雙容水箱液位控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究

常瑞麗，韓軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

雙容水箱液位控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究

常瑞麗1，韓軍2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

基于MCGS組態(tài)軟件構(gòu)建了雙容水箱液位控制系統(tǒng)，以雙容水箱液位為控制對象建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;同時，設(shè)計(jì)了單容水箱液位PID調(diào)節(jié)器，并在階躍信號作用下進(jìn)行了P、PI和PID實(shí)驗(yàn)，對構(gòu)建多參數(shù)過程控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和參考價值。

液位控制;雙容水箱;過程控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，為了了解容器中原料、半成品或成品的數(shù)量，調(diào)節(jié)輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)物料搭配合理，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和控制。設(shè)計(jì)一個良好的液位控制系統(tǒng)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的實(shí)際意義。為此，作者設(shè)計(jì)了一套雙容水箱液位控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(1)硬件系統(tǒng)

文中設(shè)計(jì)的雙容水箱液位控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由模入模出接口卡、渦輪流量傳感器、比例閥、水泵、水箱、液位傳感器和智能儀表等組成，各部件介紹如下。

PCI-8333多功能模入模出接口卡。PCI-8333模入模出接口卡具有12位A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，同時備有16路數(shù)字量輸入輸出接口、3個16位計(jì)數(shù)/定時器以及1 MHz基準(zhǔn)時鐘。A/D轉(zhuǎn)換可由程序觸發(fā)、定時器觸發(fā)和外同步觸發(fā)等方式啟動。上、下水箱液位和流量的檢測輸出信號分別通過信號分路板輸入A/D模塊中 IN0、IN1和IN2輸入通道，輸出通道IO0控制比例閥，IO1控制水泵。

渦輪流量傳感器。渦輪流量傳感器是一種速度式流量計(jì)。選用LWGY-10型高精度渦輪流量傳感器，具有精度高、動態(tài)性能好、可測量脈沖流、耐高壓、壓力損失小、使用溫度范圍寬、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

比例閥。比例閥將控制模塊送來的標(biāo)準(zhǔn)電信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的閥門開度，用于配合控制和調(diào)節(jié)流量，是系統(tǒng)重要部件。文中選用德國進(jìn)口比例閥，具有性能穩(wěn)定、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。比例調(diào)節(jié)閥將接收的外部標(biāo)準(zhǔn)信號 (4～20 mA)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)信號，使閥門開度產(chǎn)生連續(xù)變化，從而調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的大小，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中流量的控制。

水泵。水泵采用管道式結(jié)構(gòu)安裝，用于整個系統(tǒng)的供水。選用丹麥格蘭富UPA-90 AUTO型單級循環(huán)水泵，噪聲低、使用壽命長。管路直徑10 mm，循環(huán)介質(zhì)為清水。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水箱。上、下兩個水箱材料均采用進(jìn)口透明有機(jī)玻璃，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，具有緩沖槽、工作槽和溢水槽，結(jié)實(shí)耐用，便于直接觀測液位的變化。

液位傳感器。液位傳感器用來檢測上、下水箱的液位，其核心變送器采用進(jìn)口器件，具有抗過載、可靠性高、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。信號輸出按標(biāo)準(zhǔn)二線制，輸出與測量相對應(yīng)的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。

智能儀表。智能顯示儀表采用先進(jìn)的ASIC芯片及制造技術(shù)，將常規(guī)儀表的硬件接口電路和多功能模塊化的儀表軟件高度集成于專業(yè)ASIC之中，可靠性高、穩(wěn)定性好、功耗低，具有開放式的模塊結(jié)構(gòu)、數(shù)字調(diào)零調(diào)幅校準(zhǔn)技術(shù)、掉電保護(hù)和多重抗干擾等功能。

(2)軟件系統(tǒng)

該軟件系統(tǒng)采用運(yùn)行于Windows XP平臺的MCGS工控組態(tài)軟件。MCGS是用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供生產(chǎn)信息，比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，在自動化領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。圖2為文中開發(fā)的雙容液位監(jiān)控系統(tǒng)界面和單容水箱液位PID調(diào)節(jié)控制界面。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)界面

2 雙容液位對象測試

雙容水箱如圖1所示，兩個水箱串聯(lián)在一起，之間通過具有阻力的連通管連接，兩者液位不等。來水首先進(jìn)入上水箱，然后再通過下水箱流出。手動閥3控制流入量qv1，手動閥8控制流出量qv2，被控量是下水箱液位h2。下面分析h2在手動閥3擾動下的動態(tài)特性。

(2)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

表1為階躍信號作用下下水箱液位變化值，圖3為其實(shí)時曲線。若提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，可適當(dāng)增加系統(tǒng)增益K，即下水箱出水閥的阻力系數(shù)Rs2，但不能過大以免系統(tǒng)振蕩加劇。

表1 每隔20 s下水箱液位高度值 mm

圖3 下水箱液位響應(yīng)曲線

3 單容水箱液位PID調(diào)節(jié)

(1)測試原理

系統(tǒng)框圖如圖4所示，控制任務(wù)是使上水箱液位等于給定值所要求的高度，減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。

圖4 單容水箱液位控制系統(tǒng)

選擇合適的kp、Ti、Td對控制效果有著重要的影響。文中通過實(shí)驗(yàn)得出圖5所示曲線。

圖5 不同參數(shù)下水箱液位響應(yīng)曲線

圖中給定量150 mm，曲線1為 kp=2、Ti=100 000、Td=0時的上水箱液位實(shí)時變化曲線，可知:曲線較好，無超調(diào)，存在較小穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。曲線2是kp增加為4時的液位變化，可知:動態(tài)響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。曲線3是在曲線2的基礎(chǔ)上加入積分項(xiàng)，穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，但出現(xiàn)超調(diào)，穩(wěn)定性下降，調(diào)整時間增加。曲線4是在曲線3的基礎(chǔ)上加入微分項(xiàng)，超調(diào)量有所減少，調(diào)整時間減少。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差小、自適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，大大提高了水箱液位的控制質(zhì)量，對構(gòu)建多參數(shù)過程控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。

［1］馮麗輝.水箱液位模擬控制系統(tǒng)的微機(jī)化改造［J］.昆明理工大學(xué)報(bào).2001，24(5):1 －4.

［2］王毅，張?jiān)缧?過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］NOURA Hassan，THEILLIOLDidier，SAUTER Dominique.Actuator Fault-tolerant Control Design:Demonstration on A Three-Tank System［J］.International Journal of Systems Science，2000，31(9):1143 －1155.

［4］UCHIDA M，NAKANO K.Simulator-based Foresight Control of Level of Three tanks in Series［C］//Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics，Control，and Instrumentation，1996:321－325.

Developing and Research on Liquid Level Control System of Double Tanks

CHANG Ruili1，HAN Jun2
(1.School of Information Engineering，University of Science and Technology Inner Mongolia，Baotou Inner Mongolia 014010，China;2.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Inner Mongolia，Baotou Inner Mongolia 014010，China)

The liquid level control system of double tankswas builtbased on MCGSconfiguration software.Taking the liquid level of double tanks as control object，themathematicsmodel was built，which was used for experiment and research.Moreover，the liquid level PID adjustor of single tank was designed.P，PIand PID experimentswere done in step signal，which had important practical significance and reference value.

Liquid level control;Double tanks;Process control

TP273+.5

A

1001－3881(2014)10－166－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.050

2013－04－28

常瑞麗 (1978—)，碩士，講師，主要從事電子技術(shù)教學(xué)工作及運(yùn)動控制技術(shù)方面的應(yīng)用研究。E－mail:crl2006@126.com。