内容概要：本文详细介绍了双容水箱液位控制系统的建模、控制器设计及其仿真过程。首先，通过对双容水箱物理特性的深入分析，建立了传递函数模型和状态空间方程模型。接着，探讨了多种控制器的应用效果，包括传统的PID控制器、用于处理系统滞后的SMITH预估控制器、融合模糊逻辑与PID优点的模糊PID串级控制器以及具有强鲁棒性的滑模变结构控制器。每种控制器都通过具体的MATLAB/Simulink代码实现了仿真测试，并对比了各自的优缺点。最终，通过对不同控制器的实验结果比较，得出了关于最佳控制策略的选择建议。 适用人群：自动化专业学生、工业自动化工程师、从事过程控制研究的技术人员。 使用场景及目标：适用于需要理解和掌握复杂非线性系统控制方法的研究人员和技术人员，旨在帮助他们选择最适合特定应用场景的控制器类型，提高控制系统的性能和稳定性。 其他说明：文中不仅提供了详细的理论解释，还有丰富的实例代码供读者参考实践，有助于加深对控制理论的理解并应用于实际工程项目中。

第 1 章 绪论 1.1 课题的背景和意义 液位控制在各类工业生产和日常生活中扮演着重要角色，如污水处理、溶液过滤、化工生产等，其精度直接影响到生产效率和产品质量。双容水箱液位控制模型是一种简化的液体存储和流动系统，能有效反映实际中的液位控制问题。本设计报告旨在通过基于MCGS（Manufacturing Control and Graphic Simulation）组态软件的双容水箱液位控制系统，实现对液位的精确控制，提高系统的自动化水平，减少人工干预，增强系统的稳定性和可靠性。 1.2 MCGS 组态软件简介 MCGS全称为“制造控制系统与图形模拟”，是一种广泛应用于工业自动化领域的组态软件。它提供了图形化用户界面，使得用户可以通过简单的拖拽和配置，快速搭建监控和控制系统。MCGS支持多种硬件设备连接，包括PLC（可编程逻辑控制器），具备数据采集、实时监控、报警处理和历史数据记录等功能，对于实现复杂系统的自动化控制具有显著优势。 1.3 可编程逻辑控制器简介 PLC是Programmable Logic Controller的缩写，是一种专门用于工业环境的数字运算操作电子系统。它通过逻辑控制程序来实现各种逻辑控制和顺序控制，可以接收和处理来自传感器和开关的输入信号，然后通过执行程序指令驱动执行机构，实现对机械设备或生产过程的控制。在本设计中，PLC作为核心控制单元，负责执行液位控制策略。 第 2 章 控制系统硬件部分 2.1 控制系统的组成 双容水箱液位控制系统主要由以下几个部分构成： - 输入设备：包括液位传感器，用于实时监测两个水箱的液位状态。 - PLC控制器：根据输入的液位信号，执行控制算法，调整泵的启停和流量调节阀的状态。 - 输出设备：主要包括水泵和流量调节阀，它们按照PLC的指令改变水的流入和流出，以维持设定的液位。 - 通信模块：MCGS组态软件通过通信模块与PLC进行数据交换，实现远程监控和控制。 - 人机交互界面：MCGS提供的监控画面，实时显示液位数据，允许用户设置控制参数和查看系统状态。 第 3 章 控制系统软件设计 3.1 PID控制器设计 PID（比例-积分-微分）控制器是液位控制中常用的控制算法。在本设计中，PID控制器用于计算对下水箱液位的控制偏差，并据此调整控制量。比例（P）部分负责立即响应偏差，积分（I）部分消除稳态误差，微分（D）部分则预测未来的偏差趋势，提高系统的响应速度和稳定性。 3.2 串级控制策略 采用串级控制策略，主控制器负责控制上水箱的液位，副控制器则控制下水箱液位。主控制器的输出作为副控制器的设定值，形成一个闭环控制系统。这样，可以更好地协调两个水箱的液位关系，提高整体控制性能。 第 4 章 系统实现与测试 本章将详细介绍系统硬件安装、软件配置、系统联调以及性能测试的过程。通过实际运行，验证系统的控制效果和稳定性。 第 5 章 结论 基于MCGS的双容水箱液位控制系统设计实现了高效、精准的液位控制，其易用性、可靠性以及抗干扰能力都得到了体现。这一设计不仅对理论研究有所贡献，也为实际工业应用提供了参考。 关键词：MCGS； PLC； 液位控制； 双容水箱； PID； 串级控制

基于组态软件的双容水箱液位控制系统设计 摘要：液位控制问题是人民生活以及工业生产过程中的一类常见的问题，在污水处理，溶液过滤，化工生产等多种行业在生产加工过程之中都需要对液位进行控制，如果液位控制得当就能够提高生产效率以及产品的质量。这些不同背景的液位控制都可以简化为双容水箱的水位控制问题。本文基于 MCGS 组态软件，使用 AE2000B 型过程控制实验装置，运用 PLC 技术，自动控制技术，通信技术设计了一个双容水箱串级控制系统，该系统能够完成对下水箱水位的精确控制并且具有易于操作、运行可靠、抗干扰能力强的特点。 一、组态软件在液位控制系统中的应用 组态软件是指一种基于 PC 机的工业自动化软件，能够对生产过程中的各种数据进行实时监控和控制。MCGS 组态软件是其中的一种，具有实时监控、数据采集、报警处理、趋势记录和报表打印等功能。该软件可以与 PLC 结合使用，实现对液位控制系统的自动控制。 二、PLC 在液位控制系统中的应用 PLC（Programmable Logic Controller，程序可编逻辑控制器）是一种专门为工业自动化设计的微型计算机。它可以实现对液位控制系统的自动控制，具有高效、可靠、抗干扰等特点。PLC 可以与组态软件结合使用，实现对液位控制系统的实时监控和控制。 三、串级控制在液位控制系统中的应用 串级控制是一种常见的控制策略，能够实现对液位控制系统的精确控制。在该系统中，我们使用了 PID 控制算法，实现对下水箱水位的精确控制。该算法可以根据实际情况进行调整，实现对液位控制系统的最优控制。 四、液位控制系统的设计与实现 液位控制系统的设计是基于 MCGS 组态软件和 PLC 技术的。我们使用 AE2000B 型过程控制实验装置，设计了一个双容水箱串级控制系统，该系统能够完成对下水箱水位的精确控制并且具有易于操作、运行可靠、抗干扰能力强的特点。 五、液位控制系统的优点 液位控制系统具有以下优点： * 高效：液位控制系统可以实时监控和控制液位，提高生产效率和产品质量。 * 可靠：液位控制系统具有抗干扰能力强的特点，能够在恶劣环境下运行。 * 容易操作：液位控制系统具有易于操作的特点，能够简化操作员的工作。 六、结论 本文基于 MCGS 组态软件和 PLC 技术，设计了一个双容水箱串级控制系统，该系统能够完成对下水箱水位的精确控制并且具有易于操作、运行可靠、抗干扰能力强的特点。该系统可以应用于污水处理、溶液过滤、化工生产等多种行业，提高生产效率和产品质量。

在能源、化工等多个工业领域，液位控制系统是不可或缺的组成部分。传统液位控制方式主要包括浮子式、磁电式和接近开关式等，但随着工业自动化水平的提升，计算机控制在液位控制中的应用日益广泛。水箱水位控制系统属于恒值调节系统，当面临复杂干扰因素时，传统的PID控制往往难以满足系统性能要求。而模糊控制凭借其通过模糊量实现更优控制的优势，能够有效解决这一问题。 模糊控制基于模糊集合理论，该理论突破了经典集合论中事物边界清晰的局限，更符合实际生活中许多现象的渐变特性。模糊控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置及反馈环节等组成，其结构与传统控制系统相似，只是用模糊控制器替代了常规控制器。在基于模糊控制的单容水箱建模仿真设计中，水箱通过调节阀控制进出水量以保持水位稳定。设计的关键在于模糊推理系统的构建，通常在MATLAB环境中完成。需要定义输入变量（误差和误差变化）和输出变量（阀门开关速度），并为其设定论域和隶属度函数，如高斯函数或三角函数。接着，制定模糊规则，这些规则决定了在不同输入条件下阀门开关速度的行为。例如，当水位误差较大且误差变化较快时，模糊控制器会快速关闭阀门。共设置21条规则，每条规则权重相同。通过这种方式，模糊控制器能够根据水位误差和误差变化的模糊等级动态调整阀门动作，实现精确控制水位的目标。在MATLAB的图形模糊推理系统中，可以便捷地对规则进行编辑和优化，以达到理想的控制效果。 综上所述，模糊控制为解决复杂环境下的液位控制问题提供了有效方案。基于模糊控制的单容水箱建模仿真设计，借助模糊推理系统和MATLAB工具，能够构建出具有强自适应性和抗干扰能力的控制系统，适应多变的工况，确保水位稳定，对工业生产自动化具有重要意义。

资源包内包含了.m文件、.fis、.slx三个文件。第一个为基本操作文件，在本次实验中作用较小，第二个是模糊控制器的配置文件，其决定了模糊规则的推理要则以及模糊的隶属度函数关系等等，第三个为simulink仿真文件，其主要是绘制基本控制回路的作用。本资源包比较了普通PID和模糊PID的调节曲线，并撰写了相关报告，配有我对应的博客内容：https://blog.csdn.net/m0_55054165/article/details/133234061。如果有对应的问题欢迎后续讨论。本资源包为大二学年控制理论课程设计所研究内容。双容水箱液位控制系统是一个非线性的、延迟大的、易受扰动的系统，本资源包设计了利用临界比例法寻找的PID参数与利用模糊PID寻找到PID参数进行比较。

本人大学期间自己完成的课程设计，学弟学妹们可以放心使用 电容水箱液位控制simulink仿真文件 pid控制 内含课程设计论文、参考文献以及仿真文件.slx文件 打开直接运行

双容水箱液位串级控制系统的设计.doc

通过设定预期的液位值，通过FX 3U -32MR/ES-A的三菱PLC控制来实现水箱液位稳定在液位设定值左右。先设定目标值，然后对液位进行测量，基于PID调节进行液位差的控制，同时输出结果实现对真空泵变频器的控制，从而调节液位达到目标值，整个控制实现比较好的单容水箱液位的闭环反馈控制

该电路测量水箱的水位，并将其无线发送到接收器，并在接收器中使用LCD显示屏和LED进行显示。 硬件部件: Arduino nano R3×2 超声波传感器-HC-SR04×1个 HC-12无线模块×2 5毫米LED:红色×1个 5毫米LED:黄色×1个 5毫米LED:绿色×1个 蜂鸣器×1个 通孔电阻，120欧姆×3 电阻220欧姆×4 按钮开关，按钮×2 RGB背光LCD-16x2×1个 手动工具和制造机: 烙铁（通用） 我一直想有一个仪表来显示我家里1000升水箱的水位。亚马逊的电表价格约为70美元，其无线传感器范围太短。所以我建立了这个。这只花了我大约15美元，这是一个有趣的项目。 功能: 该仪表使用置于水箱盖下方的超声波传感器感应水位，并通过无线发射器将数据发送到接收器单元。 接收器单元中的LCD将水位显示为长条。 计算出水百分比并在液晶显示屏上显示 显示屏上显示一条短消息，例如“低”，“正常”，“满”或“溢出” 接收器包含3个LED。绿色，黄色和红色对应于水位 接收器还有一个蜂鸣器，当水位太低或水箱装满时，在加注时会鸣响。 接收器包含2个按钮。第一个按钮打开LCD的背光。第二个按钮使蜂鸣器静音。 按下按钮后，LCD的背光灯将打开，并在30秒后关闭。 当水位低于15％时会发出警报声，如果静音，则当水位低于10％和5％时会重新启动。

摘 要：提出了一种利用智能仪表AI808对串联双容水箱液位进行串级控制．以MCGS组态软件实现上位机对现场进行实时组态、监控的方法。 　　1 引言 　　串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水箱水位的控制中，进水首先进人个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。采用两步整定法，通过MCGS组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的整定参数。 　　2 串联双容水箱系统