基于雙容水箱液位對象的實驗項目設計及研究

邢海娜

摘 要：雙容水箱的實驗控制過程由于結構簡單，是具有很強靈活性和多變性的控制對象，并且與工業控制系統的控制過程相似，能夠幫助學生更好地理解控制算法。該文針對該校自動化專業實驗室的雙容水箱控制系統，結合主干課程教學內容，以水箱液位為受控對象進行實驗項目設計。通過實踐教學環節，應用設計的實驗項目能夠很好地提高學生的動手實踐能力，達到培養應用型人才的目的。

關鍵詞：雙容水箱 水箱液位 實驗項目設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：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

雙容水箱控制系統是具有較強代表性的工業對象，具有非常重要的研究意義。在教學科研類實驗系統中，能夠很好地覆蓋控制類相關專業的實驗課程，如過程建模技術、過程控制工程和計算機控制技術等。學生通過改變閥門開關狀態，靈活地構成一階對象和二階對象，在雙容水箱控制系統上做各種基礎實驗，也可以做一些拓展實驗。同時，還為廣大科研工作人員提供了良好的試驗平臺，進行非線性系統的辨識和控制等相關研究[1]。

該文主要研究了數學建模實驗和數字PID控制實驗，通過形式多樣的實踐環節，使學生對簡單的自動控制系統有了初步的了解，不僅驗證所學理論，并能加深學生對流程工業控制算法基本原理的認識，提高了學生分析問題和解決問題的能力，同時能對所學內容提出一些新的見解。

1 數學模型試驗項目的設計研究

被控過程的數學模型是控制系統設計的基礎，在過程控制系統設計中，首先要解決如何用恰當的數學模型即數學模型來描述被控過程的特性。只有掌握了過程的數學模型，才能深入分析過程的特性并精確設計控制器[2]。

通常建立過程數學模型的方法，主要有3種。

（1）解析法。解析法又稱為機理演繹法。它根據過程的內在機理，運用已知的靜態和動態物料（能量）平衡關系，用數學推理的方法建立過程的數學模型。

（2）實驗辨識法。實驗辨識法又稱為系統辨識與參數估計法。該方法是根據過程輸入、輸出的實驗測試數據，通過過程辨識和參數估計建立過程的數學模型。

（3）混合法。即用上述兩種方法的結合建立過程的數學模型。首先通過機理分析確定過程模型的結構，然后利用實驗測試數據來確定模型中各參數的大小。

1.1 雙容水箱控制系統

雙容水箱控制系統主要是以液位為主要被控對象的控制系統，在實際的工業控制領域有廣泛的應用。為了實現有效的系統分析與控制，首先必須正確認識系統的性質。為此，通常借助于數學模型這一有效工具。可以說，正確地提出和建立系統的數學模型，是實現系統控制的基礎和前提[2]。

該文采用實驗辨識法研究雙容水箱液位系統，其裝置包括調節器DTL-121A一臺、電/氣轉換器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為調節對象，它們的液位高度L1及L2分別作為液面對象的被調參數，由各自的液位變送器測出。槽3為貯水槽是為了構成循環水而設置的。貯水槽中的水，可通過泵抽出經調節閥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，如此構成水的循環。

1.2 實驗原理

在設備正面的控制屏上裝有1臺兩筆記錄儀，3臺電調節器和2塊毫安表，和設計接線板，其工作原理是通過控制流入水槽1進水量的大小，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）系統穩定后，手動向調節期施加寬度為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，直到系統重新達到穩定狀態。

（4）采用切線法[3]處理實驗獲得的過程曲線。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，推導出系統傳遞函數G1（s）、G2（s）。

2 數字PID控制實驗項目的設計研究

2.1 設計思想

該實驗項目由水箱的液位h1和h2作為被控變量，采用PID控制器。目前PID控制算法是應用最為廣泛的一種控制規律。它具有原理簡單、易于實現、魯棒性強和適用面廣等優點。用計算機實現PID控制，不僅僅簡單地把PID控制規律數字化，而且進一步與計算機的邏輯判斷功能結合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產過程提出的各種要求[4]。

2.2 實驗原理

計算機控制控制的工作原理歸納為以下三個步驟。

（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按預定的控制規律，決定將要采取的控制策略。

（3）實時控制輸出：根據控制決策，實時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。

在雙容水箱系統中當水箱的液位變化時，首先通過壓力傳感器轉換成4～20 mA的標準電流信號，再由I/O接口的A/D轉成二進制編碼的數字信號后，送入計算機端口。再經計算機算發出控制量通過D/A轉換成1～5 V的控制電壓信號，通過改變調節閥的開度控制水箱的進水量，從而調節水箱的液位高度。系統流程如圖2所示。

系統與上位機相連后，運行軟件便可以開始實驗了。對水槽裝置實現計算機控制，包括數據實時采集與處理，數字PID控制算法的實現，控制畫面設計的完整過程。學生完成對數字PID控制算法程序的設計，并對水槽實施計算機控制，同時檢查設計的可行性。

4 結語

在指導實驗過程中，學生獨立動手完成整個系統的設計，包括系統搭建、算法編程以及設備調試整個過程。學生通過上述實驗項目可以基本掌握在流體過程對象上進行計算機控制的設計及實施方法，提高了針對控制系統的設計和分析能力。實驗項目在教學實踐中的不斷積累與改進，已經取得了較好的教學效果。不僅提高了課程的直觀性，通過實驗教學把理論知識化為實際的系統。同時，在保證實踐環節教學質量的基礎上，也大大地激發了學生的學習興趣，為學生以后從事生產和科研工作打下了良好的基礎。

參考文獻

[1] 高明坤.雙容水箱控制系統的研究[D].沈陽：東北大學，2011.

[2] 袁德成.過程控制工程[M].北京：機械工業出版社2013，60-61.

[3] 王庚，王敏生.現代數學建模方法[M].北京：科學出版社，2006.

[4] 王建華.黃清河.計算機控制計算[M].北京：高等教育出版社，2003：68-69.