水箱拉丝机电气控制系统设计_周海波

基于PLC水箱液位控制系统毕业设计水箱液位控制系统是一种常见的自动化控制系统，通过控制水位的高低来实现水箱中水的供应与排放。

该系统常用于水处理、供水系统、工业生产等领域。

本篇毕业设计将基于可编程逻辑控制器（PLC）来设计一个水箱液位控制系统。

PLC作为控制器，能够实现对水位的监测、控制和保护。

首先，本设计将使用传感器来监测水箱的液位。

液位传感器将放置在水箱内部，在不同的液位位置测量水的高度。

传感器将通过模拟信号将液位信息传输给PLC。

PLC将读取并处理传感器的信号，得到水箱的液位信息。

其次，PLC将根据液位信息来控制水泵的运行。

当水箱的液位低于一定的阈值时，PLC将启动水泵，从水源处将水注入到水箱中。

当液位达到一定的高度时，PLC将关闭水泵，停止水的注入。

通过控制水泵的启动和停止，系统可以实现自动补水，从而保持水箱的水位在一个恰当的范围内。

此外，本系统还将具备一定的保护功能。

当水箱液位过高或过低时，PLC将触发报警装置，以便及时采取措施解决问题。

同时，系统将设置相应的安全控制，以防止水泵出现过载或短路等故障。

为了实现PLC控制系统的功能，本设计将使用PLC编程软件进行程序的编写和调试。

程序将根据液位传感器的输入信号，进行逻辑判断和控制指令的输出。

同时，本设计将与水泵、报警装置等硬件进行连接，以实现实际的控制功能。

最后，本设计将进行系统的仿真和调试。

通过模拟真实的液位变化情况，测试系统的控制性能和稳定性。

在确保系统正常运行的前提下，对系统进行各项性能指标的测试和评估。

通过该毕业设计的实施，我将能够掌握PLC水箱液位控制系统的原理和设计方法，提升自己在自动化控制领域的实践能力和工程应用能力。

同时，通过该设计的完成，也能为工业生产中的水箱液位控制问题提供一种可行的解决方案。

水箱自动控制系统设计毕业论文本科毕业设计（论文）水箱自动控制系统设计专业：机械设计制造及其自动化摘要工业中很多控制问题都可以归结于水箱控制问题，研究水箱控制系统具有很好的科研和实用价值。

温度、液位、压力、流量是水箱控制中最常用的控制量，可以应用于很多控制方案中。

比如：在水塔供水系统、高位水箱供水系统、汽车水箱供水系统、液压泵供油系统等系统中都有广泛的应用。

本文以80C51单片机系统为核心，开发设计了一套水箱温度、液位、压力、流量的自动控制系统。

该系统可以实现设定参数的键盘输入；温度、液位、压力、流量的自动控制；日历时间的显示；自动声光报警。

整个系统搭建方便，价格便宜，具有一定的实用价值。

控制系统设计流程为：①报警参数键盘输入和显示；②模拟量信号采集；③A/D转换和数字滤波；④对A/D转换数据进行LCD显示；⑤温度、液位、压力、流量的控制；⑥时间和日历显示。

相关功能采用具有实时性的汇编语言实现。

本论文详细论述了怎样实现水箱温度、液位、压力、流量的自动控制，第一章简要的介绍了水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的应用，以及单片机控制系统概述。

第二章介绍了控制系统的总体功能设计分析以及方案设计。

第三章介绍了系统的主要硬件配置和传感器选择。

第四章详细的介绍了系统的软件设计。

第五章介绍了系统的调试以及运行结果。

最后则对本次设计进行了全面的回顾以及对水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的不足提出改进方案。

关键字：水箱80C51 自动控制AbstractIn industrial area, many control problems can be attributed to water tank control model, so the research of water tank controlsystem has scientific and practical value. Temperature, water level, pressure and flow rat are the most commonly used parameters in the water tank control, and can be applied to many control systems. For example: in the water tower supply systems, high water tank supply system, car water tank supply system, hydraulic pump oil supply system and other supply system. It is widely used.In this paper, a temperature, water level, pressure, and flow rat automatic control system of water tank was designed based on 80C51 SCM system. This system has functions as follow: alarm parameters keyboard input; temperature, water level, pressure, flow rat automatic control; time and calendar display; sound and light automatic alarm. The whole system is structures convenient, inexpensive and has certain practical value. The control system design process is：①alarm parameters keyboard input and display; ②analog signal acquisition; ③A/D conversion and digita l filtering;④the A/D conversion data LCD display; ⑤temperature, water level, pressure, flow rat control; ⑥time and calendar display. The related function of this system can be achieved by using real-time compilation language.Temperature, water level, pres sure, flow rate’s automatic control of water tank was discussed in detail on how to achieve in this paper. In chapter 1, temperature, water level, pressure, flow rate automatic control system’s practice of water tank, and SCM control s ystem’s overview was briefly introduced. In chapter 2, control system’s overall function analysis design and scheme design was introduced. In chapter 3, systems’s main hardware configuration and sensor choice was introduced. In chapter 4, system software design was introduced in detail. In chapter 5, system debugging and the results were introduced. A comprehensive review of this design was made and a improvescheme of industrial water tank temperature, water level, pressure, flow rat automatic control system’s weakness was proposed in the end of this paper.Key words:water tank 80C51 automatic control目录第1章绪论 (1)1.1水箱温度液位压力流量控制系统综述 (1)1.2单片机控制系统综述 (2)1.2.1 单片机的简要发展历史 (2)1.2.2 当前世界范围内单片机的发展领域 (3)1.2.3 单片机的发展趋势 (3)1.2.4 单片机的应用 (4)第2章系统总体设计 (6)2.1总体功能设计分析 (6)2.2系统硬件模块 (7)2.3系统软件模块 (8)第三章系统主要硬件配置 (9)3.1控制系统主要硬件介绍 (9)3.1.1单片机控制模块 (9)3.1.2 ADC0809模块 (11)3.1.3 8155并行I/O口扩展模块 (12)3.1.4 DS12887时钟模块 (16)3.1.5 12232A液晶模块 (20)3.2传感器的选择 (24)3.2.1温度传感器选择 (26)3.2.2 液位传感器选择 (27)3.2.3 压力传感器选择 (29)3.2.4 流量传感器选择 (30)第四章控制系统软件设计 (33)4.1整体软件设计 (33)4.2报警参数输入部分 (34)4.3A/D转换和数字滤波 (40)4.3.1 模拟量数据采集 (40)4.3.2 数字滤波处理 (41)4.3.3 模拟信号的输出变换 (41)4.3.4 A/D转换和数字滤波 (43)4.4LCD液晶显示 (47)4.5控制部分设计 (52)4.5.1 温度控制部分设计 (52)4.5.2 液位控制部分设计 (54)4.5.3 压力控制部分设计 (57)4.5.4 流量控制部分设计 (57)4.6时钟日历显示 (58)第五章系统调试 (62)结论 (67)致谢 (68)参考文献 (69)附录1 毕业实习报告 (70)第1章绪论1.1水箱温度液位压力流量控制系统综述水箱控制是工业控制中广泛应用的控制方案，工业中很多控制问题都可以归结于水箱控制问题，因此研究水箱控制系统具有很好的科研和实用价值。

题目高低位水箱供水系统电气控制系统的设计学院(部) 电子与控制工程学院专业班级学生姓名学号12 月 23 日至 12 月 30 日共 1 周指导教师(签字)系主任(签字)2013 12 月 12 日\高低位水箱供水电气控制系统课程设计说明书一、设计内容及要求：该设计为建筑生活水泵电器控制系统设计，要求以继电器为中心控制单元。

要设计出满足要求的电气原理图、以及安装布置图、接线图和控制箱的设计。

其具体控制要求为：1.高低位水箱均设水位信号器。

高位水箱水位达到低位，低位水箱水位达到高位时，水泵起动；高位水箱水位达到高位或低位水箱水位达到低位时，水泵停止。

2.两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换，只有一台水泵工作。

当工作泵出现故障时，备用泵自投。

水泵功率。

3.具有手动、自动工作方式。

4.各种指示及报警。

二、控制系统设计1、基本设计思路高低位水箱系统的工作原理为：将地下室生活水池的水经水泵加压供到各楼屋面不同标高的水箱，再经水箱将水供到各个住户用水点。

系统设置为给水管道按图施工并在屋面设置好水箱和地下室设好水池，在水箱和水池上设置好水位传感器，若水箱水位都到设计水位，水泵将停止工作，哪个水位不足控制箱会使指令水泵启动往那个水箱直接供水，远传液位电动阀会自动关闭水位已满的水箱。

生活水池若低于设计水位，控制箱将自动停止水泵工作，以保护水泵设备。

本系统设置为高低位水箱，高位水箱即为用户水箱，低位水箱相当于地下室生活水池。

根据控制要求（1），系统电路共有主电路、信号电路和控制电路等三部分组成。

根据水泵控制要求（1），水泵电动机的起动和停止应受高位水箱水位信号器和低位水箱水位信号器发出信号控制。

当低位水箱水位为高水位，且高位水箱水位为低水位时发出起泵信号，当低位水箱水位为低水位，或高位水箱水位为高水位时发出停泵信号。

根据控制要求（2），工作泵不能正常运行时，备泵应能自动投入。

工作泵与备用泵二者工况转换的关键是寻找一个合适的转换信号，即能反映工作泵不能正常运行的信号。

济南铁道职业技术学院毕业设计题目：水箱液位控制系统设计系别：电气工程系专业：电气自动化班级：0631班****：*******：**目录任务书 (2)摘要 (3)1 绪论 (4)1.1 过程控制的定义 (4)1.2 过程控制的目的 (4)1.3 过程控制的特点 (5)1.4 过程控制的发展与趋势 (5)2 水箱液位控制系统的原理 (6)2.1 人工控制与自动控制 (6)2.2 水箱液位控制系统的原理框图 (7)2.3 水箱液位控制系统的数学模型 (8)3 水箱液位控制系统的组成 (11)3.1 被控制变量的选择 (11)3.2 执行器的选择 (11)3.3 PID控制器的选择 (15)3.4 液位变送器的选择 (17)4 PID控制规律 (18)4.1 比例控制 (18)4.2 积分控制 (21)4.3 微分控制 (21)4.4 比例积分控制 (21)4.5 比例积分微分控制 (22)5 应用实例 (22)5.1 液位控制在厕所中的应用 (22)5.2 液位控制在汽车上的应用 (23)总结 (24)致谢 (25)参考文献 (25)济南铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书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。

本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。

作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。

单容水箱液位控制系统设计一、引言单容水箱液位控制系统是一种常见的工业自动化控制系统。

它主要用于监测和控制水箱的液位，确保水箱中的液位保持在特定的范围内。

本文将介绍单容水箱液位控制系统的设计原理、硬件电路设计、软件设计以及系统测试和实施。

二、设计原理1.传感器模块传感器模块用于监测水箱中的液位。

一种常用的传感器是浮球传感器，它随着液位的变化而移动，从而输出不同的电信号。

传感器模块将传感器输出的信号转换为数字信号，并传送给控制器模块进行处理。

2.控制器模块控制器模块是整个系统的核心，它接收传感器模块传来的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。

控制器模块通常使用单片机或者嵌入式系统来实现。

它可以通过开关控制执行器模块的工作状态，以调节水箱的液位。

3.执行器模块执行器模块用于控制水箱的进水和排水。

在液位过低时，执行器模块打开水泵，使水箱进水；在液位过高时，执行器模块关闭水泵，使水箱排水。

执行器模块可以采用继电器、驱动电机等元件来实现。

三、硬件电路设计1.传感器模块传感器模块将传感器的信号转换为数字信号。

可以使用模拟到数字转换器（ADC）将传感器输出的模拟电压转换为数字信号，然后通过串口等方式传送给控制器模块。

2.控制器模块控制器模块可以使用单片机或者嵌入式系统来实现。

它需要包括输入接口、控制逻辑和输出接口。

输入接口负责接收传感器模块传来的信号，控制逻辑通过判断液位范围来控制执行器模块的工作状态，输出接口负责向执行器模块发送控制信号。

3.执行器模块执行器模块根据控制器模块的信号控制水箱的进水和排水。

可以使用继电器或驱动电机等元件来实现。

进水时，可以通过开启水泵或开启电磁阀等方式；排水时，可以通过关闭水泵或关闭电磁阀等方式。

四、软件设计软件设计主要包括控制器模块的程序设计。

程序需要实时监测传感器模块的信号，并根据预设的液位范围进行判断和控制。

可以使用状态机或者PID控制算法来实现。

1.状态机状态机通过定义不同的状态和状态转移条件来实现控制逻辑。

水箱液位自动化PLC控制系统基于PLC的液位控制系统是一种以液位为控制参数的控制系统，目前已广泛应用于各种工业生产领域，例如水箱液位自动化PLC控制系统。

液位控制通常是以特定液位进行自动控制调整以达到所需的精度要求。

基于PLC的控制系统不仅满足了液位控制的精度要求，同时也提高了系统控制的可操作和可靠性。

因此，对基于PLC 的液位控制系统研究很有必要。

水箱液位自动化PLC控制系统较传统电气控制而言，PLC 具有控制方式上可操作性强、拥有扫面工作方式、控制速度反应快、不易受其他因素干扰、定时范围广、稳定性好、成本低、使用方便、形象直观、容易升级等优点。

图1为液位系统控制原理图，其原理主要是通过传感器接收装置，经过AD/DA转换成数字，计算机接收到该信号并判断是否达标。

当液位低于水箱下限位X2时，水箱下限位警示灯亮，同时补液电机Y2打开，使得水箱液位上升。

当液位达到水箱上限位X1时，水箱上限位警示灯亮，同时补液电机Y2关闭，使得水箱液位下降。

从而使得水箱里面的水位稳定于正常态。

水箱液位自动化控制系统PLC机型选型上，鉴于系统在设计过程中未包含过多传感器，优先选择了三菱公司生产的FX3U－16MT/ES －A系列PLC控制器，这款输出规格为晶体管( 漏型) 的继电器，控制点数实际为16点，输入输出各占8点。

液位传感器选用静压投入式液位变送器(液位计)，该液位计精度高且环保，对于系统的控制可以达到实时监控的要求，而所设计的系统需实时对液位进行感应，工作环境精度要求较高，所以该类别液位计保证了对液位进行实时调控，避免水位溢出，造成工业上的安全隐患。

将所选好的液位计安插在水槽的上下限位中，当液位低于水槽下限位时，液位计感应到水位下降，同时获取液位过低信号，通过信号处理器传入PLC，PLC感应到信号后，对外输出判断信号，驱动供水电机驱动，使得水位上升。

特性的多输入多输出系统,而工业生产过程中的许多被控对象都可以抽象成四容水箱系统的数学模型[2],因此将四容水箱实验系统应用于自动控制相关课程的实验教学中,可以帮助学生更好地了解控制系统建模㊁掌握控制器设计等理论知识㊂目前已有许多科研人员利用多容水箱进行了先进算法的验证,如预测控制[3⁃5]㊁模糊控制[6]㊁自抗扰控制[7]和解耦控制[8⁃9]等㊂贺宇[2]基于四容水箱的最小相位系统结构设计了一种部分分散控制器,仿真结果表明,这种控制器具有与集中控制相近的效果,且控制结构简单㊂Bamimore 等[3]采用两种人工神经网络方法,对三容水箱进行建模与预测控制,结果表明,模糊神经网络在调节时间上优于传统神经网络㊂贺宇等[5]对双容水箱采用多模型自适应预测控制方法,并对其进行了仿真,仿真结果验证,与单模型相比多模型的响应速度更快,具有更好的性能㊂李志军等[9]采用PLC(Programmable Logic Controller)㊁模拟量输入㊁输出模块搭建了一套装置,并通过OPC(Object linking and embedding for Process Control)技术将PLC 与仿真平台连接,从而实现对水箱液位的控制㊂何迪[10]提出了一种带有模糊解耦的神经网络预测控制策略,对不同的期望液位,均能达到较好的跟踪效果,且不需要改变系统内部参数,鲁棒性较强㊂然而这些研究仅限于仿真分析,并没有进行实物验证㊂赵一博[11]利用OPC 通讯技术将Matlab 与PLC /HMI(Human Machine Interface)工业控制系统进行集成,开发出一套基于Matlab /Simulink 实时网络控制的四容水箱实验系统,并分别验证了多变量内模PID(Proportion Integral Differential)控制算法和模型预测控制算法的有效性㊂研制出一套具有开放算法㊁操作简便㊁稳定可靠㊁人机交互界面友好等特点的四容水箱实验装置,对科研和教学均有很大助益㊂笔者研究了一套自主设计开发的四容水箱实验装置,设计了分散内模控制器进行液位控制,该控制器具有结构相对简单㊁可调参数少㊁易于实现的优点㊂实验结果表明,该实验装置应用于自动化专业实验教学中,具有较好的教学和实验效果㊂1　四容水箱实验装置设计四容水箱实验装置设计分为硬件和软件2部分㊂图1给出了搭建的四容水箱实验装置的实物图,图2给出了四容水箱系统的物理模型示意图㊂该装置的2个水泵分别为水箱1~4供水,其中水泵1为水箱1㊁4供水,水泵2为水箱2㊁3供水㊂水箱1~4底部均设有1个排水阀,水箱3排出的水流入水箱1中,水箱4排出的水流入水箱2中㊂水箱1㊁2流出的水进入储水箱㊂管道内设有多个阀,通过调整阀门开启角度的大小,可实现对各水箱进㊁出水量的控制,能对水箱的性能进行相应的调整㊂图1　四容水箱实验装置实物图 图2　四容水箱系统物理模型示意图 Fig.1　Four tank experimental system Fig.2　Physical model of four tank system1.1　实验装置硬件设计选取工业上常用的硬件设备,主要包括工控机㊁PCI(Peripheral Component Interconnection)数据采集卡㊁控制泵㊁差压传感器等㊂硬件主要选型及参数如表1所示㊂图3为四容水箱系统控制流程图㊂该系统在工作过程中,由液位变送器对4个水箱的水位进行探测,并将其液位值输出为模拟电压㊂数据采集卡进行模数转换,然后通过Matlab 编制的控制算法利用计算机对整个系统进行控制㊂控制器输出的控制量经过数据采集卡完成数模转换,通过控制直流电机调速器间接控制水泵的电压,进而实现水泵流量的精确控制㊂结合不同阀门开启关闭的配合情况,实现不同水箱水位的精确控制㊂497吉林大学学报(信息科学版)第41卷表1　四容水箱实验装置硬件参数Tab.1　Parameters of four tank experiment device 名称型号主要特性参数工控机IPC 610L 处理器:Inter Core i33220CPU@3.3Hz;主板:AIMB 701VG⁃00A1E 数据采集卡PCI⁃1710U 16通道单端输入或8通道差分输入,2通道模拟量输出差压传感器MPX5010DP 工作电压5V,输出电压0~5V 水泵SHRFlo 2088⁃343⁃135内置止回阀,最大流量11.3L /min 直流电机调速模块DTS⁃V⁃10⁃24FS 控制电压0~5V图3　四容水箱系统控制流程Fig.3　Control flow of four tank systems 1.2　实验装置软件设计软件系统主要通过Matlab 编程实现㊂学生利用Matlab /GUI 操作界面完成四容水箱系统液位的设置,并实现数据采集和图形显示等不同的功能㊂为使该实验装置可以提供一个开放性的算法验证平台,选择采用模块化的方法完成四容水箱系统的软件设计㊂主要由参数设定㊁人机交互㊁控制功能㊁图形显示㊁算法选取和数据采集6个模块组成,其总体结构如图4所示㊂每个模块的详细功能如下㊂1)参数设定模块㊂操作人员可在参数设定模块中,设定基准液位的数值㊁采样时间和频率㊂2)人机交互模块㊂其是操作人员与四容式水箱系统进行互动的窗口,其上设有其他5个功能模块的按键,只需对相应按键进行操作即可实现相应的功能㊂该实验装置具有良好的人机交互画面,能提高学生的学习兴趣,具有良好的教学效果㊂3)控制功能模块㊂该功能模块实现了系统的初始化㊁启动㊁停止㊁退出等操作㊂4)图形显示模块㊂在人机交互界面中,利用坐标轴的数据曲线显示,能很容易地观测各个水箱中的水位变化情况及水泵1㊁水泵2的流量情况,并具有数值显示功能㊂5)算法选取模块㊂四容水箱系统可以实现多种控制算法,操作者将不同的算法模块输入Matlab 的算法程序中,即可完成对四容水箱系统水位值的调整(用户可在Matlab 中直接编程,更改控制算法)㊂6)数据采集模块㊂实现对液位变送器模拟信号的采集,以及对控制信号的输出,通过人机交互画面,完成数据存储和查看等功能,为后续数据展开分析和处理提供了便利㊂图4　四容水箱系统软件系统结构图Fig.4　Software structure of four tank systems 为使四容水箱系统操作更简捷㊁友好,利用Matlab /GUI 设计了四容水箱系统的操作界面㊂如图5所示,该操作界面主要包括控制㊁数据采集㊁图形显示和参数设定4个区域㊂各区域的详细功能如下㊂597第5期于树友,等:四容水箱实验装置设计及其分散内模控制1)控制功能区域㊂该区域以启动㊁停止㊁退出为主要功能,完成对系统流程的控制㊂使用初始化功能,可将系统设定的参数写进注册表,并将实验装置的参数输入Matlab 中㊂当按下停止键时,系统就会停止运行;当按下退出键时,离开本系统,同时清除本系统所设定的采样参数,但其数据会被自动保存㊂2)数据采集功能区域㊂该区域具有数据的存储㊁查看和打印功能㊂数据以*.mat 和*.xls 等格式保存在Matlab 中,通过Matlab 操作界面打开文件夹即可实现数据查看功能㊂3)图形显示区域㊂在该区域,学生通过观测系统状态的实时曲线,可以了解整个系统的控制流程,从而进一步加深对理论知识的理解㊂图形中有两个坐标轴以及复选框,通过对复选框的操作,可以实现水泵1㊁水泵2流量变化曲线和水箱1~4水位高度变化曲线的显示㊂4)参数设定区域㊂该区域可针对数据采集卡的选型,设定不同的采样时间㊁采样频率和液位基准值,控制算法在下拉菜单中进行选取㊂图5　四容水箱系统操作界面Fig.5　Operation interface of four tank systems 2　四容水箱系统数学模型与参数辨识2.1　四容水箱系统数学模型根据动态物料平衡关系以及伯努力方程可得到四容水箱系统的非线性方程组[12]:A 1̇h 1=a 32g h 3+γ1Q 1-a 12g h 1, A 2̇h 2=a 42g h 4+γ2Q 2-a 22g h 2,A 3̇h 3=-a 32g h 3+(1-γ2)Q 2, A 4̇h 4=-a 42g h 4+(1-γ1)Q 1,(1)其中h i 和A i 分别为i 号水箱的液位高度和截面积,a i 为i 号水箱底部出水孔截面积,g 为重力加速度,且满足Q j =k j v j ,Q j ㊁v j ㊁k j 分别为j 号水泵的流量㊁控制电压和比例系数,γj ∈[0,1]㊂本文中,i =1,2,3,4,j =1,2㊂四容水箱系统参数如表2所示㊂表2　四容水箱系统参数　123412123412输出量y =[h 1,h 2]T ㊂将系统在平衡点处线性化,其状态空间表达式如下:697吉林大学学报(信息科学版)第41卷̇x =-1T 10A 3A 1T 300-1T 20A 4A 2T 400-1T 30000-1T éëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúú4x +γ1A 100γ2A 301-γ2A 31-γ1A 4éëêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúú0^u , y =1000éëêêùûúú0100x ,(2)其中T i =A i a i 2h 0i g ㊂系统的传递函数为G (s )=c 1γ1A 1(1+sT 1)c 1(1-γ2)A 1(1+sT 3)(1+sT 1)c 2(1-γ1)A 2(1+sT 4)(1+sT 2)c 2γ2A 2(1+sT 2éëêêêêêùûúúúúú),(3)其中c j =T j k j /A j ㊂2.2　四容水箱系统参数辨识实验装置通过阶跃响应参数辨识法[13]对四容水箱系统传递函数的参数进行辨识,首先要确定辨识模型结构,然后借助Matlab 工具箱完成参数辨识㊂以水泵1㊁水泵2的电压控制量v 1㊁v 2作为输入量,水箱1㊁水箱2的液位高度h 1㊁h 2作为输出量y 1㊁y 2,则其对应的传递函数矩阵可写成:y 1y éëêêùûúú2=G 11G 12G 21G éëêêùûúú22v 1v éëêêùûúú2㊂(4) 根据四容水箱系统的机理模型式(3),G 11,G 22近似为一阶惯性滞后环节,因此选择辨识模型结构如下:K exp(-T d s )1+T p s ㊂(5) G 21,G 12近似为二阶环节,其模型结构如下:K exp(-T d s )(1+T p 1s )(1+T p 2s )㊂(6) 通过辨识得到系统的传递函数如下:G 11=7.1186107.11s +1, G 21=8.6846(188.86s +1)(51.519s +1)e -0.15s ,G 12=7.4924(162.37s +1)(72.269s +1), G 22=9.106588.256s +1㊂(7) 辨识得到传递函数G 11㊁G 12㊁G 22的时滞项T d =0,传递函数G 21的时滞项T d =0.15,由于时滞很小,设计控制器时可忽略不计,系统的传递函数如下:G 11=7.1186107.11s +1, G 21=8.6846(188.86s +1)(51.519s +1),G 12=7.4924(162.37s +1)(72.269s +1), G 22=9.106588.256s +1㊂(8)3　四容水箱系统分散内模控制分散内模控制又称为分布式内模控制或主回路内模控制[14⁃15],将耦合回路视作对主回路的干扰,针对主回路,笔者提出一种基于单变量的内模控制器方案,该控制方案不需要对原系统进行解耦㊂797第5期于树友,等:四容水箱实验装置设计及其分散内模控制四容水箱系统为双输入双输出耦合系统,以分散内模控制的设计思想为基础,将水箱1水位受图6　四容水箱系统分散内模控制结构Fig.6　Distributed internal model control structure of four tank systems水泵1的影响,水箱2的水位受水泵2的影响作为主回路,将水箱2的水位受水泵1的影响,水箱1的水位受水泵2的影响视作干扰,以此设计控制器㊂控制结构如图6所示㊂图6中r 1(s )㊁r 2(s )为参考输入,C IMC1(s )㊁C IMC2(s )为内模控制器,G 11(s )㊁G 22(s )为过程模型,P 11(s )㊁P 21(s )㊁P 12(s )㊁P 22(s )为被控制对象,y 1(s )㊁y 2(s )为输出㊂假定过程模型与实际被控对象匹配,即P jj (s )=G jj (s )㊂设计内模控制器C IMC j (s )分为两步㊂第1步:模型分解㊂将过程模型G jj (s )分解成2部分:G jj (s )=G jj +(s )G jj -(s ),(9)其中G jj +(s )为过程模型G jj (s )中的不可逆部分,G jj -(s )为过程模型G jj (s )中可逆部分㊂由式(8)可知四容系统过程模型中不含有时滞㊁惯性环节及右半平面零点,即G jj +(s )=1,所以G 11-(s )=G 11=7.1186107.11s +1,(10)G 22-(s )=G 22=9.106588.256s +1㊂(11) 第2步:设计C IMC j ㊂内模控制器结构如下:C IMC j (s )=G -1jj -(s )f j (s ),(12)其中f j (s )=1αj s ()+1n j ,αj 为滤波器参数,n j 为滤波器阶数㊂滤波器阶数的选择应保证C IMC j (s )正则有理㊂在设计内模控制器时,滤波器中的参数αj 是唯一可整定的参数,该方法不仅能有效地消除系统中的随机扰动,而且能有效地解决模型失配的问题㊂引入滤波器f j (s )使控制器具有较好的控制质量和较强的鲁棒性㊂因此,根据式(12)设计内模控制器如下:C IMC1(s )=G -111-(s )f (s )=107.11s +17.1186(α1s +1)n 1,(13)C IMC2(s )=G -122-(s )f (s )=88.256s +19.1065(α2s +1)n 2㊂(14) 为保证内模控制器正则有理,这里取滤波器的阶数n 1=n 2=1,则式(13),式(14)可改写如下:C IMC1(s )=107.11s +17.1186(α1s +1),(15)C IMC2(s )=88.256s +19.1065(α2s +1),(16)其中α1和α2的大小可调,其取值越小,系统的响应时间越短,相反系统的稳定性和鲁棒性越好㊂4　四容水箱系统分散内模控制仿真与实验为检验所设计的实验装置的合理性以及分散内模控制器的有效性,笔者分别进行了Matlab 仿真与实物实验㊂分散内模控制的仿真结果如图7所示㊂最初的水位设置值为水箱1的26cm 和水箱2的32.5cm㊂在时间为910s 时,水箱1的水位值跳变到30cm;在时间为1380s 时,液面水位值跳变到26cm㊂在时间为700s 时,水箱2的水位值跳变到37.5cm;在时间为1200s 时,液面水位值跳变到32.5cm㊂如图7所示,分散式内模控制可以迅速追踪四容水箱系统设置的水位值,而不会出现超调㊂同时,该系统还可以对所设置的水位值进行快速跟踪,且一个水箱不同的液面水位设置值,对另一个水箱的影响897吉林大学学报(信息科学版)第41卷很小,因此,该系统具有良好的抗干扰性㊂分散内模控制的实验结果如图8所示,与仿真情况类似,水箱1和水箱2的液位设定值与仿真相同㊂从图8可知,四容水箱系统采用分散内模控制时,在170s 内能跳变到所设置的水位值,并且两个水箱之间的液位变化对彼此影响很小,系统具有较好的控制结果㊂ 图7　四容水箱系统液位高度(仿真) 图8　四容水箱系统液位高度(实验) Fig.7　Liquid levels of four tank Fig.8　Liquid levels of four tank systems (simulation ) systems (experiment )5　结　语笔者自主研发设计的四容水箱实验装置具有操作简单㊁算法开放㊁性能稳定的特点㊂控制算法可直接在Matlab 中编程,简化了对系统的操作㊂根据四容水箱系统辨识模型设计了分散内模控制器,在实验装置上进行液位控制实验㊂仿真和实验结果表明,内模控制器具有良好的动态性能和抗干扰能力,同时也验证了该四容水箱实验装置设计合理,达到了预期的设计目标㊂实验结果表明,该实验装置具有操作简单㊁稳定可靠的优点,在实验教学的应用中,取得了如下教学效果:1)熟练掌握Matlab 的使用方法和利用其进行系统仿真和设计;2)掌握四容水箱数学建模方法及控制器的设计步骤,为学生日后设计类似控制系统打下基础;3)熟悉工控机㊁采集卡㊁传感器等常用的实验硬件,掌握实验技巧和流程㊂学生对在计算机上完成的实验没有直观感受,而对亲自动手的实验会倾入极高的热情和积极性,四容水箱实验装置的研发能不断促进学生在实践中发挥主观能动性,进一步提高教学质量和教学效果㊂这种实验形式既能提高学生的科研兴趣,又能提升学生的动手操作能力,同时还能培养学生的团队合作精神㊂参考文献:[1]KORTELA J.Model⁃Predictive Control for the Three⁃Tank System Utilizing an Industrial Automation System [J].ACSOmega,2022,7(22):18605⁃18611.[2]贺宇.四容水箱的多变量模型预测控制方法研究[D].北京:北方工业大学电气与控制工程学院,2022.HE Y.Multivariable Model Predictive Control Method for Quadruple⁃Tank [D].Beijing:School of Electrical and ControlEngineering,North China University of Technology,2022.[3]BAMIMORE A,OSINUGA A B,KEHINDE⁃ABAJO T E,et al.A Comparison of Two Artificial Neural Networks 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基于PLC水箱液位控制系统毕业设计水箱液位控制系统是现代工业控制的重要组成部分，广泛应用于工业生产和日常生活中。

本文将就基于PLC的水箱液位控制系统进行毕业设计进行介绍。

本文毕业设计的目标是设计并实现一个基于PLC的水箱液位控制系统，实现水箱的液位控制和监测。

系统包括液位传感器、PLC控制器、水泵和电磁阀等组成。

首先，设计师需要根据实际需求选择合适的液位传感器，并将其与PLC控制器进行连接。

液位传感器用于监测水箱中的液位，根据液位的变化输出相应的信号给PLC控制器。

接下来，设计师需要使用PLC编程软件编写相应的PLC控制程序。

程序的主要功能是根据液位传感器的信号，控制水泵和电磁阀的开启和关闭。

当水箱的液位低于一些设定值时，PLC控制器会开启水泵将水箱填满；当液位超过一定设定值时，PLC控制器会关闭水泵，同时开启电磁阀，将多余的水排出。

除了基本的液位控制功能外，设计师还可以在PLC控制程序中添加其他功能，如报警功能。

当水箱的液位异常高或异常低时，PLC控制器可以通过声音或灯光等方式发出警报，提醒操作人员进行处理。

在整个系统的设计和实现过程中，设计师需要考虑如何提高系统的可靠性和安全性。

例如，可以在PLC控制程序中设置容错机制，确保系统在出现异常情况时能够正常运行；同时，在选择和配置水泵和电磁阀时，要考虑其工作负荷和可靠性，以确保系统的稳定运行。

在毕业设计完成后，设计师需要对系统进行测试和调试。

首先，需要检查液位传感器的安装和连接是否正常，确保其能够准确地监测水箱的液位变化；然后，利用测试仪器对PLC控制器的输出和输入进行测试，确保其能够按照预期进行控制。

总结而言，基于PLC的水箱液位控制系统是一项非常具有实用价值的毕业设计。

通过该设计，不仅可以提高水箱的自动化程度，还可以提高水资源的利用效率，减少人工操作错误的可能性。

同时，本设计也为进一步研究和开发更先进的基于PLC的控制系统提供了宝贵的经验和借鉴。

课程设计题目高低位水箱供水系统电气控制系统的设计（OMRON CPM1A）学院(部)专业班级学生姓名学号12 月10 日至12 月16 日共 1 周指导教师(签字) 刘西健系主任(签字)设计摘要本设计旨在于通过所学知识，设计一个简单的高低位水箱供水系统，满足一些简单的基本功能。

为了满足该设计中提出的基本功能的要求，本次设计在主电路上采用两台电动机，且为三角形接直接启动的接法，同时采用了两个电源线圈对电机进行工作的控制，采用热继电器和低压断路器对电机进行过载和短路保护。

控制电路上，采用课堂中所学过的OMRON系列的PLC进行控制。

再加入必需的一些压力继电器、按钮、开关、指示灯等。

从而基本形成了一个简单的高低位水箱供水系统。

本次设计旨在于学习和了解设计一个系统的流程和需要注意的问题，故在本设计中，主要进行的工作是设计系统原理图，画出系统的接线图和系统平面布置图，最后再进行控制柜大小的设计。

通过这些工作，了解和掌握电气控制相关的设计方法。

一、设计任务书通过对电气控制系统的设计，掌握电气控制系统设计的一般方法，能够设计出满足控制要求的电气原理图，以及安装布置图、接线图和控制箱的设计，具有电气控制系统工程设计的初步能力。

1，控制要求：根据系统的控制要求，采用OMRON CPM1A PLC为中心控制单元，设计出满足控制要求的控制系统。

具体控制要求为：1)高地位水箱均设水位信号器。

高位水箱水位达到低位，低位水箱水位达到高位时，水泵起动；高位水箱水位达到高位或低位水箱水位达到低位时，水泵停止。

2)两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换，只有一台水泵工作。

当工作泵出现故障时，备用泵自投。

水泵功率为4.5KW。

3)具有手动、自动工作方式。

4)各种指示及报警。

2,设计包含内容1，电气原理图：主电路、控制电路、梯形图、指令系统。

2，电气箱面板布置图，电气箱内部布置图。

3，接线图。

（相对编号法）4，元件名细表。

5，控制箱尺寸。