基于雙容水箱液位對象的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及研究

邢海娜

摘 要：雙容水箱的實(shí)驗(yàn)控制過程由于結(jié)構(gòu)簡單，是具有很強(qiáng)靈活性和多變性的控制對象，并且與工業(yè)控制系統(tǒng)的控制過程相似，能夠幫助學(xué)生更好地理解控制算法。該文針對該校自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的雙容水箱控制系統(tǒng)，結(jié)合主干課程教學(xué)內(nèi)容，以水箱液位為受控對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠很好地提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目的。

關(guān)鍵詞：雙容水箱 水箱液位 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0133-02

Abstract：Because of the simple structure of the double-capacity water tank system， and control process is flexible and variable that is also similar to industry control process， that can help students understand control algorithm better. The paper aim at our school double-capacity water tank control system， combining with main courses， which is to design experiments based on level controlled object. Through the practice teaching， the designed experiments can improve the hands-on ability greatly， and achieve the purpose of training applied talents.

Key Words：Double-capacity water tank； Level of water tank； Design experiments

雙容水箱控制系統(tǒng)是具有較強(qiáng)代表性的工業(yè)對象，具有非常重要的研究意義。在教學(xué)科研類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠很好地覆蓋控制類相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程，如過程建模技術(shù)、過程控制工程和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等。學(xué)生通過改變閥門開關(guān)狀態(tài)，靈活地構(gòu)成一階對象和二階對象，在雙容水箱控制系統(tǒng)上做各種基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也可以做一些拓展實(shí)驗(yàn)。同時，還為廣大科研工作人員提供了良好的試驗(yàn)平臺，進(jìn)行非線性系統(tǒng)的辨識和控制等相關(guān)研究[1]。

該文主要研究了數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)和數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)，通過形式多樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生對簡單的自動控制系統(tǒng)有了初步的了解，不僅驗(yàn)證所學(xué)理論，并能加深學(xué)生對流程工業(yè)控制算法基本原理的認(rèn)識，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時能對所學(xué)內(nèi)容提出一些新的見解。

1 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究

被控過程的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要解決如何用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型即數(shù)學(xué)模型來描述被控過程的特性。只有掌握了過程的數(shù)學(xué)模型，才能深入分析過程的特性并精確設(shè)計(jì)控制器[2]。

通常建立過程數(shù)學(xué)模型的方法，主要有3種。

（1）解析法。解析法又稱為機(jī)理演繹法。它根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)和動態(tài)物料（能量）平衡關(guān)系，用數(shù)學(xué)推理的方法建立過程的數(shù)學(xué)模型。

（2）實(shí)驗(yàn)辨識法。實(shí)驗(yàn)辨識法又稱為系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計(jì)法。該方法是根據(jù)過程輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，通過過程辨識和參數(shù)估計(jì)建立過程的數(shù)學(xué)模型。

（3）混合法。即用上述兩種方法的結(jié)合建立過程的數(shù)學(xué)模型。首先通過機(jī)理分析確定過程模型的結(jié)構(gòu)，然后利用實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)來確定模型中各參數(shù)的大小。

1.1 雙容水箱控制系統(tǒng)

雙容水箱控制系統(tǒng)主要是以液位為主要被控對象的控制系統(tǒng)，在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)分析與控制，首先必須正確認(rèn)識系統(tǒng)的性質(zhì)。為此，通常借助于數(shù)學(xué)模型這一有效工具?？梢哉f，正確地提出和建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)和前提[2]。

該文采用實(shí)驗(yàn)辨識法研究雙容水箱液位系統(tǒng)，其裝置包括調(diào)節(jié)器DTL-121A一臺、電/氣轉(zhuǎn)換器D/Q一臺、差壓變送器DBC-334Q一臺和記錄儀XWC-200一臺。（如圖1）

圖中有3只水槽。其中槽1，槽2為調(diào)節(jié)對象，它們的液位高度L1及L2分別作為液面對象的被調(diào)參數(shù)，由各自的液位變送器測出。槽3為貯水槽是為了構(gòu)成循環(huán)水而設(shè)置的。貯水槽中的水，可通過泵抽出經(jīng)調(diào)節(jié)閥R1送入水槽1。其流量大小也分別通過各自的流量變送器測出。而水槽1及水槽2中的水可分別通過它們各自的流阻R2、R3流入下槽，如此構(gòu)成水的循環(huán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在設(shè)備正面的控制屏上裝有1臺兩筆記錄儀，3臺電調(diào)節(jié)器和2塊毫安表，和設(shè)計(jì)接線板，其工作原理是通過控制流入水槽1進(jìn)水量的大小，來控制水槽2的液位高度。

（1）手工操作為水槽1和水槽2注水，并將水槽2的液位控制在80～100 mm。

（2）系統(tǒng)穩(wěn)定后，手動向調(diào)節(jié)期施加寬度為a的階躍脈沖信號，從而改變水槽1的入水流量。

（3）觀察記錄儀曲線，直到系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）采用切線法[3]處理實(shí)驗(yàn)獲得的過程曲線。求取對象模型中的增益K、滯后時間τ，再將T1、T2，分別代入模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)G1（s）、G2（s）。

2 數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究

2.1 設(shè)計(jì)思想

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由水箱的液位h1和h2作為被控變量，采用PID控制器。目前PID控制算法是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不僅僅簡單地把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而且進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出的各種要求[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

計(jì)算機(jī)控制控制的工作原理歸納為以下三個步驟。

（1）實(shí)時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。

（2）實(shí)時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按預(yù)定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。

（3）實(shí)時控制輸出：根據(jù)控制決策，實(shí)時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。

在雙容水箱系統(tǒng)中當(dāng)水箱的液位變化時，首先通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，再由I/O接口的A/D轉(zhuǎn)成二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號后，送入計(jì)算機(jī)端口。再經(jīng)計(jì)算機(jī)算發(fā)出控制量通過D/A轉(zhuǎn)換成1～5 V的控制電壓信號，通過改變調(diào)節(jié)閥的開度控制水箱的進(jìn)水量，從而調(diào)節(jié)水箱的液位高度。系統(tǒng)流程如圖2所示。

系統(tǒng)與上位機(jī)相連后，運(yùn)行軟件便可以開始實(shí)驗(yàn)了。對水槽裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，包括數(shù)據(jù)實(shí)時采集與處理，數(shù)字PID控制算法的實(shí)現(xiàn)，控制畫面設(shè)計(jì)的完整過程。學(xué)生完成對數(shù)字PID控制算法程序的設(shè)計(jì)，并對水槽實(shí)施計(jì)算機(jī)控制，同時檢查設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)語

在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生獨(dú)立動手完成整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)搭建、算法編程以及設(shè)備調(diào)試整個過程。學(xué)生通過上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以基本掌握在流體過程對象上進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)及實(shí)施方法，提高了針對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在教學(xué)實(shí)踐中的不斷積累與改進(jìn)，已經(jīng)取得了較好的教學(xué)效果。不僅提高了課程的直觀性，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)把理論知識化為實(shí)際的系統(tǒng)。同時，在保證實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生以后從事生產(chǎn)和科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高明坤.雙容水箱控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

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[3] 王庚，王敏生.現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4] 王建華.黃清河.計(jì)算機(jī)控制計(jì)算[M].北京：高等教育出版社，2003：68-69.