1. 研究目的与意义
1.课题研究的背景
过程控制在我国现代化建设中具有不可替代的地位。改革开发以来，随着科学技术的发展，过程控制产生巨大的变化。大致可分为局部自动化、综合自动化和全盘自动化等阶段。20世纪50年代前后，过程控制开始发展。控制理论主要是基于传递函数的经典控制理论[1][2]。20世纪60年代前后，过程控制大量采用单元组合式仪表或组装式仪表。控制理论由基于传递函数的经典控制理论发展到基于状态空间法的现代控制理论，控制系统单变量发展到多变量，以适应复杂的控制问题。自20世纪70年代中期以来，随着现代工业的迅猛发展与微型计算机的广泛应用，过程控制的发展达到了一个新的水平，即实现了过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合的全盘自动化方式。这一阶段的特点是：采用以微处理器为核心的智能单元仪表，成分在线检测与数据处理技术的应用也日益广泛，模拟调节仪表的品种不断增加，可靠性不断提高，电动仪表也实现了 本质安全防爆，适应了各种复杂过程的控制要求。同时控制理论也与时俱进[3]。
水箱是比较经典的非线性、时延的被控对象，在工程中一些被控对象能够抽象成水箱的数学模型，具有代表性，工业背景强，所以对水箱建模是很有现实意义的[4][5]。水箱的研究过程也涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科，主要对纯滞后水箱温度控制系统完成数学建模，而后基于数学模型的基础上设计多种控制算法，再利用MATLAB仿真验证控制算法的运行效果，并对仿真结果进行分析与比较，得出相应的结论。本课题的理论研究为纯滞后水箱温度系统在实际控制中做好理论铺垫。
2.课题研究的现状及发展趋势
MATLAB由美国MathWorks公司出品，它的主要用途是开发算法、数据的可视化、数据的分析以及数值计算，它是由MATLAB和Simulink两部分组成。MATLAB是matrixlaboratory两个词的组合，意为矩阵工厂(矩阵实验室)。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境[7][8][9]。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案[10-16]。并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB在本文中的应用主要是在Simulink中搭建纯滞后水箱的系统结构图，并观察在不同策略及不同控制算法下系统的性能。以此来选择适合的控制策略和算法，使设计达到要求。
纯滞后水箱温度控制系统设计过程：（1）确定控制目标：纯滞后水箱的控制目标主要是在误差允许的范围内水箱温度达到控制要求。（2）选择被控参数：被控参数即被控量或称系统输出，在本文中即是水箱的温度。无论采用什么控制方案，均需通过某些参数的检测来控制或监视生产过程。有的参数不易直接测量时，可考虑用与直接被控量有函数关系的间接参数计算的得到，。(3)选择控制量：控制量是由生产工艺确定的，一个被控过程可那存在多个被控量，究竟采用哪种控制量，需要视控制要求确定。本文中控制量十分明朗，即为阀门的开度。(4)确定控制方案：控制方案是整个设计的核心内容之一。随着控制目标和控制精度要求的不同，控制方案也随之变化。(5)选择控制策略：被控过程决定被控策略，对于简单的被控过程，常规的PID控制策略即可达到控制要求。随着被控过程的复杂化，则需要考虑采用复杂的控制策略例如模糊控制、解耦控制等。本文中纯滞后水箱的控制采用PID控制策略即可。（6)系统的投运、调试和整定调节器的参数：所有的设计完成之前必须要对参数不断进行调试，使系统的性能达到最优状态。
3.本课题研究意义和价值
温度的高低在生产中是一个重要的参数，应用非常广泛[17][18]。化工反应塔内，常需保持一定的温度也取得较高的生产率[19][20]。在人们的日常生活、工业制造、制冷等领域,温度作为当前环境的重要因素之一,被人们广泛的作为参考因素来使用,从而保证各项工作的正常运行,如火灾报警、温室或粮仓中温度的实时监测、冷库温度的调节等,因此以温度参数为基础而设计的温度控制系统被广泛开发和使用。使用传统意义上的温度计采集温度信息,不但采集精度低,实时性差,而且操作人员的劳动强度高,不利于广泛的推广。单回路反馈控制原理以及PID控制原理是计算机控制技术的基础。控制对象的动态特性和数学模型是分析和设计控制系统的基础资料和基本依据。对被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须首先建立其数学模型，因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化控制具有极为重要的意义。
4、参考文献
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[2]卢春华,王頔,谷瑞邦.基于数字PID的纯滞后水箱液位串级控制系统设计[J].应用能源技术,2019，(01):51-52.
[3]郝泽军.纯滞后水箱温度控制系统设计[J].电子技术,2018,47(12):73-77.
[4]孙滨.基于纯滞后水箱控制的数字化工厂相关技术研究[D].西安：西安理工大学,2018.
[5]卢春华,石峰,范六灿.纯滞后水箱温度控制系统设计[J].山东工业技术,2018(13):128-129.
[6]董海兵,罗雪莲.基于组态监控技术的水箱温度串级控制系统设计[J].东莞理工学院学报,2018,25(03):47-52.
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[8]王文庆,马一鸣.一种基于模糊逼近的纯滞后水箱鲁棒控制器设计[J].西安邮电大学学报,2018,23(03):97-103.
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[10]张燕.模糊PID在水箱过程控制系统中的研究[J].内燃机与配件,2017,(17):140-141.
[11]张晓莉,杜文玉,王毅璇,董岩,张钟.基于PLC系统的双容水箱温度控制[J].微型机与应用,2017,36(17):1-3,7.
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[13]冯晓会.过程控制实验平台设计与实验项目研发[D].西安：陕西科技大学,2017.
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[16]温晓花.双容水箱温度液位的内模PID控制研究[J].机械,2016,43(07):51-53,72.
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2. 研究内容和问题
1、基本内容：
（1）纯滞后水箱建模研究
建立被控过程的方法主要包括（一）机理演绎法：根据被控过程的内部机理，运用已知的静态或动态平衡关系，用数学解析法求取被控过程的数学模型。（二）实验辨识法：给被控过程加一输入，记录输出变化量，得到实验数据或曲线，然后根据输入输出数据确定其模型结构。（三）混合法：即结合了机理演绎法和实验辨识法的优点，避免了两者的缺点，节省了建模的时间，提高了效率。本文采用机理演绎法建模。
3. 设计方案和技术路线
1、研究方法：数学建模方法（机理法建模、实验测定法建模）、智能控制算法的研究、设计及MATLAB编程及调试、实验数据分析方法等。
（1）针对纯滞后水箱，设计了单回路控制、串级控制和模糊串级控制三种控制方案，并分别完成参数整定和系统仿真。
纯滞后水箱是大惯性、大时延系统，当选择简单的单回路控制系统时，达不到系统设计的要求。因此纯滞后水箱的设计采用串级控制。串级控制与单回路控制系统的区别是串级控制有两个闭环，其中一个称为副回路，一个称为主回路。串级控制是由两个控制器串联连接组成的复杂控制系统。其中主控制器的输出作为副控制器的设定值，副控制器的输出控制调节阀。在控制中，副回路起“粗调” 作用，主回路起“细调”作用。串级控制的优点有：串级控制能克服进入副回路的干扰、串级控制能改善控制通道的动态特性，提高工作效率、能适应负荷和操作条件的剧烈变化。主、副调节器调节规律的选择。在串级控制系统中，主、副调节器所起作用不同。
4. 研究的条件和基础
（1）计算机一台；
（2）MATLAB软件一套。
（3）CS4100过程控制装置。
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