【文章內(nèi)容簡介】 科學技術的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 課題研究的主要內(nèi)容 （ 1）一個系統(tǒng)是否能達到預期的控制效果，其系統(tǒng)的數(shù)學模型相當?shù)闹匾? 4 直接關系到控制結(jié)果的正確與否。 （ 2）控制方案的選取，一個好的方案會讓系統(tǒng)更加完美，所以方案的選取也非常重要。 （ 3）調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，一個系統(tǒng)有了好的方案，但是如果參數(shù)整定錯誤那也是功虧一簣。 2. 控制方案設計 因為 液位高度和水箱底部的水壓成反比，故可用一個壓力傳感器來檢測水箱底部壓力，從而確定液位高度。要控制水位恒定，可用 PID 算法對水位進行自動調(diào)節(jié)，把壓力傳感器檢測到的水位信號 4~20mA送入 PLC中，在 PLC中對設定值和檢測值的偏差進行 PID 運算，用運算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水量 [7]。 系統(tǒng)啟動后，液位變送器檢測液位值 ,檢測后將檢測到的液位信號傳送給 PID控制器，控制器根據(jù)液位情況來控制水泵的轉(zhuǎn)速。水箱液位值小于設定值時，水泵轉(zhuǎn)速增加，水箱注入水量增加，水箱液位逐漸上升到設定值；水箱液位大于設定 值時，調(diào)節(jié)閥開度減小，水箱注入水量減小，水箱液位逐漸降低到設定值， 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 如圖 1所示。 圖 1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)啟動，打開水箱的出水閥，水泵電機以一定的轉(zhuǎn)速來控制進入水箱的水流量，調(diào)節(jié)手段是通過將液位傳感器檢測到的電信號送入 PLC中，經(jīng)過 A/D變換成數(shù)字信號，送入數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器中，經(jīng) PID算法后將控制量經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換 成水泵電機轉(zhuǎn)速相對應的電信號送入水泵電機來控制通道中的水流量。 當水箱的液位小于設定值時，液位傳感器檢測到的信號小于設定值，設定值液位變送器 PLC 變頻器 水泵 水箱 5 與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給水泵電機，使其轉(zhuǎn)速增大，以使通道里的水流量變大，增加水箱里的進水量，液位升高。當液位升高到設定高度時，設定值與控制變量平衡， PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，水泵電機就維持在那個轉(zhuǎn)速，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。 當水箱的液位大于設定值時，液位傳感器檢測到的信號大于設定值，設定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。經(jīng)過運算后即輸出控制信號給水泵電機，使其轉(zhuǎn)速減小，以使通道里的水流量減小，減小水箱里的進水量，液位降低。當液位降低到設定高度時，設定值與控制變量平衡， PID調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，水泵電機就維持在那個轉(zhuǎn)速，流量也不變，同時水箱的液位維持不變， 系統(tǒng)原理圖 如圖 2所示 [8]。 圖 2 系統(tǒng)原理圖 單容水箱對象特性 所謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。本文研究的是有自衡能力的貯蓄過程，以下簡稱自衡過程。 所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠起自身重新恢復平衡的過程。 自衡過程的建摸： 進水口 閥門 水箱 液位傳感器 水泵 PLC 變頻器 出水口 6 單容水箱液位被控過程中，其流入量 1Q ，改變閥 1 的開度可以改變 1Q 的大小。其流出量為 2Q ，它取決于用戶的需要，改變閥 2 開度可以改變 2Q 。液位 h的變化反映了 1Q 與 2Q 不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程 。 若 1Q 作為被控過程的輸入變量 ， h 為其輸出變量 ,則該被控過程的數(shù)學模型就是 h 與 1Q 之間的數(shù)學表達式， 水箱水位控制模型 如圖 3所示 ，液位控制過程階躍響應如圖 4所示。 圖 3 水箱水位控制模型 (a) (b) 圖 4 液位被控過程及其階躍響應 根據(jù)動態(tài)物料平 衡關系有 dtdhA ?? 21 將公式（ 1）表示成增量式為 dthdA ?????21 1Q1 h 1 2 2Q X t t 0 0 h（ t） （ 1） （ 2） 7 式中： 1Q? 、 2Q? 、 hd? —— 分別表示和某個平衡狀態(tài) 10Q 、 20Q 、 0h? 的偏差； A—— 貯蓄截面積。 在靜態(tài)時， 21 ? ；當 1Q 變化的時候， h 同時也變化，水箱出口處的靜壓也變化， 2Q 也發(fā)生變化。 2Q 與 h成正比，與閥 2阻力 2R 成反比， 22 RdhQ ?? 式中： 2R —— 閥 2的阻力，稱為液阻。 為了求單容過程的數(shù)學模型，需消去中間變量 2Q 。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。 將式（ 2）、式（ 3）拉氏變換后 ,畫出方框圖如圖 5所示。 c s1Q 1 ( s )Y ( s )1R 2Q 2 ( s ) 圖 5 方框圖 單容液位過程的傳遞函數(shù)為 11)( )()( 0 01 210 ????? sT KCsR RsQ sHsW （ 4） 式中： 0T —— 過程的時間常數(shù)， CRT20 ?； 0K —— 過程的放大系數(shù)， 20 RK? ； C—— 過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。 被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義是：引起單位被控量變化時被控過程貯存兩變化的大小。 從上述分析可知，液阻 2R 不但影響過程的時間常數(shù) 0T ，而且還影響過程的 （ 3） 8 放大系數(shù) 0K ，而容量系數(shù) C僅影響過程的時間常數(shù) [9]。 3. 硬件配置 一個系統(tǒng)硬件的選配很重要，本文所設計系統(tǒng)主要包括控制單元、檢測單元和執(zhí)行單元。 控制單元 控制單元是整個系統(tǒng)的心臟。在液位控制系統(tǒng)中一般使用的是智能儀表或可編程控制器。在這個系統(tǒng)應用的是西門子 S7200系列的 PLC， CPU型號為 224，其 結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護 ，且具有以下特點： (1) CUP芯片已升級到 Intel80486，或采用 Pentium處理器，有極快的處理速度掃描速度為 ； (2) 采用模塊化設計，能夠按照積木方式進行系統(tǒng)配置，功能擴展靈活方便； (4) 有較強的網(wǎng)絡功能，可將多個 PLC連接成工業(yè)網(wǎng)絡，構(gòu)成完整的過程控制系統(tǒng)