的稳定性和性能。

FX5U PLC在PID控制方面的应用非常广泛，以下是一个基本的PID控制案例：案例：水箱液位PID控制一、系统描述此案例为一个单容水箱液位控制系统，其目标是通过PID控制算法来维持水箱内的液位在设定值。

当液位低于设定值时，PID控制器将增加进水阀的开度，以增加进水量；当液位高于设定值时，PID控制器将减小进水阀的开度，以减少进水量。

二、硬件配置FX5U PLC：作为主控制器，负责接收液位传感器的信号，并根据PID算法计算结果控制进水阀的开度。

液位传感器：采用模拟量输出型液位传感器，其输出信号为4-20mA，对应液位的0-100%。

进水阀：采用电动调节阀，其开度可通过PLC输出的模拟量信号进行控制。

三、软件编程PLC程序需要首先读取液位传感器的模拟量输入信号，并将其转换为实际的液位值。

由于FX5U的PLC本体模拟量输入是电压类型，所以需要通过外部电路将传感器的4-20mA电流信号转换为0-10V的电压信号，然后再通过PLC的A/D转换功能将其转换为数字量。

在获取到实际的液位值后，PLC程序需要将其与设定值进行比较，并根据偏差值计算出PID 控制器的输出。

FX5U PLC内置了PID控制功能块，可以直接调用进行PID计算。

PLC程序最后将PID控制器的输出转换为电动调节阀的开度控制信号，通过PLC的D/A转换功能将其转换为模拟量电压信号输出给电动调节阀。

四、调试与优化在系统投入运行前，需要对PID控制器的参数进行调试与优化。

一般来说，PID控制器的参数包括比例增益、积分时间和微分时间三个部分。

这三个参数的设置需要根据系统的实际情况进行调整，以达到最佳的控制效果。

在调试过程中，可以先将积分时间和微分时间设为0，只调整比例增益，使系统达到基本的稳定状态；然后再逐步增加积分时间和微分时间，以改善系统的动态性能。

在调整参数时，需要注意观察系统的响应情况，避免出现超调或振荡等不稳定现象。

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。

实验二上水箱液位简单PID 控制实验一.实验目的1. 通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2. 分析分别用P 、PI 和PID 调节时的过程图形曲线。

3. 定性地研究P 、PI 和PID 调节器的参数对系统性能的影响。

二.实验原理图3-1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，PID 控制器电动调节阀上小水箱液位变送器+ ─给定液位图3-1、实验原理图扰动不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图3-2中的曲线①、②、③所示。

图3-2、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线三.实验设备AE2000A型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、万用表一只四.实验内容和步骤1、设备的连接和检查：1)将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。

基于PLC的水箱液位PID控制摘要本设计的课题是基于PLC的水箱液位PID控制。

在设计中，主要是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文设计中用到的PID算法较多，而在PLC方面的知识较少。

本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， S7-200系列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讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。

关键词：S7-200系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，PID指令，The liquid level control system based on PLCAuthor：Yan ZhengjunTutor：Wang HongweiABSTRACTThe subject of graduation design is based on PLC, liquid level control systemdesign. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model andcontrol algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PIDalgorithm, PLC in less knowledge.Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curveanalysis, S7-200 series PLC hardware control, PID tuning parameters and variousparameters of the control performance comparison, the application PID controlalgorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce andexplain the various parts of the PLC process control commands to control the tanklevel PID instruction.Keywords：S7-200 series PLC, PID control algorithm, to expand the criticalproportion method, PID instruction,目录第一章绪论............................................................. 错误!未定义书签。

过程控制系统与仪表课程设计报告设计题目：基于单片机的一阶水箱液位控制学生姓名：设计时间：2014年5 月摘要本文介绍了一阶水箱控制过程的设计方案，主要设计了一个基于51单片机的液体转移监控装置，通过建立控制对象的数学模型，完成系统PID参数整定，达到液位控制效果，并通过外设界面实时显示液位高度。

控制对象是一单容储液箱重量控制过程，其具有自衡特性，便于传递函数建模，通过Matlab上的simulink仿真工具进行PID仿真测试，确定理论控制参数；在硬件方面，装置以升级版51芯片STC125A60S2为主控，运用了矩阵键盘作为输入设备，LCD1602为显示设备，4块电阻应变片组成的全桥测量电路作为传感检测设备，以及通过PWM控制LM298电机驱动模块实现水泵输出量可调。

本文从系统方案选择与论证，硬件电路设计和系统软件等方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液位的实时测量与显示。

最后，本文总结了设计过程中出现的问题及解决方法，简要叙述了所获数据的处理方法，引出了进一步设计开发的思路。

关键词：传感器测量电路PID控制AD转换电机控制目录摘要 (2)一、设计题目 (4)二、设计报告正文 (6)2.1设计思路及总体方案 (6)2.1.1 设计思路 (6)2.1.2 系统控制总体方案 (6)2.2 过程控制建模系统框图 (6)2.2.1 系统的结构框图 (6)2.2.2被控对象解析 (7)2.2.3传递函数参数的确立 (8)2.2.4一阶环节的阶跃响应特性及惯性环节的参数确定 (9)实际参数本该由实际装置取样,通过上述方法得到,但本设计我们未制作实物,故只能参考其他设计取如下值 (9)2.2.5 Simulink仿真及PID参数整定 (9)2.2.6经验法测定PID参数 (11)2.3 硬件电路设计 (11)2.3.1 硬件设计总体方案 (12)2.3.2 51单片机最小系统硬件设计 (12)2.3.3按键设计 (14)2.3.4显示单元硬件设计 (14)2.3.5传感检测模块设计 (15)2.3.6 A/D转换单元硬件设计 (16)2.3.7电机驱动硬件设计 (16)2.3.8 通信模块设计 (17)2.3.9 原理图 (18)2.4 程序设计 (18)2.4.1 程序流程 (18)2.4.2 PID控制器 (19)2.4.3 矩阵扫描程序 (20)2.4.4 LCD1602显示程序 (20)2.4.5 AD采集程序 (21)2.4.6 PWM电机驱动程序 (23)三、结果分析 (23)四、设计总结 (25)参考文献 (25)一、设计题目设计并制作一个液体转移监控装置，示意图如下图所示：图 1 设计示意图放置两个盛水容器，分别为A容器和B容器，A容器盛有足量的水，B容器为空，底部中心挖一个出水圆孔。

上水箱液位PID整定实验一、实验目的1.了解PID控制器的工作原理。

2.学习如何进行PID控制器的整定。

3.掌握调节器输出动作的基本知识。

4.了解水箱液位控制系统的结构和原理。

二、实验原理PID控制属于比例、积分、微分三个控制算法的组合，即P、I、D控制。

通过对输入信号进行调整，使输出信号在偏差与时间的积分、微分和比例系数的调整下，稳定地跟随被控量的变化，并使被控量得以稳定地达到设定值。

PID控制的算法中，P一般是比例控制，I和D则是积分控制和微分控制。

P控制比较简单，是通过比例增大或减小累计偏差来控制输出，使其更快地逼近设定值。

而I控制则是根据累计偏差来调节输出，以达到逼近设定值的效果。

D控制则是基于偏差的微分来调节输出，以保证控制系统尽快地达到稳态。

2. 液位控制系统原理在工业、农业等领域，水箱液位控制系统是很重要的一个组成部分。

水箱液位控制系统的基本构成部分包括水箱、液位传感器、液位控制器和执行器。

当水箱的液位高于或低于设定的液位阈值的时候，液位控制器会自动调节执行器的开启和关闭，以维持水箱中的水位不变。

三、实验步骤1. 实验器材准备电源、PID控制器、直流风扇、水箱、水泵、液位传感器。

首先，将PID控制器的输出全部关闭。

接着将控制器设定至手动模式，并设置比例系数Kp值为0、积分系数Ki值为0、微分系数Kd值为0。

然后，还需将PID控制器的上下限设置至5V。

接下来，按照以下步骤进行PID整定：1. 设置环节：将PID控制器的输出调至手动模式，然后将Kp和Kd系数设定为0，Ki系数设定为较大的值，然后设定积分时间常数Ti。

2. 调整输出：将水泵的初始速度调整至较高的水平，然后开始设置PID控制器的输出范围，逐步降低水泵的速度，直至PID控制器的输出达到上限。

现在，可以手动调整输出以达到所需的液位目标。

接下来，将PID控制器的输出恢复至自动模式。

4. 更新参数：将最终的Kp、Kd和Ki值输入PID控制器，并更新参数。