基于ADAM5510E的液位控制系统的设计_熊磊
基于ADAM5510E的液位控制系统的设计
ｃ ｎ ａｃ ｅ ｅ ｔ ｅ ｄｅ ｉ ｕ ｃｔ ｎｗｈｃ ｓ ｈ ｕ ｅ ｏ ａ ｉ ｌｎ ａ ｈｉｖ ｈ ｓｒ ｆ ｎ ｉ ． ｉｈ ｉ ｔｅ ｓ ｆ ｒ ｅｄ ｏ ｃｈ Ｃ ａ ｇｕａ ｌ ａ ｙ ｏ ｄｅ ｂｙ ＡＤＡＭ５ ０ＥＥｘ ｅｒ ｅ ｔ ｌ ｅｓ ｌ ｇｅ ｉ ｒ ｐｒｖｉ ｄ ｂｒ ５１ ｐ ｉ ｎ ａ ｒ ｕｔ ｍ ｓ ｓ ｏｗ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｈｅ ｅ ａ ｆｅ ｔ ｌ ｏｎｒ ｌ ｅ ｃｅ ｔ ｈ ｔ ａ ｈ ｃ ｍ ｃ ｎ ｅ ｃ ｉ ｙ ｃ ｔｏ ｄ ｖｉ ｏ ｍｅｅ ｈ ｒｑｕｉ ｍ ｅ ｔ ， ｄ ａ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｐｒｃｔ ａｌｙ ｖｅ ｔｔｅ ｅ ｒ ｅ ｎ ｓａｎ ｈ ｖ ｅｒａｎ ａ ｉ ｉ ． ｃ ｔ Ｋｅ ｗｏ ｄ ＡＤＡＭ５ ０Ｅ． Ｄ， ｓ ａｄ ｃ ｔｏ，ｑｕｉ ｌ ｅ ｙ ｒ ｓ： ５１ ＰＩ ｃａ ｃ ｅ ｏｎｒ ｌｉ ｄ ｅｖ ｌ ｌ
Ａｄ ａｎｅｃ ＡＤＡＭ ５ ０ ｐｒ ａｍｍ ａ ｅ ｖ ｔ ｈｓ ５１ Ｅ ｏｇｒ ｂｌ ｃｏ ｔｏｌ ｒ ｓ ｎ ｒ ｌ ｉ ｅ ｅｓａｂｉ ｅ Ｔ ｃ ｃ ｔ ｌ ｓｈ ｄ．ｈｅ ａｓ ａｄｅ ｃｏ ｔｏｌｓ ｓｅ ｎ ｒ ｙ ｔ ｍ ｏ ｌ ｄ ｅ ｅｌ ｓ ｆ ｉ ｑｕｉ ｌｖ ｉ ｄｅ ｇｎ ｄ ｎ ｓｉ ｅ ｉ
两 部 分 ， 完 整 的 ｌ 模 块 供 用 户 使用 。 为 了 方便 模 块 的拆 装 ， 有 ／ Ｏ
液位 控 制 系 统 主要 由执 行 器 ， 制 器 和 检 测机 构 组 成 。 着 控 随
生产 线 的更 新 以及 生 产 过 程 控 制 要 求 的提 高 ，要 求 液 位 控 制 系
程 端 口 ， 内置 的 Ｒ ＯＭ— ＯＳ系 统 与 Ｍ — ＯＳ操 作 系统 兼 容 ， Ｄ Ｓ Ｄ 可 以利 用 Ｂ Ｌ Ｄ Ｃ 或 者 Ｃ＋ 等 高 级 语 言 编 译 应 用 程 序 ， ＯＲ ＡＮ ＋ 编 写 的 应 用 程 序 可 以通 过 编 程 口下 载 到 控 制 器 的 Ｒ ＯＭ 空 间 ， 供 程 序 运 行 。 何 程 序 在 下 载 之前 ， 任 都应 该 转 化 为 控 制 器 的兼 容 性 代码 ， 载使 用 程 序 内附 通 讯程 序 。 下
基于ADAM5510E的液位控制系统的设计
基于ADAM5510E的液位控制系统的设计
熊磊
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2011(24)4
【摘要】以THJ-2型高级过程控制系统实验装置为基础,基于研华的
ADAM5510E可编程控制器实现了以中水箱液位为副参数,下水箱液位为主参数的双闭环的串级控制系统.通过在组态王中参数的连接与设置,实现了液位运行画面的监控.在该控制系统中,使用ADAM5510E提供的丰富的C语言函数库,即可实现所需功能.实验结果表明利用该控制方案在试验装置中能够有效地控制,满足液位控制要求,具有一定的实用性.
【总页数】3页(P3-4,6)
【作者】熊磊
【作者单位】太原科技大学电子信息工程学院,山西太原,030024
【正文语种】中文
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基于组态王的二阶液位控制系统设计___________________李苡臣
成都理工大学工程技术学院毕业论文基于组态王的二阶液位控制系统设计作者姓名：李苡臣专业名称：测控技术与仪器指导教师：王洋工程师摘要过程控制是自动化技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量、等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到广泛应用。
在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。
建立了串级液位控制算法。
虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。
但是要想取得良好的控制效果，必须合理的确定PID的控制参数，使之具有合理的数学模型。
本次毕业设计的主题主要是基于组态王的液位控制系统的设计，控制对象为水箱液位，而通过matlab软件来模拟仿真。
液位控制在现代工业中占有重要的分量，它对生产的影响不容忽视，为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。
关键词：液位控制，PID控制，串级控制，matlabAbstractProcess control is an important application field of automatic technology, it is to point to the level, temperature, flow control process variables, such as in metallurgy, machinery, chemical, electric power, etc can be widely used. in actual production, liquid level control accuracy and control effects directly affect the factory production cost and economic benefit of safety coefficient. Even equipment so, in order to ensure safety, convenient operation, you have to research the development of advanced level control methods and strategies.In the design of the tank as a research object in liquid level control system, amount of liquid level in the tank to be controlled, selected the outlet valve bodies in the implementation of a control system. Establishment of the PID control algorithm of liquid level. Although the PID control is one of the most widely used in control systems control algorithms. But to get good control of effects, the determination of PID control parameters must be reasonable, so that it has a reasonable mathematical model.The graduation design topic is the liquid level control system based on kingview control. Among them was controlled object for tank level, matlab is mainly used in the simulation test. In modern industry level control of important component, it influence upon production not allow to ignore, in order to ensure safety in production and the product quality and quantity , the level and perform effective control is very necessary.KEY WORDS：liquid level control ,PID control，cascade control, matlab目录摘要 (I)Abstract (II)目录.............................................................................................................. I II 1 绪论 (5)1.1 研究背景、目的和意义 (5)1.2 过程控制的特点 (5)1.3 液位控制系统的发展现状 (6)1.4 本论文内容安排 (7)2 数学模型的建立 (8)2.1 二阶液位系统简介 (8)2.2 数学模型的建立 (8)2.2.1 数学建模的基本概念 (8)2.2.2 数学建模的过程 (9)2.3 参数辨识及参数整定 (12)2.3.1 水箱液位控制参数辨识方法 (12)2.3.2 水箱液位PID参数整定方法 (15)2.4 本章小结 (17)3 系统仿真 (18)3.1 MATLAB软件介绍 (18)3.2 PID系统仿真 (18)3.3 串级控制仿真 (23)3.4 本章小结 (26)4 组态界面的设计 (27)4.1 组态王简介 (27)4.2 组态画面的建立 (28)4.2.1 设备配置 (28)4.2.2 定义变量 (30)4.2.3 画面设计 (32)4.3 本章小结 (39)5 总结 (40)致谢 (41)参考文献 (42)1 绪论1.1研究背景、目的和意义在工业生产飞速发展的今天，人们对于生产过程自动化控制水平及工业产品质量的要求越来越高。
电气电子毕业设计318基于MODEM与ADAM-5510构成的水量信息化测控系统毕业设计
摘要该系统是基于MODEM与ADAM-5510构成的水量信息化测控系统，其设计的基本原理由PC作为上位机，通过MODEM利用现有的公用电话网与远端的MODEM进行拨号通信，发送命令，并读取下位机上传的数据与报警信息，ADAM-5510则作为下位机负责MODEM与水位传感器及闸门的控制，同时向上位机传送数据，当现场出现故障时，如果上下接通，则ADAM-5510自动向上位机传送报警信息；若未与上位机接通，ADAM-5510首先自动拨号远端的MODEM，当接通后就上传报警信息，从而实现了无人值守。
根据系统的设计内容、主要技术指标及要求，该系统的设计以美国研华可编程控制器（ADAM-5510）为逻辑控制核心设备，以KYBW17系列压力式水位传感器作为数据采集装置，以ADAM-5017作为模拟量输入模块，2块ADAM-5050作为数字量输入模块，ADAM-5060作为数字量输出模块，采用直流供电的工作电源，用蓄电池作为备用，可以完成蓄电池和交流电的切换。
ADAM-5510是台湾研华公司开发的基于PC架构的可编程序控制器，用于数据的采集与控制，ADAM-5510的最大优势在于可使用高级语言编程，便于算法设计，用户可以直接调用专用数据I/O和通信函数库，避免大量的端口操作，使工作简单易行，在编程和算法方面明显优于以往的可编程控制器。
关键词MODEM 研华可编程控制器ADAM-5510 水量信息化测量控制水位传感器拨号通信闸门控制数据采集基于MODEM与ADAM-5510构成的水量信息化测控系统前言我国是一个江河众多，水资源缺乏的国家。
当前，有灌溉设施的0.5亿公顷耕地中有1/3供水不足。
而目前灌溉用水的浪费现象又十分严重，灌溉用水的利用率只有40%左右。
对于我国来说建立节水型社会是十分必要的。
水利工程一般分布在较分散的偏僻山区和农村、某些偏僻山区甚至信号极差，无法实现有线通信。
管理人员较难及时掌握设备运行情况，比如设备的电源监视、闸门开度、水位等信息。
液位控制系统设计
本文主要设汁了一种液位控制器，它以8051作为控制器，通过8031单片机和模数转换器等硬件系统和软件设讣方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显zjxo本系统是基于单片机的液位控制，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等儿部分组成来实现液位控制。
主要用水位传感器检测水位，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。
把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制，从而实现单片机自动控制液面的LI的。
本设计用单片机控制，易于实现液位的控制，而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。
关键词：8051单片机；模数转换；水位控制；自动控制1前言 (3)1.1课题背景 (3)1.2国内外研究的现状 (3)1.3使用单片机实现水体液位控制的优点 (4)2系统硬件设计 (6)2.1核心芯片8051单片机 (6)2. 2液位传感器设计 (9)2.4 ADC0809A/D转换器 (13)2.5键盘及显示接口 (16)2.6自动报警电路 (17)下列二种情况发生系统报警。
(18)1）当水位达到上限极限水位时报警，水位到达上限极限水位时系统发出报警： (18)2）当水位达到下限极限水位时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报警 (18)3系统软件的设计 (19)3.1软件设计流程图 (19)致谢231前言1.1课题背景液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。
在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。
液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。
基于单片机的超声波液位计设计
基于单片机的超声波液位计设计
概述：
超声波液位计是一种新颖的非接触式液位检测技术。
本文将基
于单片机设计一款基于超声波技术的液位计。
主要器材：
1.超声波传感器(负责探头与水面之间的物理量)
2.单片机
3.LCD显示屏
4.蓄电池(负责供电)
5.喇叭发声器（将波形转换成声音)
液位计的工作原理：
当发射器发出的超声波被液体遮挡，接收器接收到衰减的超声
波信号，可根据上报的信号直接算出液位的高度。
波纹发射器将电
信号转换成声波。
声波经再加工过程后，从发射器射出，声波在媒
质中传递，信号由接受器采集，采集后传至电路板和显示屏上显示。
液位计的设计流程：
1.设计硬件电路，包括LCM、单片机、蜂鸣器、超声波发射器
和接收器等。
2.编写程序；
3.测试电路设计的合理性。
液位计的设计原则：
1.系统要稳定，测量精度要高。
2.工作可靠性要好，尽量减少误差。
3.为了让检测系统更加方便使用，LCM要能够轻松的展示液位高度。
液位计的设计要点：
1.超声波发射器的输出角度要合理，信号不要受到扭曲。
2.使用ADC转换时，要尽量减小信号波动。
3.选用合适的蜂鸣器，以免误差过大。
4.液位计的设计电路要合理，系统信噪比要低。
总结：
本文提出了一款基于超声波技术的液位计的设计方法，将单片机、超声波传感器、LCD显示屏等元件充分利用起来，设计的液位计效果良好，具有普遍的应用价值。
基于单片机的水箱水位控制系统
题目：基于单片机的水箱水位自动控制系统英文题目：The water tank level automatic control system based on microcontroller二零一二年月日摘要大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。
在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。
所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。
本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以单片机为核心控制水箱的水位，并实现了报警和水位显示、自动控制等功能。
该系统操作方便、性能良好，比较符合生产生活用水系统控制的需要。
关键词：单片机；水箱水位；自动控制；水位显示；报警ABSTRACTLarge water tanks are a lot of companies essential to the production process of parts, its performance and the quality of work not only on production of the fine has enormous influence, but also the safety of production. In the past, many of the tanks are operated by the staff to operate, so that artificial means a lot of drawbacks, such as the water level control, water tanks at all times to monitor the environment, and so on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or damage to the Summary of the monitoring device will bring irreparable damage will be even more serious crisis in production, such as the personal safety of staff. Therefore, control of water tanks, if the use of sophisticated and can totally be run in strict accordance with the provisions of the automated production system that can maximize the chances of avoiding accidents, but also save resources and can effectively improve the efficiency of production.The purpose of single-chip system design is the application of single-chip control technology, to 8051 as the core to control the water level in water tanks, and of the alarm and manual, automatic switching function. The system is easy to operate, good performance, more in line with the power to control the production of the necessary water system.KEY WORDS: Single chip microcomputer ；V oluntarily control the Lever level ；Relay；Auto-protecting；Alarm目录摘要 (I)ABSTRACT ............................................................................................. 错误！未定义书签。
基于单片机超声波液位控制器设计
基于单片机超声波液位控制器设计摘要为了能够有效的减少人工在农业生产工作当中，对液体的液位高度控制工作上的消耗，从而设计出基于单片机的超声波液位高度自动控制器，该机器是利用超声波的方式，结合单片机的功能，对液体水位进行监测。
该机器可以将监测得出的结果通过传感器进行实时的传送，再利用单片机的分析功能进行数据分析，之后将单片机得出的数据分析结果进行处理，最后得到一个是否需要启动电机的指令，再将指令传输到电机控制系统当中，这一环节就可以做到对液体水面位置进行智能控制与监测的工作，可以有效地减少人工对液位进行控制的工作量。
关键字：单片机；超声波；液位控制器；前言伴随着国家的发展社会的进步，电子科技也在不断地开发，电子设备不断地被利用到各行各业的生产活动当中，同时对于液位检测工作也可以使用相关的控制器，让检测工作能够自动与智能，并且更加精确。
因此，本文提出结合单片机利用超声波做出可以自动对液面进行检测与控制的机器，本机器由于超声波的优势可以对测距精度要求较高、被测介质较为复杂的液体进行检测。
并且在农业生产活动当中，对于液体的液位检测工作是必不可少的，人工可以对一些没有危险的液体进行检测，但是若是需要对一些特殊的而液体液位进行检测就需要该机器进行辅助的工作。
本机器可以代替直接接触式的传感器对液位进行检测，而本篇文章将以水资源为例，进行对基于单片机超声波液位控制器的设计进行简要阐述。
一、该设计的项目背景随着我国综合实力的提升，社会经济高速发展，人口数量也在不断的增加，因此我国对于环境的需求也在日益提升，因此人们应该加大对水资源的环保意识，在日常生活当中节约用水。
但是对于日常生活以及工业方面，对于水位的控制也是一项重要的工作。
在人们生活当中，水占着关键的影响地位，若是突然停水，一定会影响到人们的日常生活以及生产活动，对其带来许多困扰，若是某个地区长时间的缺水，带来的负面影响会更大，严重到会影响到生态环境的稳定性，造成一些无法挽回的损失。
基于PLC的液位控制系统毕业设计论文
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。
基于ADAM-6000的液位控制实验系统
选 用 ＡＤ ＡＭ一 ０ ２模 块 。 Ｄ Ｍ一 ０ ４是 一 款 基 于 以 太 网 的 １ ６５ Ａ Ａ ６２ ２
通 路 输 入 ／ 出 模块 ，其 中 ６路 为 差 分 模 拟 量 输 入 ， 输 ２路 为 模 拟
Ｅｔ ｅ ｅ ｈｍ ｔ
量输 出 ， 数 字 量输 入 通 道 和 ２路 数 字 量输 出通 道 。 拟量 输 ２路 模 入 通道分辨率 为 １ ６位 ，可 接 收 ＋ 一 Ｏ ０ ２ ｍＡ 和 ４ ２ ｍＡ ／ １ Ｖ、 ￣ ０ ￣０ 的 输 入 信 号 ， 拟 量输 出通 道 分 辨 率 为 １ 模 ２位 ， 输 出 ０ １ Ｖ、 可 ～Ｏ ０ ２ ｍＡ 和 ４ ２ ｍＡ 的控 制信 号 。 另 外 ， 的 模 拟 量 通 道 可 独 ～０ ～０ 它 立 设定 各 自的 范 围 ，方 便 各 类 信 号 的整 合 。使 用 ＡＤ ＡＭ－ ０ ４ ６２ 模 块 代 替 数 字 量 ＪＯ ／
ａｎ ｈ ｓ ｓｒ ｎｇ ｏ ｄ ａ ｔｏ ｒｂｕｓｎ ｓ Ｔｈ ｙｓｅ ｃａ ｅ ａｌ ｉ ｓ ｏ ｔ ｅ ｓ． ｅ ｓ ｔ ｍ ｎ ｍ ｅｔ ｌ ｎｄ ｆｗａｔｒ ｅｖ ｌ ｏｎｒ ｐｅ ｉ ｅ ｔ ｒｑｕｒｍ ｅ ｔ ｉ ｔａｃ ｉｇ ｋ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔｏｌｅｘ ｒ ｍ ｎｓ ｅ ｉ ｅ ｎ ｓ ｎ ｅ ｈｎ
使 用 灵 活 性 ， 可 提供 一种 控 制 器 独 立 的 分 布 式 ＩＯ 解 决 方 案 。 它 ／
芯片 ， 支持 在 商 业 环 境 下 最 流 行使 用 的 Ｔ Ｐ Ｊ Ｃ ／Ｐ网络 中 的 Ｍｏ — ｄ
ｂ ｓ Ｔ Ｐ协 议 。 如 图 ２所 示 ， ｄ ｕ ／ Ｃ ｕ／ Ｃ Ｍｏ ｂ ｓ Ｔ Ｐ协 议 以 简 单 的 方 式 将 Ｍｏ ｂ ｓ帧嵌 入 Ｔ ｄ ｕ ＣＰ帧 中 ，采 用 的是 一 种 面 向连 接 的方 式 ，
基于单片机的超声波液位智能控制系统设计
收稿日期院2020-02-19曰修订日期院圆园20-04-08 基金项目院浙江省自然科学基金项目渊LY16F020014冤曰国家科技部星火计划项目渊2015GA700041冤 作者简介院侯佳辛渊1997要冤袁女袁在读硕士研究生袁研究方向为电子技术开发与应用曰宋广军渊1963要冤袁男袁博士袁教授袁研究
随着科技的进步发展袁电子技术已被广泛应用 到测量技术中袁使得自动精确测量得以实现遥 在此 基础上袁由于使用超声波完成测距精度高尧受被测 介质影响较小袁因此得到了更加广泛的利用遥
针对工农业生产中由于性质特殊不能使用直 接接触式传感器的特殊性质液体袁设计了一种基于 单片机的超声波液位智能控制系统袁不同于单纯的 超声波测距仪器袁该系统可以通过系统中的能量转
高度的变化袁通过传感器模块将测量结果经 A/D 转 换处理成电信号后传输到单片机遥 由单片机控制水 泵包括抽水电机和排水电机以及显示和报警装置 等发出动作指令院 当液位高于规定范围上限时袁电 机启动抽水水泵抽出液体使液面下降曰当液位低于 规定水位下限时袁电机启动排水水泵注入液体使液 面上升袁从而实现对液位的实时测量和控制遥
排水水泵 抽水水泵
输出驱动 电路
超声波 测距模块
水位检测 电路
A/D
转换 器
键盘键入 AT89C51
报警 显示 电路 电路
图 1 液位控制系统框图 Fig.1 Block diagram of the liquid level control system
基于Mamdani模糊自适应PID的液位串级控制系统设计
基于Mamdani模糊自适应PID的液位串级控制系统设计方明星;崔起明;李月;王秋旗【摘要】本文依据模糊控制和常规PID控制的基本特点,设计了一种基于Mamdani模型的模糊自适应PID液位串级控制系统,研究对具有时变、非线性的复杂系统的控制.通过引入Mamdani模型的模糊规则对PID控制参数进行修正,实现对液位系统在全工况下的优化控制.利用Matlab进行仿真,研究分析表明,基于Mamdani模糊自适应PID控制方法与常规PID方法相比具有很好的控制效果,具有更好的稳定性、鲁棒性,且控制精度高.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(037)002【总页数】4页(P139-141,147)【关键词】液位控制;Mamdani模型;模糊控制;PID控制;鲁棒性【作者】方明星;崔起明;李月;王秋旗【作者单位】安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽芜湖241000;安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽芜湖241000;安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽芜湖241000;安徽海螺信息技术工程有限责任公司,安徽芜湖241070【正文语种】中文【中图分类】TP273.4液位控制系统是以液位为被控对象的控制系统[1-2]，它在一些工业领域有着重要应用.在工业生产过程中，有许多地方需要对被控对象进行液位控制，使液位高精度地保持在给定的数值上，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量有着非常重要的作用[3].另外，保持液位的稳定能够使流体一直保持一个稳定的输出流量.常规PID控制器具有结构简单、稳定性好以及调整方便等特点，但是随着科技和社会的进步，对液位控制系统的稳态性能、动态性能、抗干扰性能等的要求越来越高，由于其变量间的关联性和非线性等原因，常规PID就显得力不从心.模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理机制为基础的一种控制理论，不依赖于精确计算模型，受到了很多研究者的青睐[4-13].本文将模糊控制和PID控制相结合，设计出一种基于Mamdani模型的模糊自适应PID 控制器，通过选取合适的模糊规则，修正初始的PID控制参数，实现基于Mamdani模型的模糊自适应PID控制器对液位控制系统的优化控制.给出该液位控制系统的仿真结果，通过与常规PID控制的仿真结果相比较，结果表明基于Mamdani模型的模糊自适应PID液位控制系统比常规PID液位控制系统能够产生更好的控制效果.1.1 模糊自适应控制器的结构模糊自适应PID控制器是在PID算法的基础上，通过计算系统的偏差e和偏差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，模糊自适应PID参数自调整系统框图如图1所示.本文设计的基于Mamdani型模糊自适应PID是以偏差e和偏差变化率ec作为输入量，ΔkP、ΔkI、ΔkD作为模糊推理系统的输出量，在线调整PID参数.模糊自适应PID控制器调整PID参数计算公式如下:；；式中为预整定值，而ΔkP、ΔkI、ΔkD为模糊控制器的3个输出，可以根据被控对象的状态自动调整PID的3个控制参数的值.1.2 语言变量隶属度函数的确定模糊推理系统选用二维输入和三维输出，以E、EC作为输入语言变量，ΔkP、ΔkI、ΔkD作为输出语言变量，模糊集合论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.模糊集合为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}.其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大.经过试验调试，E、EC、ΔkP、ΔkI、ΔkD隶属度函数形状均采用三角形、S型和Z型相结合的形式，如图2所示.1.3 模糊自适应PID控制规则一般来说，当偏差比较大的时候，希望系统调节参数中对控制上升时间占优的参数处于主导地位；当偏差比较小的时候，调节超调量的控制参数占有优势.但是在常规PID控制中，PID参数数值是不能在线及时调整及修正的，而模糊控制可根据已经掌握的PID控制规律，按照一定的规则及时在线调整控制参数，从而提高控制性能.本文通过查阅相关文献[14]，并在多方咨询专家及工程技术人员的基础上，在模糊推理系统中建立ΔkP、ΔkI、ΔkD的模糊控制规则分别如表1、表2和表3所示.这些模糊控制规则的建立，主要遵循以下法则：1) 在偏差e较大时，为了尽快地消除偏差影响，提高响应速度，kP取值较大，kI 取值较小；在偏差e较小时，为了继续消除偏差影响，并且防止超调现象过大，产生振荡，kP取值要相应减小，kI取值较小；在偏差e很小时，为了消除静态偏差，克服超调现象使得系统尽快稳定，kP取值要继续减小，kI取值不变或者稍微取大些.2) 偏差变化率ec的大小表明偏差变化的速率，ec越大时，kP取值越小，kI取值越大；反之，ec越小时，kP取值越大，kI取值越小.3) 微分作用类似于预见性，它阻止偏差的变化，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的动作速度，减小调整时间，改善系统的动态性能．因此，在偏差e较大时，kD取值要小.本文选用的液位控制的模型为双容水箱，以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，采用双闭环串级控制对上、下水箱进行控制，使下水箱液位保持在恒定的设定值上.图3所示是串级液位控制系统方框图.图3中W01(s)为上水箱的传递函数，W02(s)为下水箱的传递函数，仿真实验中取W01=5/(180s+1)，W02=7/(200s+1).Wa2(s)是副调节器，通常采用P控制规律[15]，Wa1(s)是主调节器，在此分别选取常规PID方法和本文设计的Mamdani型模糊自适应PID方法两种不同的控制策略，通过Simulink构建模型进行仿真，两种控制系统的实验结果如图4所示.由于液位控制过程的复杂性，难以获得控制对象的精确数学模型，因此要求控制器具有一定的鲁棒性.把双容水箱中下水箱的传递函数变为W02=9/(400s+1)，在此情形下，分别采取常规PID控制方法和Mamdani型模糊自适应PID控制方法，两种控制方法的实验结果如图5所示.本文设计了一种基于Mamdani模糊自适应PID的控制器，探讨了在双容水箱液位串级控制系统中的控制效果.仿真结果表明，在改善被控对象的动态和稳定性能以及对参数时变的鲁棒性等方面，Mamdani型模糊自适应PID控制器均优于常规PID控制器.从图4仿真结果可以看出，采用Mamdani型模糊自适应PID控制的超调量下降，常规PID控制的超调量为11.93% ，Mamdani型模糊自适应PID控制的超调量为8.36%，比常规PID控制下降了3.57%.从图5的仿真结果可以看出，当传递函数发生变化时，常规PID控制的控制效果变差比较明显，其上升时间、峰值时间、超调量、调节时间等明显变大.与之相比，Mamdani型模糊自适应PID控制的控制效果变化并不明显，其上升时间、峰值时间等没有明显变化.这说明，当建立的系统传递函数精度不高，或者系统在运行过程中传递函数产生偏移情形下，常规PID控制的控制效果会变差，而Mamdani型模糊自适应PID仍然有很好的控制效果.因此，Mamdani型模糊自适应PID控制具有很好的鲁棒性.【相关文献】[1] SCHUURMANS J, HOF A, DIJKSTRA S, et al. Simple water lever controller for irrigation and drainage canals[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1999,125(4):189-195.[2] 曹光明，吴迪，张殿华.基于模糊自适应PID的铸轧机结晶器液位控制系统[J].控制与决策, 2007,22(4):399-407.[3] 冯冬青，陈志豪，蒋玉华.玻璃窑炉液位智能监测方法[C]//98年全国玻璃学术会议论文集，1998.[4] 方明星，吴敏，佘锦华.基于等价输入干扰补偿的直流电机定位控制[J].仪器仪表学报,2009,30(9):1801-1807.[5] SAEKI M. Properties of stabilizing PID gain set in parameter space[J]. Automatic Control, IEEE Transactions on, 2007, 52(9): 1710-1715.[6] HANDSCHIN E, HOFFMANN W, REYER F, et al. A new method of excitation control based on fuzzy set theory[J]. IEEE Transaction on Power Systems, 1994,9(1):533-539. [7] MIZUMOTO M. Realization of PID controls by fuzzy control methods[J]. Fuzzy Sets and Systems, 1995,70(2-3):171-182.[8] EUNTAI K, HEEJIN L. New approaches to relaxed quadratic stability condition of fuzzy control systems[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems; 2000,8(5):23-534.[9] 王伟,叶真,李瑞杰.在线参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2013,36(2):133-136.[10] LU J, CHEN G, YING H. Predictive fuzzy PID control: theory, design and simulation[J]. Information on Sciences, 2001,137(1):157-187.[11] 方明星，吴敏，佘锦华.等价输入干扰结构主动控制系统的分析与设计[J].安徽师范大学学报:自然科学版,2009,32(6):534-540.[12] 毛建中.史密斯模糊整定PID控制器的设计及仿真[J].微计算机信息,2006,22(11):123-126.[13] 张大斌,李元香,夏学文.模糊规则在线自调整算法及仿真研究[J].计算机应用研究,2008,25(4):1025-1027.[14] 刘金琨.先进PID控制及Matlab仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.[15] 王海英,袁丽英,吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M].北京:高等教育出版社,2009.。
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《工业控制计算机》2011年第24卷第4期液位控制系统主要由执行器，控制器和检测机构组成。
随着生产线的更新以及生产过程控制要求的提高，要求液位控制系统的提高，传统的控制方法已经不能满足生产需要。
文献[1]针对双容水箱的大滞后、非线性等特点设计了神经PID控制，通过实验的验证表明的控制方法的正确性和有效性，但这种方法的控制结构和控制算法比较复杂。
文献[2]通过机理建模的方法建立了三容水箱的数学模型，设计了模糊自整定PID控制，仿真结果表明该方法大大的改善了系统的动态和静态性能，但这种方法只是用在仿真模型中。
至今为止，在过程控制中存在着很多控制算法，但用的最广泛的还是PID控制算法。
因此本文采用串级PID控制算法，用这种方法不但编程简单，而且也能提高系统的精度，达到控制要求。
本文采用的是研华公司推出的ADAM5510E可编程控制器，与PLC相比，5510运算能力和通讯能力更强，模拟量点价位低。
与工控机相比，5510系统更加紧凑，抗干扰能力更强。
既具有PC编程简单灵活的优点，又具有PLC的高可靠性的特点。
文献[3]应用西门子的PLC设计一个两维模糊控制器，实验结果说明该方法能够精确控制水箱的液位，获得良好的控制结果。
但文献[3]的编程软件采用的是PLC 编制软件程序，缺乏一定的灵活性。
选用基于PC的可编程控制其不但开发周期短，使系统运行稳定可靠，而且系统开放型好。
1ADAM5510E数据采集与控制器ADAM5510E是基于PC的可独立完成数据采集和控制的8通道的可编程控制器，该控制器具有结构紧凑，具备智能化处理单元的优点，具备通用的编程功能，可用于模拟量，数字量的输入输出，信号的程控放大以及通信参数的设定。
ADAM5510E 具有以下4个特点。
1．1模拟开放式PC环境ADAM5510E相当于一台紧凑的计算机，包括80188CPU、FLASH ROM、SRAM、COM1、COM2、COM4以及一个程序编程端口，内置的ROM－DOS系统与MS－DOS操作系统兼容，可以利用BORLAND C或者C＋＋等高级语言编译应用程序，编写的应用程序可以通过编程口下载到控制器的ROM空间，供程序运行。
任何程序在下载之前，都应该转化为控制器的兼容性代码，下载使用程序内附通讯程序。
1．2完整的I／O模块及库函数ADAM5510E采用模块化系统接口，分为主机和I／O模块两部分，有完整的I／O模块供用户使用。
为了方便模块的拆装，ADAM5510E采用了底板结构。
控制器所提供的丰富的库函数，方便用户开发应用程序。
1．3丰富的通讯口为实现ADAM5510E和其他软件的通信，ADAM5510E提供了三个串行通讯口：COM1为RS232／485方式；COM2为RS485方式；COM4为RS232／485方式；对于COM1和COM4通讯方式的选择是通过跳线开关设置。
1．4可编程设定输入范围ADAM5510E提供的完整的C语言库函数，用户可以在C 语言编程环境下，调用这些子函数，用于完成ADAM5510的所有I／O功能。
2系统的控制方案的设计数字PID控制算法是以连续系统的PID控制规律为基础，再将其数字化得到的。
由于位置式PID控制算法很不安全，如果计算机出现故障，可能引起执行机构位置的大幅度变化，容易引起生产事故，此外就算法本身而言，当前的控制量输出与过去的状较多的内存单元。
因此本系统采用的目前运用较多的增量式PID控制算法，增量式的PID算式如下：△u（n）＝Kp［△e（n）］＋Kie（n）＋Kd［△2e（n）］（1）△e（n）＝e（n）－e（n－1）（2）基于ADAM5510E的液位控制系统的设计熊磊（太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024）Design of Control System Based on ADAM5510E摘要以THJ－2型高级过程控制系统实验装置为基础，基于研华的ADAM5510E可编程控制器实现了以中水箱液位为副参数，下水箱液位为主参数的双闭环的串级控制系统。
通过在组态王中参数的连接与设置，实现了液位运行画面的监控。
在该控制系统中，使用ADAM5510E提供的丰富的C语言函数库，即可实现所需功能。
实验结果表明利用该控制方案在试验装置中能够有效地控制，满足液位控制要求，具有一定的实用性。
关键词：ADAM5510E，PID，串级控制，双容水箱AbstractA double loop cascade control system based on THJ－2Advanced Process Control System Experimental Device and Advantech＇s ADAM5510E programmable controller is established．The cascade control system of liquid level is designed in which the liquid level of upper water tank is assistant parameter and the liquid level of middle water tank is main parameter．The level of monitoring screen is achieved through parameters connection and settings in the Kingview．This control systemcan achieve the desired function,which is the use of a rich C language library provided by ADAM5510E．Experimental results show that the scheme can effectively control device to meet the requirements,and have a certain practicality．Keywords:ADAM5510E,PID,cascade control,liquid level3基于ADAM5510E的液位控制系统的设计△2e（n）＝e（n）－2×e（n－1）＋e（n－2）（3）式中，△u（n）为第n时刻阀位的增量；e（n）为第n次采样时的偏差值；K p为比例系数，K i为积分系数；K d微分系数，e（n－1）为（n－1）时刻的偏差；e（n－2）为（n－2）时刻的偏差。
由于液位系统一般具有时滞，大惯性等特性，利用简单的单回路控制系统无法满足控制要求。
与单回路控制相比，串级控制系统具有明显优点，对于改善和提高控制品质是一种极为有效的控制方法，在工业生产过程自动化中得到了广泛的应用。
图1为液位串级控制的系统方框图。
图1双容水箱的串级控制结构图在该控制系统中，以下水箱液位作为主变量，以中水箱液位作为副变量构成一个串级的液位控制系统。
从串级控制系统的结构图分析可知：从主环上看，它是一个闭环的负反馈系统：从副环看，它是主环内的一个负反馈系统，两个控制器串联在一起。
负控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有细调的作用，两者相互配合，从而使控制质量必然高于单回路控制系统。
下水箱（主控制量）液位具有较大的延迟，中水箱（副控制量）具有导前作用，系统中的副回路能够消除作用于内回路的各种扰动，当有扰动作用于副对象时，副调节器能在扰动影响主控量之前进行调节，及时调节进入副回路的扰动；当扰动作用于主控制量时，由于副回路的作用也能使系统的响应加快，消除扰动的影响，使主控制回路更加精确。
3系统的硬件结构在使用ADAM5510E之前，需要对ADAM5510控制器的系统进行配置，打开如图2所示的ADAM5510运行系统，再给ADAM5510上电，选择与ADAM5510相连的PC串口为C0M1口，点击工具栏的图标后，系统会自动检测插入ADAM5510E 的I／O模块（Slot1中是ADAM5017，Slot2中是ADAM5024），然后再对I／O模块进行配置。
根据压力传感器、变送器的输出范围为4～20mADC、电动调节阀输出的阀位信号为4～20mADC，因此，配置ADAM5017的所有输入范围为0～10V，ADAM5024的输入范围为0～20mA（对应电动调节阀的开度0～100％）。
图2ADAM5510的系统配置软件该控制系统是以THJ－2型高级过程控制系统实验装置的双容水箱为基础，使用安装在ADAM5510E的0号槽16通道的ADAM－5017模拟量输入模块中的第一通道（Channel0）和第二通道（Channel1）分别采集中水箱和下水箱液位的高度的电压信号，用4通道的模拟量输出模块ADAM5024的电流输出的第一个通道（Channel0）输出控制信号控制电动阀的开度。
ADAM5510E在整个控制系统中的功能：通过ADAM5017接受被控对象的输入模拟信号，通过数据处理后，把实际的液位传送到上位机显示，同时通过ADAM5024输出调节值到调节阀的执行部件，控制调节阀的开度，从而控制整个控制系统，使系统稳定，快速，准确的运行。
图3为液位控制系统的硬件结构图。
4系统的软件设计下位机软件采用Turbo C＋＋3．0编制，将编译好的程序生成可执行文件（EXE文件），点击系统配置工具栏的图标，下载程序到控制器。
下位机的软件设计采用模块化的方式，包括主任务模块，初始化模块，PID控制模块，数据采集模块，通讯模块，故障报警模块几部分。
具体模块说明如下：1）主任务模块的主要功能是用于整个控制程序的管理，协调各子任务的运行。
主要包括各种模块的初始化、变量的初始化以及程序的调用。
主任务的程序流程图如图4；2）PID控制模块：根据主任务得出的PID主副调节器的整定值，完成串级控制PID运算得出相应的控制量，通过Set5024 ()函数输出控制量控制电动调节阀的开度；3）数据采集模块：通过调用Get5017()函数实现数据的实时采集，然后将采集的数据放入变量中便于对数据处理。
对采样值进行滤波处理，消除现场干扰增强系统的稳定性。
对滤波后的采样值进行进行一定的标度变换，使数字量转换成液位的实际值；4）通讯模块：ADAM5510与上位机的通讯遵守MODBUS-RTU的协议，亚控公司提供了一套标准的MODBUSRTU函数库，通过调用这些库函数和ADAM5510提供的库函数可以实现ADAM5510与组态王通过COM1（RS232）的通信；5）故障报警模块：通过该模块可以实现各种超出预定范围的报警（如水箱水位的上限和下限报警），并启动报警程序。