（衢州学院 浙江衢州 342000)
摘要：本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。应用MCGS实现控制过程，液位设定值、采样周期和P、I、D参数都可以修改，并依据修改的数据实现相应的算法，调节阀开度为控制算法的结果
关键词：单容水箱；液位控制；PID控制；MCGS
1.设计方案
1.1概述
当前实内外大部分实践正在不断地优化实程设置结构，从传统实程结构实单一实转向现代实程。
1.1.1设计题目
(1)选择一个题目，熟悉设计要求、实验室提供的设备及实际控制系统的硬件组成，进行接
口设备的安装与连接；熟悉所用组态软件的操作。
(2)查看有关参考书籍、查阅相关文献资料，独立设计基于组态软件的控制系统方案。
(3)根据实际系统的要求，进行画面设计与编辑、控制程序的编写、设定报警和历史趋势等。
(4)进行程序的运行、调试与改进。
1.1.2设计步骤
(1)根据设计任务和单容水箱液位控制系统流程图绘制出控制系统方框图以及控制系统连接图。
(2)新建MCGS工程文件，命名为“单容水箱液位控制系统”。
(3)创建用户窗口，包括液位控制系统流程（设置为启动窗口）、历史曲线、历史数据等；
(4)在实时数据库页面创建数据对象，在用户窗口建立相关控件的动画连接；
(5)在运行策略页编写相关控制算法的脚本程序；
(6)进入设备窗口，进行设备组态，将宇光AI_808仪表添加到设备窗口。
(7)为了运行时实现各用户窗口之间的切换，在主控窗口编制相应的菜单系统。
(8)系统创建完毕后，进入运行环境，保存实验结果。
2.单容水箱液位控制系统建模
2.1液位控制的实现
除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。
2.2 被控对象
本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀 开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
2.3 水箱建模
这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。
3. 液位控制系统中的PID算法控制
数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。
3.1 PID控制原理
一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差
从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：
1、比例环节
用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。 越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
2、积分环节
主要用来消除系统的稳态误差。 越小，系统的静态误差消除越快，但 过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若 过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
3、微分环节
能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。
参考文献
[1]曹辉、马栋萍、王暄、耿瑞芳主编，《组态软件技术及应用》（第2版）.电子工业出版社，2012.
[2]李江全主编，《组态软件MCGS从入门到监控应用35例》，电子工业出版社，2015.
[3]李红萍编著，《工控组态技术及应用—MCGS》，西安电子科技大学出版社，2013.
[4]潘永湘、杨延西、赵跃编著，《过程控制与自动化仪表》（第2版），机械工业出版社，2007.