1、 中 北 大 學畢業論文開題報告學 生 姓 名：學 號：學 院：機械與動力工程學院專 業：過程裝備與控制工程設計(論文)題目：雙容水箱液位控制實驗臺設計指導教師:呂海峰 2017 年 2 月 27 日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業論文答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業論文工作前期內完成，經指導教師審查后生效；2開題報告內容必須用按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3學生寫文獻綜述的參考文獻一般應不少于10篇（不包括辭典、手冊）。文中應用參考文獻處應標出文獻

2、序號，文后“參考文獻”的書寫，應按照國標GB 771487文后參考文獻著錄規則的要求書寫，不能有隨意性；4學生的“學號”要寫全號（如0201140102,為10位數），不能只寫最后2位或1位數字；5. 有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 740894數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導教師意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。畢 業 論 文 開 題 報 告1選題依據：引言 隨著科學技術的發展，現代工業生產工藝中的控制問題也日趨復雜。在人們的生活中以及某些化工和能源的生產

3、過程中，常常涉及一些液位或流量控制問題。因此，需要設計合適的控制器自動調整容器的出入流程量，使得容器內液位保持正常水平。特別地，在出入流量較大的情況下，為了平抑液位的變化，實際生產中往往選用多個互相連通的蓄液容器。而雙容水箱的控制過程與工業控制系統的控制過程相似，尤其是雙容水箱控制實驗系統，現有的雙容水箱控制實驗系統中多采用 Matlab 等軟件進行控制，也有采用 、編寫應用軟件對雙容水箱進行控制的1。然而用 、 編寫控制軟件工作量較大，LabVIEW因其編程簡單，圖形化的程序語言的特點，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術

4、人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此， 它可以增強工程人員構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。故選用此研究開發了一種基于Lab VIEW 的雙容水箱控制系統。1.1、課題研究背景自動控制技術已廣泛應用于制造業、農業、交通、航空等眾多產業部門，極大地提高了社會勞動生產率，改善了人們的勞動環境。2而自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行，其是相對人工控制概念而言的。而在工業生產過程自動化中

5、，為了了解容器中原料、半成品或成品的數量，調節輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環節物料搭配合理，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。因此設計一個良好的液位控制系統，保證產品的質量和數量，在工業生產中具有重要的實際意義。PID控制器具有結構簡單、容易實現、控制效果好、魯棒性強等特點，是迄今為止最穩定的控制方法。它所涉及的參數物理意義明確，理論分析體系完整，因而在工業過程控制中得到了廣泛應用3。 PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎是比例控制；積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調；

6、微分控制可加快大慣性系統響應速度以及減弱超調趨勢。4PID控制器作為最早實用化的控制器已有近百年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。51.2發展歷史、現狀及發展趨勢1.2.1國內外水箱控制的發展： 水箱系統是典型的過程控制實驗設備之一，在國內外有很多大學和實驗室都已得到廣泛地運用。如英國牛津大學、劍橋大學、德國杜伊斯堡大學、韓國首爾大學、中國清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學等高校都引進了水箱控制系統實驗裝置。6它不僅可以作為液位過程控制的實驗裝置，還可以應用到非線性控制和故障診斷的研究項目中。在德國杜

7、伊斯堡大學測量與控制系的研究者使用DTS200模型成功的測量非線性解耦方法和基于模型的故障診斷方法7。Noura Hassan用三容水箱液位控制系統作為實驗模型對執行器容錯控制的設計進行研究；又如R.Sehab以雙容水箱液位控制系統為研究對象提出來一種用于非線性系統的模糊PI監控器的設計報告。又如德州學院機電工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位監控系統設計，它是一種基于AT89C51單片機的遠程液位數據采集監控系統，采用單片機作為控制核心，上位機采用MCGS編寫的監控軟件，整個系統可以完成液位信號的采集與轉換、數據傳送和顯示、控制等功能。8在國內也有許多研究者研究水箱的控制問題，如北方工業大學

8、理學院的安艷偉做了基于單片機的分布式液位控制系統設計，設計了一種基于51單片機為核心多機分布式液位控制系統，由數據采集模塊，處理模塊和多種通訊平臺組成，既滿足了測量精度的要求，同時具有較高的可靠性，成本低，控制靈活。9又如南京郵電大學的牛標和張代遠所做的可監控智能液位控制器系統設計中列舉了液位控制系統可以采取的硬件方案以及他們各自的優缺點，采用FPGA作為控制器可以實現各自復雜的邏輯功能，規模大，密度高，他將所有芯片集成在一塊芯片上，減小了體積，提供穩定性，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展。101.2.2控制系統的發展方向： 過程控制實驗裝置對廣大學生的學習、實驗和科研人員的研

9、究工作起著非常重大的作用，但是目前國內外對過程控制實驗裝置的研究和丌發并不能很好的滿足用戶的需求。11 在國內，亞龍科技集團，許昌市瑞新電氣有限公司，天科教儀，清華大學科教儀器廠和廣東三向教學儀器制造有限公司的過程控制實驗裝置均采用模擬放大電路實現的，用戶做控制實驗不但需要額外搭線，還需要用萬用表和示波器等輔助工具進行信號和參數的測量，操作起來比較麻煩，用戶的體驗不夠直觀；天津市源峰科技發展有限責任公司的過程控制教學裝置和浙江天煌科技實業有限公司的高級水箱控制系統實驗平臺運用工業化的設備，采用西門子的PLC控制系統進行控制，上位機中采用MCGS工控組態軟件、組態王軟件、STEP7編程軟件及WI

10、NCC組態軟件進行配套，編程簡單，易于操作，但是這些設備做工粗糙，儀器不夠精密，體積比較龐大，控制軟件和控制系統不是自主研發，沒有良好的開放性，只能進行一些簡單的教學實驗演示，不能實現一些高級控制算法的研究和實驗。12 在國外，加拿大quanser公司的Coupled Water Tank Experiments可進行多個單元之間的組合，豐富了實驗的多樣性，但是只能進行液位控制實驗，并不能進行多變量控制實驗，配套quanser的控制器和控制軟件，能夠實現和MatlabSimulink的無縫接El，編程比較簡單，但是它需將控制器鑲嵌到電腦主板上，每套設備需占用一臺電腦資源，控制軟件功能單一，沒有

11、融合多媒體技術，界面不夠美觀華麗。德國FESTO公司的Process Automation雙容水箱系統，最大的特點就是可組裝可拆卸，組合比較靈活，但是他們只提供對象，不提供控制器和控制軟件，給研究帶來很大的不便。13英國的Armfield公司的ProcessControlTrainer和TQ公司的ProcessTrainerCEll7，做工比較精致，體積較小，但是軟件不夠開放，不支持MatlabSimulink的無縫接口，只能進行一些簡單的手動、PI和模糊控制，不能做一些復雜的控制算法的研究。上面提到的這些設備，均不能實現網絡化控制，這就更增加了設備的局限性。14新加坡國立大學的CCKo教授等

12、人研發了一套網絡化雙容水箱系統，可以實現網絡化控制，并能夠實現視頻和音頻的反饋，但是它的被控對象比較單一，并不能進行流量、壓力和溫度的控制實驗，不能做多變量的解耦實驗，控制軟件功能比較簡單，也不具有開放性，只能進行一些簡單控制算法的研究。15除此之外，幾乎所有實驗系統控制器均采用計算機拓展板卡的形式，這類控制器不但不具備網絡化研究的硬件條件，而且約束了被實驗對象和上位機之間必須遵守“一機一卡”的形式，這也就限制了用戶使用的靈活性，增加了用戶的實驗成本。參 考 文 獻1李芹基于 VB6.0的雙容水箱液位串級控制系統設計上海電力學院學報， 2009，25(4):3253302胡松濤. 自動控制原理

13、（第六版）M. 北京：科學出版社，20133賈瑞武，彭光正，范偉基于Lab VIEW 平臺和網絡的計算機過程在線監控北京理工大學學報，2002，22（2）：7680 4 牛玉廣基于 Lab VIEW 的水箱平臺設計及 PID 控制特性分析儀表技術與傳感器，2007，24（7）：26305朱磊，薛謙，石教雄基于Lab VIEW 的以太網接口數據采集器設計計算機測量與控制，2009，17（4）：7887916楊寧，楊天奇雙容水槽液位控制虛擬現實環境的建立與仿真計算機工程與設計，2006，27（16）：298829917李芹，肖思明，施羽佳基于 VB6.0的雙容水箱液位控制仿真軟件設計上海電力學院學

14、報，2008，24（4）：3533568鄭華，呂偉珍基于組態王和 Matlab的雙容水箱液位控制中國農機化，2012（2）：155157 9江丹，黃新春，李娟，等基于Lab VIEW 的雙容水箱控制實驗系統研究機械工程與自動化，2012（5）：16116310 呂永波. 系統工程. 機械自動化的歷史發展及未來展望M北京：清華大學 11JainAK，DuinR，MaoJ.StatisticalPatternRecognition:AReviewJ.IEEETrans.onPatternAnalysisandMachineIntelligence，200022(1):4-38.12CasellaG

15、.andBergerR.L.，StatisticalInference(M)，第二版. 北京：機械工業出版社13 任彥碩，趙一丁.自動控制系統（第二版)M. 北京:北京郵電大學出版社，200714 劉金錕. 先進PID控制MATLAB仿真(第2版) M. 北京:電子工業出版社，200615 鄭阿奇主編. MATLAB實用教程M. 北京:電子工業出版社， 2004. 畢 業 論 文 開 題 報 告研究方案：2.1主要研究內容 本課題的目的在于控制雙容水箱的液位，使其穩定在設定值附近，液位控制范圍要求在0-50mm，控制誤差5%。在系統給定信號以及擾動信號輸入狀態下，使水槽液位始終趨于穩定平衡，實

16、現水槽液位的控制。本課題擬采用LabVIEW編寫控制程序，LabVIEW是一種程序開發環境，類似于C和BASIC開發環境，但LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而 LabVIEW 則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。本課題擬運用LabVIEW編寫相應的信號采集以及分析控制程序，并將控制變量輸出至相應的執行器，實現水槽液位的控制。其中輸入信號為水槽液位，輸出信號為是否對水槽進行注水以及閥門的開度。最后在編寫相應程序后，利用相關實驗裝置對控制系統進行實驗驗證。2.

17、1研究手段 1、通過上網查找資料和閱讀學校圖書館的相關書籍做好理論知識的儲備，包括學習自動控制原理等基礎知識，學習LabVIEW的編程原理與使用方法的相關知識，包括用戶界面的建立，程序框圖的設計，各個VI模塊的連接以及SIMULINK軟件，對所設計系統動靜態特性進行仿真等。 2、學習PID控制方法，了解PID控制方法的基本原理以及PID算法的優點，之后研究如何運用PID對雙容水箱的液位進行控制，并使水箱液位始終趨于穩定平衡。如圖1所示為擬采用的PID算法控制流程圖，設定值為預定的水箱中水的液位，被控變量分別為上水箱的液位和下水箱的液位，操作變量為閥門的開度。 畢 業 論 文 開 題 報 告指導

18、教師意見：液位設定值電動調節閥 /水泵PID控制器上水箱壓力傳感器下水箱壓力傳感器上水箱壓力傳感器液位電動調節閥 /水泵設定值 電動調節閥 /水泵PID控制器下水箱壓力傳感器圖1 PID控制流程圖 3、對實驗裝置進行合理的設計，并對其進行搭建。滿足實驗的使用以及對照不同條件下雙容水箱達到穩定的時間長短；同時使用LabVIEW編寫相應的PID控制程序，設計相關實驗對所設計的水槽以及控制效果進行驗證；如圖2為實驗裝置簡圖，實驗裝置主要包括水槽、儲水箱、水泵、輸水管道以及計算機和相應的傳感器。水槽分為進水口和出水口，為了方便調節，實驗裝置進水口直徑略大于出水口，且出水口裝有調節閥。當壓力傳感器檢測到水槽中的壓力與設定值不符時，壓力傳感器將壓力信號轉