【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱為蓄水容器，可以完成單容水箱、雙容水箱及三容水箱液位控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。LTLT2及LT3為壓力傳感器，通過相關(guān)計(jì)算，可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為液位信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)；FT1為流量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的輸入流量或干擾輸入流量；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為控制機(jī)構(gòu)，對(duì)輸入流量進(jìn)行控制動(dòng)作。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置即電機(jī)，該電機(jī)為380V交流電機(jī)，用于將儲(chǔ)水箱里的水經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入上水箱，作為輸入控制量。整個(gè)系統(tǒng)通過不銹鋼的管道連接起來，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，手動(dòng)閥門F16開啟時(shí)，水可進(jìn)入上水箱。上、中、下三個(gè)水箱底部各有一個(gè)手動(dòng)閥門F1F1F111，通過調(diào)節(jié)三個(gè)閥門的開度，可以控制三個(gè)水箱的漏水程度，改變雙容、三容水箱的慣性及時(shí)延大小。手動(dòng)閥門F11和F12可以控制供水量的大小，一般試驗(yàn)中，這兩個(gè)水閥全開。手動(dòng)閥F14在多容水箱液位實(shí)驗(yàn)中沒有實(shí)際用處，所以在實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉。另外，在儲(chǔ)水箱的底部還有一個(gè)閥門，在水箱系統(tǒng)需要換水時(shí)打開，儲(chǔ)水箱中的水可以直接流出，試驗(yàn)中需要關(guān)閉。 THJFCS1液位控制模塊 除上圖中所示的控制模塊之外，還需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)、PLC及現(xiàn)場(chǎng)總線共同構(gòu)成多容水箱液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電氣功能由PLC完成，各個(gè)傳感器將信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)總線輸入PLC的輸入輸出模塊，再通過PLC與計(jì)算機(jī)的通信線傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)用于采集PLC傳輸?shù)碾娏?、電壓信?hào)，使用組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并且與系統(tǒng)控制對(duì)象中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場(chǎng)層控制信號(hào)輸出控制層上位機(jī)PCCPU3152DPSM331模擬量輸入SM331模擬量輸入SM332模擬量輸出LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2LT1LT2FT1FT2LT1FT3TT1TT2調(diào)節(jié)閥COUPLER壓力變送器現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入 系統(tǒng)的各個(gè)元件的相關(guān)信息如下：(1) 蓄水容器及管道水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀能察到液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱尺寸為：長寬高=68cm52cm43cm。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性，有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。(2) 檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器：采用帶PROFIBUSPA通訊協(xié)議的SIEMENS壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY10，流量范圍：0～，精度：%。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。(3) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1 調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSTP16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。3 控制器：控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型號(hào)為3152DP，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUSDP通訊功能的DP通訊接口。 液位控制系統(tǒng)的控制對(duì)象 利用THJFCS1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置中各個(gè)組件的不同組合情況，可以構(gòu)成針對(duì)不同對(duì)象的多種不同功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。例如： (1)開啟與上水箱連接的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及其底部管道的手動(dòng)閥F1F12，開啟上水箱的注水閥F16及出水閥F19，關(guān)閉與中水箱、下水箱連接的所有閥門，這時(shí)就可以做單容水箱特性的實(shí)驗(yàn)。 (2)在單容水箱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)上水箱與中水箱之間的連接閥門F19及中水箱的出水閥F110的開度，關(guān)閉與下水箱向連接的所有閥門，這樣就構(gòu)成了雙容水箱特性實(shí)驗(yàn)。 (3)若需要做三容水箱的特性實(shí)驗(yàn)，則再打開閥門F111即可。 在本文討論的多容水箱液位控制系統(tǒng)中，皆以最下方的水箱的液位為控制對(duì)象（如，雙容水箱液位控制系統(tǒng)中控制對(duì)象為中水箱的液位，三容水箱液位控制系統(tǒng)中的控制對(duì)象即為下水箱的液位）。在整個(gè)系統(tǒng)中，希望除所控制的水箱之外的其他各個(gè)水箱能達(dá)到自衡，避免出現(xiàn)零液位或液位溢出等情況發(fā)生。因?yàn)槿舫霈F(xiàn)零液位或液位溢出等情況，那么系統(tǒng)中就要加入類似繼電特性的非線性環(huán)節(jié)，給控制設(shè)計(jì)帶來麻煩，并且這種情況在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中也是不允許的。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)要調(diào)節(jié)手動(dòng)閥F1F110及F111，使得其開度滿足F19F110F111。這樣，可以使得控制結(jié)果滿足下水箱液位達(dá)到設(shè)定值，而其他水箱中有水而不溢出，進(jìn)而最終自衡。 單容水箱液位控制系統(tǒng)是多容水箱系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的極限情況。研究單容水箱模型是研究多容水箱模型的基礎(chǔ)。 在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由傳遞函數(shù)表征，而在現(xiàn)代控制理論中，數(shù)學(xué)模型由狀態(tài)方程描述。但無論哪一種方法建立的數(shù)學(xué)模型，最終都可以以不同的形式相互轉(zhuǎn)換。傳遞函數(shù)方法相比較于狀態(tài)方程方法更容易建立，而且其中的各個(gè)常量也有更直觀的物理意義，所以，本文將傳遞函數(shù)方法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作為首選。 首先，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 ，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)，水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥2開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。閥2閥1Q2hh0Q1 在該控制過程中，液位高度h為被控量，液體體積流量Q1為被控過程的輸入量。Q1的大小可以通過閥門1的開度來改變。體積流量Q2為流出量，其大小可根據(jù)用戶需要通過閥門2的開度來調(diào)節(jié)。為確定該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，在輸入端給定一個(gè)常值，求解Q1與h之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，即在單位時(shí)間內(nèi)容器的液體流入量與單位時(shí)間內(nèi)容器的液體流出量之差，應(yīng)等于容器中液體貯存量的變化率，即Q1Q2=Adhdt ()表示成增量形式則為ΔQ1ΔQ2=AdΔhdt ()式中ΔQΔQΔh——分別為偏離某平衡狀態(tài)ΔQΔQΔh0的增量； A——水箱的截面積。 靜態(tài)時(shí)應(yīng)有Q1=Q2， dhdt=0，Q1發(fā)生變化，液位h隨之變化，使水箱的出口處靜壓力發(fā)生變化，Q2也要發(fā)生變化。假定Q2與h近似成線性正比關(guān)系，與閥門2處的液阻R2成反比關(guān)系，則有ΔQ2=ΔhR2 ()將式（）代入（）整理得R2AdΔhdt+Δh=R2 ΔQ1 () 式（）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。對(duì)式（）進(jìn)行拉氏變換，則有R2AsH(s)+H(s)=R2 Q1(s) ()寫成傳遞函數(shù)形式Gs=H(s)Q1(s) =R2R2As+1 () 為了更一般起見，并且為了下面求解參數(shù)更有針對(duì)性，將式（）改寫成為Gs=H(s)Q1(s) =R2R2Cs+1 =KTs+1 ()式中，T為過程的時(shí)間常數(shù)，T=R2C；K為過程的放大系數(shù)，K=R2；C為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處C=A。 以上討論的系統(tǒng)是無時(shí)延的系統(tǒng)以及其微分方程和傳遞函數(shù)。但在過程控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)碰到過程的時(shí)延問題，如在該系統(tǒng)中若傳送管道過長，則會(huì)有明顯的時(shí)延。，以體積流量Q0為過程的輸入量，那么當(dāng)閥門1的開度發(fā)生變化后，Q0需要流經(jīng)一定長度的管道后才能注入水箱，進(jìn)而使得液位發(fā)生變化。也就是說，Q0需經(jīng)一段延時(shí)才對(duì)被控量產(chǎn)生激勵(lì)作用。假設(shè)Q0流經(jīng)長度為l的管道所需時(shí)間為τ0，不難得出具有純時(shí)延的微分方程和傳遞函數(shù)分別為T0dΔhdt+Δh=K0 Q0 (tτ0) ()Gs=H(s)Q0(s) =K0T0s+1 eτ0s ()式中T0為過程時(shí)間常數(shù)，T0=R2C；K0為過程放大系數(shù)，K0=R2；τ0為過程的純時(shí)延。baτ0tOQ1tOhtOQ0tOh 單容水箱階躍響應(yīng) 。其中圖a為無時(shí)延過程，圖b為有時(shí)延過程。a、b圖相比，階躍響應(yīng)曲線形狀相同，只是圖b的曲線之后了τ0一段時(shí)間。 前面所述對(duì)于比較簡(jiǎn)單的被控過程和被控對(duì)象的機(jī)理分析，以及通過物料平衡等關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)推理的方法建立數(shù)學(xué)模型，其參數(shù)的確定需要有足夠的驗(yàn)前知識(shí)和對(duì)過程內(nèi)的機(jī)理變化有足夠的了解[12]。最重要的是，要準(zhǔn)確確定其參數(shù)還要對(duì)一些物理量進(jìn)行精確的測(cè)量，如閥門開度，液阻等。在實(shí)際操作過程中，這些量并不能準(zhǔn)確、方便的得到。在機(jī)理建模的理論基礎(chǔ)上，要通過實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的方法，輔助測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，從而得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。本文對(duì)各個(gè)試驗(yàn)參數(shù)的確定正是采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法。 實(shí)驗(yàn)辨識(shí)的方法最常用的有三種，即響應(yīng)曲線法、相關(guān)統(tǒng)計(jì)法和最小二乘法。本文選用較直觀的方法，即響應(yīng)曲線法。響應(yīng)曲線法是通過測(cè)取過程的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)曲線辨識(shí)模型的方法[7]，本文采用階躍響應(yīng)法進(jìn)行測(cè)取。 階躍響應(yīng)法是通過操作對(duì)象的調(diào)節(jié)閥，使過程的控制輸入產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，得到被測(cè)量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，在根據(jù)此曲線求取輸入輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 為得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)試結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意： (1)實(shí)驗(yàn)過程中，閥1開度應(yīng)為較大；且閥2開度必須適當(dāng)，盡量使液位穩(wěn)定于水箱高度的30%～60%處。 (2)階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止對(duì)象特性的不真實(shí)性。一般階躍信號(hào)取正常輸入信號(hào)的5%～15%。 (3)在輸入階躍信號(hào)前，過程必須處于平衡狀態(tài)。 (4)完成一次實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)使被控過程恢復(fù)原來工作狀況并穩(wěn)定一段時(shí)間后再做下一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試[7]。 在實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)機(jī)理模型的結(jié)構(gòu)Gs=K0T0s+1 。K0T0s+1 eτ0s ()來確定具體參數(shù)。 。 ，t=0時(shí)的曲線斜率最大，之后逐漸減小，逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值y(∞)，則改過程為無時(shí)延一階環(huán)節(jié)。對(duì)式（）所示的一階無延時(shí)環(huán)節(jié)，需要確定的參數(shù)只有K0和T0。 設(shè)階躍輸入變化量為h0，則一階無時(shí)延的階躍響應(yīng)為tOh0h(t)BT0AtOy(t)y(∞) 一階無時(shí)延響應(yīng) yt=K0h0(1et/T0 ) ()式中，K0為放大系數(shù)，T0為時(shí)間常數(shù)。 先由階躍曲線（）得到y(tǒng)∞，再在階躍響應(yīng)曲線的起點(diǎn)t=0處作切線，該切線與y∞的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間（，即OB段）即為T0。 由于有yt| t→∞=y∞=K0h0 ()故得到K0=y∞h0 () 另外dhdtt=0=K0h0T0 () 以此斜率作切線，切線方程為K0h0T0 t，當(dāng)t=T0時(shí)，又有K0h0T0 tt=0=K0h0=y∞ () T0也可以根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)直接計(jì)算求得。根據(jù)式（）和式（）可以得到y(tǒng)t=y∞1etT0 令t分別為t=T0/T0、2T0，則yT02=39%?y∞、yT0=63%?y∞、y2T0=%?y∞。在圖上尋找39%?y∞、63%?y∞%?y∞所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tt2和t3，通過tt2和t3計(jì)算出T0。若分別求取的T0有差異，采用平均值即可。 。 如果過程的階躍相應(yīng)在t=0時(shí)斜率幾乎為零，之后斜率逐漸增大，到達(dá)某點(diǎn)（拐點(diǎn)）后斜率又逐漸減小，曲線呈S形。則此過程即為一階時(shí)延環(huán)節(jié)。DT0τCBAtOy(∞)y(t) 一階時(shí)延環(huán)節(jié)階躍相應(yīng)曲線 帶時(shí)延的一階環(huán)節(jié)需要確定三個(gè)參數(shù)K0、T0和時(shí)延時(shí)間τ。K0的確定方法與無時(shí)延系統(tǒng)相同，即按照式（）求解。，在階躍響應(yīng)曲線斜率最大處（即拐點(diǎn)D）作一條切線，該切線與時(shí)間軸交于