基于双容水箱液位对象的实验项目设计及研究

邢海娜

摘 要：双容水箱的实验控制过程由于结构简单，是具有很强灵活性和多变性的控制对象，并且与工业控制系统的控制过程相似，能够帮助学生更好地理解控制算法。该文针对该校自动化专业实验室的双容水箱控制系统，结合主干课程教学内容，以水箱液位为受控对象进行实验项目设计。通过实践教学环节，应用设计的实验项目能够很好地提高学生的动手实践能力，达到培养应用型人才的目的。

关键词：双容水箱 水箱液位 实验项目设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：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

双容水箱控制系统是具有较强代表性的工业对象，具有非常重要的研究意义。在教学科研类实验系统中，能够很好地覆盖控制类相关专业的实验课程，如过程建模技术、过程控制工程和计算机控制技术等。学生通过改变阀门开关状态，灵活地构成一阶对象和二阶对象，在双容水箱控制系统上做各种基础实验，也可以做一些拓展实验。同时，还为广大科研工作人员提供了良好的试验平台，进行非线性系统的辨识和控制等相关研究[1]。

该文主要研究了数学建模实验和数字PID控制实验，通过形式多样的实践环节，使学生对简单的自动控制系统有了初步的了解，不仅验证所学理论，并能加深学生对流程工业控制算法基本原理的认识，提高了学生分析问题和解决问题的能力，同时能对所学内容提出一些新的见解。

1 数学模型试验项目的设计研究

被控过程的数学模型是控制系统设计的基础，在过程控制系统设计中，首先要解决如何用恰当的数学模型即数学模型来描述被控过程的特性。只有掌握了过程的数学模型，才能深入分析过程的特性并精确设计控制器[2]。

通常建立过程数学模型的方法，主要有3种。

（1）解析法。解析法又称为机理演绎法。它根据过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料（能量）平衡关系，用数学推理的方法建立过程的数学模型。

（2）实验辨识法。实验辨识法又称为系统辨识与参数估计法。该方法是根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计建立过程的数学模型。

（3）混合法。即用上述两种方法的结合建立过程的数学模型。首先通过机理分析确定过程模型的结构，然后利用实验测试数据来确定模型中各参数的大小。

1.1 双容水箱控制系统

双容水箱控制系统主要是以液位为主要被控对象的控制系统，在实际的工业控制领域有广泛的应用。为了实现有效的系统分析与控制，首先必须正确认识系统的性质。为此，通常借助于数学模型这一有效工具。可以说，正确地提出和建立系统的数学模型，是实现系统控制的基础和前提[2]。

该文采用实验辨识法研究双容水箱液位系统，其装置包括调节器DTL-121A一台、电/气转换器D/Q一台、差压变送器DBC-334Q一台和记录仪XWC-200一台。（如图1）

图中有3只水槽。其中槽1，槽2为调节对象，它们的液位高度L1及L2分别作为液面对象的被调参数，由各自的液位变送器测出。槽3为贮水槽是为了构成循环水而设置的。贮水槽中的水，可通过泵抽出经调节阀R1送入水槽1。其流量大小也分别通过各自的流量变送器测出。而水槽1及水槽2中的水可分别通过它们各自的流阻R2、R3流入下槽，如此构成水的循环。

1.2 实验原理

在设备正面的控制屏上装有1台两笔记录仪，3台电调节器和2块毫安表，和设计接线板，其工作原理是通过控制流入水槽1进水量的大小，来控制水槽2的液位高度。

（1）手工操作为水槽1和水槽2注水，并将水槽2的液位控制在80～100 mm。

（2）系统稳定后，手动向调节期施加宽度为a的阶跃脉冲信号，从而改变水槽1的入水流量。

（3）观察记录仪曲线，直到系统重新达到稳定状态。

（4）采用切线法[3]处理实验获得的过程曲线。求取对象模型中的增益K、滞后时间τ，再将T1、T2，分别代入模型，推导出系统传递函数G1（s）、G2（s）。

2 数字PID控制实验项目的设计研究

2.1 设计思想

该实验项目由水箱的液位h1和h2作为被控变量，采用PID控制器。目前PID控制算法是应用最为广泛的一种控制规律。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点。用计算机实现PID控制，不仅仅简单地把PID控制规律数字化，而且进一步与计算机的逻辑判断功能结合起来，使PID控制更加灵活多样，更能满足生产过程提出的各种要求[4]。

2.2 实验原理

计算机控制控制的工作原理归纳为以下三个步骤。

（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。

（3）实时控制输出：根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

在双容水箱系统中当水箱的液位变化时，首先通过压力传感器转换成4～20 mA的标准电流信号，再由I/O接口的A/D转成二进制编码的数字信号后，送入计算机端口。再经计算机算发出控制量通过D/A转换成1～5 V的控制电压信号，通过改变调节阀的开度控制水箱的进水量，从而调节水箱的液位高度。系统流程如图2所示。

系统与上位机相连后，运行软件便可以开始实验了。对水槽装置实现计算机控制，包括数据实时采集与处理，数字PID控制算法的实现，控制画面设计的完整过程。学生完成对数字PID控制算法程序的设计，并对水槽实施计算机控制，同时检查设计的可行性。

4 结语

在指导实验过程中，学生独立动手完成整个系统的设计，包括系统搭建、算法编程以及设备调试整个过程。学生通过上述实验项目可以基本掌握在流体过程对象上进行计算机控制的设计及实施方法，提高了针对控制系统的设计和分析能力。实验项目在教学实践中的不断积累与改进，已经取得了较好的教学效果。不仅提高了课程的直观性，通过实验教学把理论知识化为实际的系统。同时，在保证实践环节教学质量的基础上，也大大地激发了学生的学习兴趣，为学生以后从事生产和科研工作打下了良好的基础。

参考文献

[1] 高明坤.双容水箱控制系统的研究[D].沈阳：东北大学，2011.

[2] 袁德成.过程控制工程[M].北京：机械工业出版社2013，60-61.

[3] 王庚，王敏生.现代数学建模方法[M].北京：科学出版社，2006.

[4] 王建华.黄清河.计算机控制计算[M].北京：高等教育出版社，2003：68-69.