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中文摘要摘要：液位是现代工业过程控制对象中的主要被控参数之一，液位控制在钢铁冶金、石油化工、食品加工行业十分常见。对于复杂的液位系统传统 PID 控制方法很难取得好的控制效果，严重制约了产品质量的和经济效益的进一步提高。三容水箱系统很好的模拟了复杂的工业液位控制对象，因此本文以三容水箱系统为研究对象，研究复杂液位系统的 BP 神经网络 PID 智能控制方法。本文理论联系实际，既研究 BP 神经网络 PID 算法理论，又研究算法的实际应用。文章首先介绍传统 PID 算法理论和神经网络理论并且深入研究了 BP 神经网络 PID 控制算法，在建立的三容水箱数学模型上进行仿真研究并与传统 PID 算法进行对比，验证了 BP 神经网络 PID 算法的有效性；其次设计了三容水箱单片机控制系统，完成数据采集与控制功能并编写了标准的 MODBUS 通信协议；再次研究了单片机控制器与 KEPWARE OPC 服务器通信方法，完成了 VB OPC 客户端程序设计，实现了 VB 软件与 OPC 服务器的通信功能，编写了基于 VB 的 BP 神经网络算法，结合单片机控制器实现了 BP 神经网络 PID 控制算法；最后给出了控制系统实验运行结果，结果表明，BP 神经网络 PID 控制算法比传统 PID 控制算法自适应性强，对于复杂液位系统的控制能够取得较好的效果。关键词：三容水箱，BP 神经网络 PID，单片机，Modbus，OPC I

ABSTRACT ABSTRACT:Level is one of the main object of modern industrial process control parameters, liquid level control in the iron and steel metallurgy, petrochemical and food processing industry are very common. Traditional PID control method is difficult to achieve good control effect Level in complex level systems, it is severely restricting further of the product quality and economic efficiency. Three-tank system is a good simulation of a complex industrial level control objects. So three-tank system as research object, this paper researches BP-PID intelligent control method of complex level system. This paper both researches the BP-PID theory and practical application of the algorithm. This paper firstly introduced the theory of traditional PID algorithm and neural network theory and in-depth study of the BP neural network PID control algorithm. This paper established mathematical models of the three tank level system for simulation and compared with the traditional PID algorithm to verify the BP-PID algorithm effectiveness; Secondly，this paper designed the three-tank system microcontroller to complete the data acquisition and control functions. And the standard MODBUS communication protocol was written; Again this paper researched communication methods between single chip controller and KEPWARE OPC server, completed the VB OPC client application design, implementation of the VB OPC server software and communications capabilities to code VB-based BP neural network algorithm, combined with single chip controller implementation of the BP-PID control algorithm; Control system is given the results of experimental runs, the results show that, BP-PID control algorithm is adaptive than traditional PID control algorithm and it can achieve good results for the control of complex fluid systems. KEYWORDS: Three-tank water level, BP-PID, SCM, Modbus, OPC II

目录摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. II 第 1 章绪论................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景 .................................................................................................. 1 1.2 液位控制研究现状 ............................................................................................... 2 1.3 神经网络概述 ...................................................................................................... 4 1.4 课题的研究意义及研究方法 ................................................................................. 7 1.4.1 课题研究意义 ............................................................................................... 7 1.4.2 课题研究方法 ............................................................................................... 7 1.5 课题研究的内容与章节安排 ................................................................................. 7 第 2 章三容水箱 BP 神经网络 PID 控制算法研究 ....................................................... 9 2.1 三容水箱系统介绍 ............................................................................................... 9 2.2 传统 PID 控制技术 ............................................................................................ 10 2.2.1 PID 控制的基本原理 .................................................................................... 10 2.2.2 控制器的参数整定方法 ............................................................................... 12 2.2.3 常规 PID 控制算法的局限及其改进 ............................................................ 13 2.3 BP 神经网络 PID 控制算法研究 ......................................................................... 13 2.4 BP 神经网络算法在三容水箱控制系统中的仿真研究 ......................................... 16 2.4.1 三容水箱系统控制任务 ................................................................................ 17 2.4.2 三容水箱的数学模型 ................................................................................... 17 2.4.3 BP 神经网络 PID 控制器设计 ....................................................................... 18 2.4.4 控制系统 MATLAB 仿真研究 ...................................................................... 19 2.5 小结 ................................................................................................................... 21 第 3 章单片机控制器设计 ......................................................................................... 22 3.1 数据采集与控制系统总体结构 ........................................................................... 22 3.2 单片机系统电路设计 ......................................................................................... 22 3.2.1 时钟电路设计 .............................................................................................. 23 3.2.2 复位电路设计 ............................................................................................. 23 3.2.3 电源电路设计 .............................................................................................. 24 III

3.2.4 LCD 显示电路设计 ...................................................................................... 24 3.2.5 数据存储电路 .............................................................................................. 25 3.2.6 键盘扩展电路 .............................................................................................. 25 3.3 数据采集与控制电路设计 .................................................................................. 26 3.4 通信电路设计 .................................................................................................... 27 3.5 控制器软件设计 ................................................................................................ 27 3.5.1 软件总体流程 ............................................................................................. 28 3.5.2 数字滤波子程序 ........................................................................................... 29 3.5.3 PID 参数修改子程序 .................................................................................... 31 3.5.4 MODBUS 通信子程序 .................................................................................. 31 3.5.5 增量 PID 控制子程序 .................................................................................. 37 3.6 小结 .................................................................................................................. 38 第 4 章三容水箱控制系统设计及实验运行研究 ......................................................... 39 4.1 控制系统总体结构 ............................................................................................. 39 4.2 上位机控制软件设计 ......................................................................................... 39 4.2.1 KEPWARE OPC 服务器与单片机控制器通信设置 ........................................ 39 4.2.2 VB 客户端软件的 OPC 通信代码设计 .......................................................... 44 4.2.3 BP 神经网络算法设计 .................................................................................. 47 4.2.4 VB 监控界面设计 ......................................................................................... 48 4.3 变频器参数设置 ................................................................................................ 49 4.4 系统实际运行效果测试 ..................................................................................... 50 第 5 章结论 ............................................................................................................... 52 参考文献 ..................................................................................................................... 53 致谢 ........................................................................................................................ 56 IV

第1章绪论 1.1 课题研究背景随着世界经济一体化进程的不断加速，企业间的竞争越来越激烈，企业越来越要求工业制成品的高质量和低消耗，这就要求不断提高工业自动化控制水平。而随着生产工艺和生产装置的日益精细和复杂，控制指标的日益严格，目前在工业领域中占主导地位的传统 PID 控制算法显得越来越力不从心。近 30 年来，控制领域的研究学者提出了许多各种各样先进的控制算法。自适应控制、模糊控制、神经网络控制等诸多先进控制算法均得到了很大发展，也取得了很多研究成果。其中神经网络算法具有自适应特征，跟传统的 PID 算法相结合，产生了很多新的自适应 PID 控制算法，研究表明这些算法很够应用到很多工业场合。作为过程控制过程5大参数之一的液位，在现代工业控制对象中占很大比重，尤其在在钢铁冶金、石油化工等行业中更为常见。目前在工业生产中广泛应用传统的PID控制算法对液位系统进行控制。对于简单的液位系统，具有线性、时不变特征，数学模型很容易建立，传统的PID控制方法能够满足工业现场的要求。但对于复杂高阶、非线性、大滞后、干扰因素多的液位系统，其数学模型往往难以获得，即使通过化简、近似等手段可以获得其数学模型，但往往已经不能精确的反映被控对象的实际特性，传统PID控制方法效果往往很差，甚至不能满足生产要求。例如锅炉汽包水位的控制，其动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽包水位控制方法大多采用传统的PID 控制方式，由于传统PID控制系统的参数是固定不变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统不能适应，造成系统的不稳定甚至失控，常规控制方法危险因素多。再例如选矿行业中的浮选槽一般采用多槽系统，多级浮选槽串联，系统传递函数阶数高，输入输出非线性，干扰因素多，传统的PID控制控制效果很差，严重制约了产品质量提高和能源消耗的降低 [1-2]。因此，将先进神经网络 PID 控制算法引入到复杂液位系统的控制中去，具有十分重要的意义。正是在这个背景下，本文以浙江天煌教仪生产的 THJ-3 型高级过程控制系统中的由三容水箱系统为研究对象（该三容水箱装置很好的模拟了工业现场中典型的复杂液位对象，具有一定的非线性特征），设计基于单片机的神经网络 PID 控制器，研究复杂液位系统的神经 1

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