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一、选题的来源、目的、意义和基本内容
2.目的、意义：
双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，由两个串连的单容水箱构成的双容水箱比较典型。在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工、环保、水处理、冶金等行业尤为常见。充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，超声波传感器、光电传感器广泛应用于物位测量之中。本课题拟集成应用多传感器、GPRS、虚拟仪器和嵌入式控制器技术，设计一种双容水箱液位无线监控系统，并制作实验模型予以功能验证。以实现对水箱液位的串级控制，对被控对象的模型进行液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时显示容器的液位，保证产品的质量和数量。
3. 基本内容：
(1) 根据物料平衡原理，建立双容水箱的数学模型及系统方案设计。
(2) 采用PID串级控制完成双容水箱的控制系统设计：采用汇编语言对系统进行编程：采用MATLAB，SIMULINK对设计系统进行仿真。
(3) 双容水箱液位无线监控模型的硬件设计、软件开发。
(4) 运用超声波传感器和光电传感器对水箱的水位实时监测、报警和自动切换，制作实验模型，实现精准测量液位功能。
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二、国内外研究综述
水箱系统是典型的过程控制实验设备之一，在国内外有很多大学和实验室都已得到广泛地运用。如英国牛津大学、剑桥大学、德国杜伊斯堡大学、韩国首尔大学、中国清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校都引进了水箱控制系统实验装置。它不仅可以作为液位过程控制的实验装置，还可以应用到非线性控制和故障诊断的研究项目中。
在德国杜伊斯堡大学测量与控制系的研究者使用DTS200模型成功的测量非线性解耦方法和基于模型的故障诊断方法。Noura Hassan用三容水箱液位控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行研究；又如R.Sehab以双容水箱液位控制系统为研究对象提出来一种用于非线性系统的模糊PI监控器的设计报告。又如德州学院机电工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位监控系统设计，它是一种基于AT89C51单片机的远程液位数据采集监控系统，采用单片机作为控制核心，上位机采用MOGS编写的监控软件，整个系统可以完成液位信号的采集与转换、数据传送和显示、控制等功能
国内也有许多研究者研究水箱的控制问题，如北方工业大学理学院的安艳伟做了基于单片机的分布式液位控制系统设计，设计了一种基于51单片机为核心多机分布式液位控制系统，由数据采集模块，处理模块和多种通讯平台组成，既满足了测量精度的要求，同时具有较高的可靠性，成本低，控制灵活。又如南京邮电大学的牛标和张代远所做的可监控智能液位控制器系统设计中列举了液位控制系统可以采取的硬件方案以及他们各自的优缺点，采用FPGA作为控制器可以实现各自复杂的逻辑功能，规模大，密度高，他将所有芯片集成在一块芯片上，减小了体积，提供稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。
卢超[1]利用无线通信设计了一种超声波液位测量仪，以ＳＴＣ８９Ｃ５２为核心控制器，选用超声波测距模块作为 液位测量传感器，利用 ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块对数据进行实时无线发送与接收，再将接收到的数据实时处理后送至液晶屏显示，同时通过串口经 ＭＡＸ２３２电平转换后送至ＰＣ机实时显示并绘制数据曲线。该仪表实现了远距离无线液位实时测量，取代了传统的浮力式和电缆式液位测量仪，数据结果精度高，控制方便。王宁,虎恩典,王志刚等人[2][3]针对双储液罐液位、温度控制系统进行自动化设计。提出了基于MCGS和西门子S7-200PLC的控制系统设计方案。该控制系统选用MCGS作为上位机，以西门子PLC作为核心控制器。采用Smith PID控制策略，并建立了控制算法模型，利用Matlab软件进行了仿真。结果表明：方案设计合理，系统运行稳定，满足控制要求。王聪慧，张维[4]以虚拟仪器为基础，利用NI公司的数据采集模块，设计了液位串级控制实训系统。以上、下水箱液位构成串级控制系统，下水箱 液位作为主回路，上水箱液位作为副回路，利用虚拟仪器开发软件LabVIEW提供的图形化编程语言设计了基于PID算法的串级控制程序和可视化的人机监控界面。董海兵,罗雪莲[5]双容水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后的问题，对象随负荷变化而表现 非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果，通过现场总线控制系统 FCS 设计平台的基础上，构建了一种基于西门子STEP7和组态软件 WINCC 的双容水箱的液位[6]串级控制系统的设计方案。利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能，并结合STEP7环境编程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。利用 WINCC开发服务器端画面，在PLC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。实践表明，此方法使用简单可靠，可广泛应 用于工业生产过程中的液位控制问题。郑华，吕伟珍[7]提出利用DDE(动态数据交换)技术，实现Matlab[8][9][10]与组态王之间的数据通讯。结合了Matlab强大的运算能力和组态王软件数据采集、系统监控方面的优势。并将其应用到AE3000型过程控制实验系统中，采用自校正PID控制算法实现双容水箱液位的控制。
大量的事实证明，传统的PID控制算法对于绝大部分工业过程的被控对象可取得较好的控制效果。基于PID算法的串级控制程序和可视化的人机监控界面，对串级控制系统控制效果良好，受到干扰时也比较稳定。所以采用改进的PID算法或者将PID算法与其他算法进行有机结合往往可以进一步提高控制质量。
目前，已经开发出来的控制策略（算法）很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上。研究方法如下：
预测控制：它直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法，它高度结合了工业实际的要求，综合控制质量比较高。自适应控制：它的很多过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。智能控制：这种方法注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。于此同时它也可以克服工业过程中的非线性和不确定性。常用的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制。
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三、参考文献：
[1]卢超.基于无线收发的超声波液位测量仪[J].压电与声光,2014,36(01):150-155.
[2]王宁,虎恩典,王志刚.基于S7-300 PLC与触摸屏的烧结炉温度控制系统设计[J].制造业自动化,2014,36(21):115-117+126.
[3]邵雪.基于MCGS的西门子S7-300PLC仿真实验设计[J].科技风,2019(10):8-9.
[4]邢满荣,张鹏,王晓冬,张洁,尹岳波. 基于PLC和MCGS组态的机械手控制系统的设计[J].制造业自动化.2015(07)：11-13，23.
[5]王聪慧,张维.基于虚拟仪器的液位串级控制实训系统的设计[J].工业加热,2018,47(03):55-57+61.
[6]董海兵,罗雪莲.基于组态监控技术的水箱液位串级控制系统设计[J].东莞理工学院学报,2018,25(03):47-52.
[7]郑华,吕伟珍.基于组态王和Matlab的双容水箱液位控制[J].中国农机化,2012(02):155-157.
[8]高宏岩,郭春江.基于Matlab和双容水箱的现代控制理论实验设计[J].实验技术与管理,2019,36(05):52-56+71.
[9]郝泽军.双容水箱液位控制系统设计[J].电子技术,2018,47(12):73-77.
[10]陈桂明.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社，2001.
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