人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。
自衡过程的建摸：
单容水箱液位被控过程中，其流入量Q1，改变阀1的开度可以改变Q1的大小。其流出量为Q2，它取决于用户的需要，改变阀2开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程。若Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式，水箱水位控制模型如图3所示，液位控制过程阶跃响应如图4所示。
1 Q1
h Q2
2 图3 水箱水位控制模型
X
h（t）
0 t 0
t (a)
图4 液位被控过程及其阶跃响应
(b)
根据动态物料平衡关系有
Q1?Q2?Adh （ 1 ） dt将公式（1）表示成增量式为
?Q1??Q2?Ad?h （ 2 ） dt式中： ?Q1、?Q2、d?h——分别表示和某个平衡状态Q10、Q20、?h0的偏差；A——贮蓄截面积。
在静态时，Q1?Q2；当Q1变化的时候，h同时也变化，水箱出口处的静压也变化，Q2也发生变化。Q2与h成正比，与阀2阻力R2成反比，
dh
?Q2?R2（3）
式中：R2——阀2的阻力，称为液阻。
为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量Q2。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。
将式（2）、式（3）拉氏变换后,画出方框图如图5所示。
Q1(s)1csQ2(s)1R2Y(s)
图5 方框图
单容液位过程的传递函数为 W0(s)?K0R2H(s)?? （4） Q1(s)R1Cs?1T0s?1式中：T0——过程的时间常数，T?RC；
02K0——过程的放大系数，K0?R2； C——过程的容量系数，或称过程容量。
被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量 或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。
从上述分析可知，液阻R2不但影响过程的时间常数T0，而且还影响过程的 放大系数K0，而容量系数C仅影响过程的时间常数[9]。
3. 硬件配置
一个系统硬件的选配很重要，本文所设计系统主要包括控制单元、检测单元和执行单元。 3.1 控制单元
控制单元是整个系统的心脏。在液位控制系统中一般使用的是智能仪表或可编程控制器。在这个系统应用的是西门子S7-200系列的PLC，CPU型号为224，其结构简单，使用灵活且易于维护，且具有以下特点：
(1) CUP芯片已升级到Intel80486，或采用Pentium处理器，有极快的处理速度扫描速度为0.37us/指令；
(2) 采用模块化设计， 能够按照积木方式进行系统配置，功能扩展灵活方便；(4) 有较强的网络功能，可将多个PLC连接成工业网络，构成完整的过程控制系统，既可实现总线联网，也可实现点到点的通信；
(5) 允许使用相关的程序软件包及工业通信软件，编程工具更为开放，人机界面十分友好；
系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块[10]。为了能够接收压力传感器的模拟量信号和调节水泵电机转速，选择了一块EM235模拟量输入/输出模块。
为了能调节水泵电机转速从而调节进水量，选择一台西门子G110变频器。 为了能对水位值进行设定，并对系统运行状态进行监控，特选择一块西门子人机界面TP170B触摸屏[11]。 3.2 检测单元
在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。
液位测量分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。
系统中用到的液位变送器是北京中西化玻仪器有限公司UYS-100A22液位传感器，属于静压力式液位变送器，量程为50～30000mm，精度等级为0.05，由24V直流电源供电，输出信号为4～20mADC二线制[12]。 3.3 执行单元
为了适应工业生产中输料管道多、长的特点，水泵特选用管道泵，它是为解决管道压力过低而研制的新颖泵，便于管道布置，运行平稳，噪音低。电机采用变频电机，变频电机具有以下优点：
(1) 具备有启动功能；
(2) 采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值； (3) 适应不同工况下的频繁变速； (4) 在一定程度上节能。
变频电机具有适应频繁变速的特点，在本文设计系统中，水泵电机选择变频电机[13]。
4. 软件设计
本文设计系统所需软件为STEP 7-Micro/WIN编程软件。 4.1 STEP 7-Micro/WIN编程软件简介
STEP 7编程软件是基于windows的应用软件，用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinCC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。
该软件功能强大，界面友好，有联机帮助功能，主要为用户开发PLC应用程序使用；同时也可实时监控用户程序的执行状态，是SIMATIC S7-200用户不可缺少的开发工具[14]。 4.2 参数设定及I/O分配
S7-200模拟量扩展模块EM235含有4路输入和1路输出，为12位数据格式。RA、A+、A-为第一路模拟量输入通道的端子；RB、B+、B-为第二路模拟量输入通道的端子；RC、C+、C-为第三路模拟量输入通道的端子；RD、D+、D-为第四路模拟量输入通道的端子。MO、VO、IO为模拟量输
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