水箱水位自动控制系统
一个水池水位自动控制系统如图1-1所示试简述系统工作原...共72页
值范围。
01-4-53-j2j2-图4-6 系统根轨迹图)15.0(125.0(++s s s K 4-7 系统结构图0.5 6090 --1801K K =时，极坐标图在1ω与实轴交于1-，即图5-7中与负实轴相交于50-的点右移到1-，则有同理可得极坐标图在2ω与实轴交于－1的增益为252=K ，在3ω与实轴交于1-的增益为4310=K 。
如图5-8所示。
图5-8 例5-8K 变化时的极坐标图现对各种情况分析闭环稳定性：(1)410>K 时，2,2==Z N ，闭环系统不稳定，有两个s 右半平面的根； (2)41025<<K 时，0,0==Z N ，闭环系统稳定；(3)2510<<K 时，2,2==Z N ，闭环系统不稳定，有两个s 右半平面的根； (4)100<<K 时，0,0==Z N ，闭环系统稳定。
综上所述，使得闭环系统稳定的K 值范围为100<<K 和41025<<K 。
【例5.9】 已知系统的开环传递函数为当3.0=ω时，系统开环对数幅频渐近特性dB 10)3.0(=L ，试确定系统参数K 。
解 22(51)(61)(0.210)4()()(1)(1)(31)(41)44Ks s s G s H s s ss s s s +++=+++++ 系统交接频率T ω依次为5,2,1,31,41,51,61。
根据对数幅频渐近特性的表达式，对于惯性环节 对于振荡环节 对于一阶微分环节 由于3.0=ω在交接频率41和31之间，故 根据已知条件解得 456.0=K 【例5.10】 系统结构如图5-9所示，当输入t t r ωsin 2)(=时，测得输出为)45sin(4)(o -=t t c ，试确定参数,n ξω。
解 系统的闭环传递函数 图5-9 系统结构 系统幅频与相频特性为由已知得 ))1(sin()1(2)45sin(4)(oϕ-=-=t A t t c即)(t c 可写成1=ω时幅频和相频的综合表达式： 整理得 1.244,0.22n ωξ==【例5.11】 控制系统如图5-10所示，010()(0.11)G s s s =+，设参考输入信号)(1)(t t r =，干扰信号)100sin(1.0)(t t n =。
水箱水位控制系统
2.水箱水位控制系统系统有3个贮水箱，每个水箱有2个液位传感器，UH1，UH2，UH3为高液位传感器，“1”有效；UL1，UL2，UL3为低液位传感器，“0”有效。
Y1、Y3、Y5分别为3个贮水水箱进水电磁阀；Y2、Y4、Y6分别为3个贮水水箱放水电磁阀。
SB1、SB3、SB5分别为3个贮水水箱放水电磁阀手动开启按钮；SB2、SB4、SB6分别为3个贮水箱放水电磁阀手动关闭按钮。
（二）控制要求1.上电运行时系统处于停止状态。
2.SB1、SB3、SB5在PLC外部操作设定，通过人为的方式，按随机的顺序将水箱放空。
3.只要检测到水箱“空”的信号，系统就自动地向水箱注水，直到检测到水箱“满”信号为止。
水箱注水的顺序要与水箱放空的顺序相同，每次只能对一个水箱进行注水操作。
4.为减少外部控制器件，现将每个水箱的放水控制按钮改为一个（即只有SB1、SB3、SB5），分别控制每个水箱的放水开启和关闭。
也即，按一下SB1，水箱1放水，再按一下SB1，水箱1停止放水；按一下SB2，水箱2放水，再按一下SB2，水箱2停止放水；按一下SB3，水箱3放水，再按一下SB3，水箱3停止放水。
系统其它控制要求保持不变。
（三）I/O配置表（四）PLC控制系统原理图（硬件电路图）（五）调试指南1.上电时候系统处于停止状态，所有灯不亮。
2.按动SB1、SB3、SB5按钮，可随机将三个水箱放空，对应Y2、Y4、Y6的亮。
3.只要检测到水箱“空”（即低液位传感器UL1-UL3亮），系统能自动地向水箱注水，对应Y1、Y3、Y5亮，直到检测到水箱“满”信号为止（即高液位传感器UH1-UH3亮）。
4.4.水箱注水的顺序与水箱放空的顺序相同，每次只对一个水箱进行注水操作（Y1、Y3、Y5互锁）。
5.5.按一下SB1，水箱1放水（Y2亮），再按一下SB1，水箱1停止放水（Y2灭）；6.6.按一下SB2，水箱2放水（Y4亮），再按一下SB2，水箱2停止放水（Y4灭）；7.7.按一下SB3，水箱3放水（Y6亮），再按一下SB3，水箱3停止放水（Y6灭）。
基于S7-1200PLC的水箱液位控制系统的设计
基于S7-1200PLC的水箱液位控制系统的设计重庆科技学院摘要水箱液位控制系统是一种用于监测、控制水箱液位的自动化设备。
它通过搭载传感器、控制器和执行机构等组件，实现对水箱液位的实时监控和自动控制。
通常，水箱液位控制系统由传感器，控制器，执行机构。
水箱液位控制系统的使用范围广泛，包括建筑物、工业生产、农业灌溉、城市给排水和环保等领域。
它具有结构简单、安装方便、实时性强等特点，该系统能够提高水资源的利用效率、减少用水浪费和防止水源的污染。
本文基于S7-1200 PLC实现水箱液位控制系统设计。
该系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括PLC、人机界面触摸屏、传感器、执行器等；软件实现传感器数据处理、PID稳态控制、安全等功能；关键词：液位控制 PLC PID 传感器重庆科技学院本科生毕业设计 3水箱液位控制系统硬件设计1绪论在工业领域，几乎在各个行业都会或多或少的涉及到液位的检测等问题，然而液位变量具有延迟滞后性，参数不稳定，复杂多变等问题，因此，这就需要本文采取更为精确的控制器去实现液位变量的检测。
传统控制具有很多缺陷：比如精度低、速度慢、灵敏度低等。
一个稳定的液位系统，可以保证安全可靠的工业生产、高效的生产效率、充分合理的利用能源等，大大提高了工业生产的经济价值。
日益激烈的市场竞争，要求本文的控制技术必须更加先进，此前的控制技术已落伍，显然无法满足需求，这种对先进技术的需求加速了可编程逻辑控制器的问世。
引入PLC控制器后，能够使控制系统变得更集中、有效、及时。
2水箱液位控制总体方案设计2.1水箱液位控制系统实际应用特征水箱液位控制系统是一种广泛应用于水箱的自动化控制系统，常见于民用和工业领域。
实际应用中，水箱液位控制系统具有以下特征：①实时性强：系统能够实时检测水箱内的液位信息，并根据液位变化及时控制水泵的启停，保证水位稳定。
②可靠性高：系统通过各类安全措施确保水泵的正常启停，不会出现过量或不足的水位情况，避免因为水位变化带来的安全隐患。
基于PLC水箱水位自动控制系统的设计思路
研发设计I RESEARCH DESIGN摘要：文章就P L C水箱水位自动控制系统的设计思路进行简单论述，该设计思路是采用西门子S7-200P L C为主控制机的多泵恒 压供水控制系统。
在传统水箱供水的基础上，加入了 P L C、变频器等器件，以实现恒压供水。
关键词：P L C:恒压供水；自动控制I基于P L C水箱水位自动控制系统的设计思路■文水是生命之源，水对人民生活与工业生产的影响非常大，同时人们对供水系统的质量和可靠性的要求也很高。
变频恒 压供水系统是集变频技术、PLC技术、现代控制技术等多种 技术于一体，可靠地为人民生活和工业生产提供优质水服务 的一项技术。
1. 恒压供水系统的意义及设计思路众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分。
企业生产和人民生活对水的需求非常大，对来水的量和来水 的压力都有严格的要求。
同时，企业生产和人民生活对水需 求的时段有所不同，企业生产可能是全时段，而人民生活基 本上是在白天。
夏季人民的生活用水就会多些，冬季就会少 些。
这就需要一套系统，既能保证企业生产和人民生活的用 水量和用水压力，又能识别哪个季节哪个时段的用水。
综上 所述，在设计上只要把上述需求转换到水压上就能够解决难 题。
该设计就是从这个点出发，利用PLC对通过压力传感 器采集过来的信息进行分析处理，给出合理的控制信息，进 行恒压供水。
把PLC技术运用在水箱水位控制系统中，具 有很大的发展空间和应用价值。
2.自动控制系统相关组件2. 1PLC组件PLC是可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 和输出控制，各种类型的机械或生产过程。
当前，P L C已是 适用于工业现场工作的标准设备。
2.2变频器组件变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工 作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
关于楼顶水箱水位自动控制系统的技术改造
关于楼顶水箱水位自动控制系统的技术改造浦东虹桥花园共有24个楼顶水箱，分七套水位自动控制系统，在半年多时间的运行中，全部出现过故障，且故障频率相当高，多次出现过水箱断水，溢水事件，已造成了不小的负面影响。
为解决此问题，让业主免受断水之苦，浦东虹桥花园管理处组织工程部人员，到其他小区参观、学习不同的水箱水位自动控制系统的控制模式，吸收其它小区的先进经验，并结合本小区的特点，对本小区现有的水箱水位自动控制系统进行综合的分析，终于找到了相关的原因和解决的办法。
频繁出现故障的原因是水位自动控制失控，有时水箱水位低时不能自动起泵，导致业主断水；有时水箱水位高时不能自动停泵，导致水箱溢水，而产生这种故障现象的原因是水位控制浮球失灵。
工程部员工把控制失灵的浮球拆开检查，发现都是同一个原因，是干簧管的触点粘连引起。
经我公司技术人员初步分析，干簧管触点粘连的原因，很可能是干簧管在220V的电压下频繁的动作所产生的电火花引起。
另外，楼顶水箱超高、超低水位报警指示柜在三号泵房，且原设计的电器控制原理不适合本小区的实际要求：1、不能及时观察到水箱水位的情况，导致水箱断水或溢水时不能及时对其进行维修。
2、按照原有的电器控制原理不能真正的实现楼顶水箱超高水位显示。
找到了原因，就可以“对症下药”了。
管理处经过反复研究，决定采用低电压控制，也就是把控制浮球的工作电压降低到交流12V，减小干簧管动作时的火花，减少干簧管触点粘连的机率，延长控制浮球的使用寿命。
另外建议把楼顶水箱超高、超低水位报警显示移到监控室，便于及时发现水位的不正常情况，及时进行维修。
具体操作步骤如下：1、在控制柜内安装一个220V/12V变压器，使工作电压降到12V。
2、每一只水箱自动控制浮球要求有2只浮球（1只用于泵的启动、停止和低水位报警显示，另1只用于高水位报警显示），4个干簧管，其中3个干簧管常闭（1常闭用于停泵、2常闭用于高低水位报警显示）1个干簧管常开（用于启动泵），且4个干簧管互相之间的距离要求按实际情况定位。
PID水箱水位PLC控制
微分（D）调节器
根据误差信号的微分进行调节，误差越大，调节幅度 越大。
PID控制器的参数
Kp
比例系数，影响系统的响应速度和调节精度。
Ki
积分系数，影响系统的稳态误差和积分项的 强度。
Kd
微分系数，影响系统的动态性能和超调量。
PID控制器的优点
05 实际应用与效果分析
实际应用情况
应用场景描述
控制策略实施
硬件配置
PID水箱水位控制广泛应用于工业和 民用领域，如水处理、冷却塔、锅炉 系统等。通过PLC（可编程逻辑控制 器）实现自动化控制，确保水箱水位 稳定，满足工艺需求。
在PLC控制系统中，PID算法用于调节 水箱进水和出水流量，以维持设定水 位。通过实时监测水位传感器信号， PLC计算偏差并输出控制信号至执行 机构。
PID水箱水位PLC控 制
目录
CONTENTS
• PID控制原理 • PLC简介 • PID水箱水位控制系统 • PID水箱水位PLC控制实现 • 实际应用与效果分析 • 结论与展望
01 PID控制原理
PID控制器的组成
比例（P）调节器
根据误差信号的大小进行调节，误差越大，调节幅度 越大。
积分（I）调节器
04 PID水箱水位PLC控制实 现
PLC选型与配置
PLC型号选择
根据控制需求和规模，选择合适 的PLC型号，确保其具有足够的输 入输出点数、处理速度和通讯接 口。
I/O模块配置
根据水位检测和阀门控制等需求， 配置适当的输入输出模块，包括 模拟量输入输出、数字量输入输 出等。
通讯设置
根据需要，配置PLC的通讯接口， 如RS485、以太网等，以便与上 位机或其他设备进行数据交换。
水箱自动控制系统设计原理图及程序.
课程：创新与综合课程设计电子与电气工程学院实践教学环节说明书题目名称水箱水位自动控制装置学院电子与电气工程学院专业电子信息工程班级学号学生姓名起止日期13周周一~14周周五水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。
本次课程设计思路是以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。
通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。
一、设计题及即要求1、设计并制作一个水箱水位自动控制装置，原理示意图如下：2、基本要求：设计并制作一个水箱水位自动控制装置。
（1）水箱1 的长×宽×高为50 ×40 ×40 cm；水箱2 的长×宽×高为40×30 ×40 cm（相同容积亦可）；水箱1 的放在地面，水箱2 放置高度距地0.8-1.2m。
（2）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤1cm。
（3）水箱 2 中要求的水位高度及上下限可以通过键盘任意设置；（4）实时显示水箱2 中水位的实际高度和水泵、阀门的工作状态。
3、发挥部分：（1）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤0.3 cm。
（2）由无线远程控制器实现基本要求，无线通讯距离不小于10 米。
远程控制器上能够同步实现超限报警显示。
（3）其他创新。
二、设计思路：以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。
通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。
原理框图：三、系统结构1、控制模块：本次课程设计采用控制模块是AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。
单片机水箱水位控制系统硬件框图流程图电路图汇编源程序.
单片机水箱水位控制系统+硬件框图+流程图+电路图+汇编源程序
单片机水箱水位控制系统+硬件框图+流程图+电路图+汇编源程序给水泵电机主控回路图如下：三本系统8051单片机控制部分结构本系统采用8051单片机，引脚具体控制如下：P1口和P3口为输入输出检测信号和控制信号。
下面是8051芯片引脚具体分配：P1.0：水位低低输入信号。
（低0 高1）P1.1：水位低输入信号。
（低0 高1）P1.2：水位高输入信号。
（高1，低0）P1.3：手动与自动转换输入信号。
（手动1，自动0）P1.4：M1起动KM1控制输出信号。
（手动1，自动0）P1.5：M2起动KM1控制输出信号。
（手动1，自动0）P1.6：M1开关状态输入信号。
（开0，关1）P1.7：M2开关状态输入信号。
（开0，关1）P3.0：水位低低报警输出信号。
论文网
P3.1：水位低报警输出信号。
P3.2：水位高报警输出信号。
P3.4：手动起动M1输入信号，低电频有效动作。
P3.5：手动起动M2输入信号，低电频有效动作。
P3.6：手动停M1输入信号，低电频有效动作。
P3.7：手动停M2输入信号，低电频有效动作。
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经典控制理论的基本特征：
主要用于线性定常系统的研究，即用于 常系数线性微分方程描述的系统的分析 与综合；
只用于单输入，单输出的控制系统； 只讨论系统输入与输出之间的关系，而 忽视系统的内部状态，是一种对系统的 外部描述方法。
r(t) c(t) 系统
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反馈控制是一种最基本最重要的控制方式。 引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干 扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干 扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来 了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的 系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行 深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与 完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴 随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成 熟起来的。
进水 阀门 实际 水位 水箱
要求 水位
出水
观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出 两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当 实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开 度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。
8
(2)自动控制（水箱水位自动控制系统）
11
1.1.2 自动控制理论
1.自动控制理论：研究自动控制共同规律 的技术学科。 2.自动控制理论的发展：
第一阶段：经典控制理论的产生、发展和成熟；
第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；
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（1）经典控制理论 控制理论的发展初期，是以反馈理 论为基础的自动调节原理，主要用于工 业控制。第二次世界大战期间，为了设 计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮 定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原 理的军用装备，进一步促进和完善了自 动控制理论的发展。
（2）现代控制理论
经典控制理论的局限性 : 由于经典控 制理论只适用于单输入、单输出的线性定 常系统，只注重系统的外部描述而忽视系 统的内部状态。 随着航天事业和计算机的发展，20世 纪60年代初，在经典控制理论的基础上， 以线性代数理论和状态空间分析法为基础 的现代控制理论迅速发展起来。
17
自动控制原理
烟台大学光电信息学院 晋刚
办 公 室：科技馆701室/3202室 电子邮箱：jingang107@
网络教学平台 :2009jingang 密码：123
1
教
材
胡寿松. 自动控制原理简明教程. 科学出版社
2
参 考 书
3
参 考 书
程 鹏.自动控制原理.高等教育出版社 吴 麒.自动控制原理.清华大学出版社 戴忠达.自动控制理论基础.清华大学出 版社 文 锋.自动控制理论.中国电力出版社 刘 坤.MATLAB自动控制原理习题精 解.国防工业出版社。
状态空 间描述
状态空 间分析
李雅普诺 夫稳定性
状态空间 综合法
时根频 域轨域 分迹分 析法析
串反前 联馈馈 校校校 正正正
离 散 系 统 分 析 与 校 正
非 线 性 典 型 环 节
描 述 函 数 法
定 量 分 析
定 性 分 析
非 线 线 性 性 系 系 统 统
状 状 态 态 观 反 测 馈 器
自动控制原理综合设计
阀门
＋ U Ub 放大器 Ua 水箱 出水 连杆 浮子
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2.自动控制系统在生产生活中应用
空调、冰箱自动调节温度等 数控车床按预定程序自动切削工作 人造卫星准确进入预定轨道并回收 无人驾驶飞机按照预定航线自动升降飞行 工业、农业、交通、通信、生物、医学、 环境、经济管理和其它许多社会生活领域 中
现代控制理论在数学工具、理论基础 和研究方法上不仅能提供系统的外部信息 （输出量和输入量），而且还能提供系统 内部状态变量的信息。对线性系统或非线 性系统，定常系统或时变系统，单变量系 统或多变量系统，都是一种有效的分析方 法。
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自动控制原理
古典控制
现代控制
数学 模型
分析方 法
校正方 法
非线性 系统
浮子：测量作用
进水
阀门
连杆：比较作用 放大器 伺服电动机 调节作用 减速器 阀门：执行元件作用
＋ 减速器 U M Ub 放大器 Ua 连杆
浮子
＋ Uf -
水箱
出水
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当实际水位低于要求水位时， 电位器输出电压值为正，且 进水 其大小反映了实际水位与水 位要求值的差值，放大器输 出信号将有正的变化，电动 减速器 机带动减速器使阀门开度增 M 加，直到实际水位重新与水 位要求值相等时为止。 水位自动控制的目的：使偏 ＋ Uf 差消除或减小，使实际水位 达到要求的水位值。
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1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低 阶系统的稳定性代数判据 。 1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨 （Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定 性判据，即Routh和Hurwitz判据。 二战期间（1938-1945年）奈奎斯特 （H.Nyquist）提出了频率响应理论；1948年， 伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此， 控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以 频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。
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目前发展：跨越学科界限，向以控制论、 信息论、仿生学为基础的智能控制理论 深入。 智能控制理论被誉为最新一代的控制理 论。
智能控制代表性理论：模糊控制、神经 网络控制、遗传算法、混沌控制、小波 理论、拟人化智能控制、博奕论等。
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1.1.3 自动控制系统
1.自动控制系统：由被控对象和控制装置
自动控制的基本原理
1.1.1 自动控制技术及其应用 1.自动控制:就是在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置（控制装置），使机 器、设备或生产过程（控制对象）的某个工 作状态或参数（被控量）自动地按照预定的 规律运行。
如：数控车床、无人驾驶飞机、空调、全自动洗衣机等
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(1)人工控制（水箱水位人工控制系统）
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几 点 要 求
纪律：考勤；手机；课堂纪律；
作业：认真、独立完成； 考核：考试成绩+平时成绩；
欢迎任何形式的意见和建议。
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第一章 控制系统导论
§1-1 §1-2 自动控制的基本原理 自动控制系统示例
§1-3
§1-4 §1-5
自动控制系统的分类
自控系统的基本要求 本课程主要内容
6
§1-1