水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張江亞 王靜 李煥娜

摘要：液位不但是工業(yè)生產(chǎn)過程和日常生活中經(jīng)常遇見的變量，而且可以很方便的觀察，也比較容易測量。水箱液位系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活或在我們研究探討的的過程中都會起到非常重要的作用。本文主要研究了三容水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)和這種控制系統(tǒng)的工作原理以及在我們?nèi)粘Ｉ钪兴鸬降淖饔茫液芎玫年U述和探討了水箱液位控制系統(tǒng)的進(jìn)水閥門和放水閥門的工作的過程，并解析了在實(shí)際生活中三容水箱控制系統(tǒng)的構(gòu)建的方法、調(diào)控的方法以及在出現(xiàn)問題故障時(shí)應(yīng)該怎樣解決的方法。

關(guān)鍵詞：三容水箱系統(tǒng);最小二乘法;仿真

一 水箱控制系統(tǒng)概括

1.1 水箱液位控制系統(tǒng)

在人們的日常生活和某些化工及能源的生產(chǎn)和使用過程中，經(jīng)常會遇到一些流量控制不合理或者液位過高或過低的問題，并且在一些工業(yè)廢水需要處理的途中也會對蓄水池中的液位進(jìn)行合理并有效的設(shè)置，除此之外關(guān)于蓄液容器的生產(chǎn)的過程也是比較常見的，設(shè)計(jì)合理的控制器自動(dòng)調(diào)整容器的出入液流量，這樣就能很容易讓容器內(nèi)的液位達(dá)到比較正常的水平。更重要的是在進(jìn)出液體比較大的狀態(tài)下，為了能更好的控制水箱里液面的高低，就會在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)過程中經(jīng)常選用多個(gè)連接著的儲水器具。

1.2過程控制的發(fā)展概況

19世紀(jì)50年代出現(xiàn)了儀表式與局部自動(dòng)化的新型生產(chǎn)模式，過程控制也得到了很大的提升，一些比較大的企業(yè)和稍落后的小型企業(yè)也應(yīng)用到了這種模式。19世紀(jì)60年代，工業(yè)生產(chǎn)的模式運(yùn)用了綜合自動(dòng)化的模式，當(dāng)然過程的控制也發(fā)展到了更好的層次。19世紀(jì)70年代和現(xiàn)代我們實(shí)現(xiàn)了全盤自動(dòng)化的生產(chǎn)模式，過程控制也發(fā)展到了的比之前更新的層次。這次運(yùn)用的理論也比先前的更加先進(jìn)，用到了過程控制的領(lǐng)域的理論和現(xiàn)代先進(jìn)的控制理論，比如系統(tǒng)自動(dòng)辨別與生產(chǎn)狀態(tài)的估算，能夠優(yōu)先濾波并且能夠提前預(yù)報(bào)，對狀態(tài)空間能進(jìn)行精確的分析。

二 三容水箱控制系統(tǒng)

2.1三容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

三容水箱液位控制系統(tǒng)主要的構(gòu)成組件有可以感應(yīng)液位高低的檢測器件、有各種元件組成的水箱的主體、在水槽中放置的潛水泵和有ISA總線插槽的智能計(jì)算機(jī)以及運(yùn)用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)的采集卡技術(shù)，三容水箱的主體構(gòu)件有連接著水槽的閥門，有可以放水的閥門，有可以回水的水槽，還有可以調(diào)整水流量大小的的步進(jìn)電機(jī)的水槽門以及可以進(jìn)水的圓柱型的玻璃容器等其他組件。

2.2一階對象的結(jié)構(gòu)

在關(guān)閉出水閥門CV1時(shí)候，上面的進(jìn)水閥門1會給下面的TI容器灌水，在進(jìn)水閥門打開的時(shí)候下面的LV1閥門會打開進(jìn)行排水，用中間的T1水箱的液位為這次的系統(tǒng)輸出，上面的進(jìn)水閥門1流出的水流量為被控制量，這樣就實(shí)現(xiàn)了本次研究的一階對象，即單入單出（SISO）。通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制來改變進(jìn)水閥門1的水流量大小和通過手動(dòng)調(diào)整LV1的放水閥門，這樣就可實(shí)現(xiàn)一階對象的目的。

2.3二階對象的結(jié)構(gòu)

通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制來改變進(jìn)水閥門1的水流量大小和通過手動(dòng)調(diào)整LV1的放水閥門，通過進(jìn)水管的長短與觀察在水面漂浮的傳感器的變化，就可以實(shí)現(xiàn)在二階系統(tǒng)中不管w怎么變，其相位總是滯后一個(gè)固定的角度的環(huán)節(jié)。當(dāng)打開連接著T1容器和T2容器的進(jìn)水閥門CV1及連接著T2容器和T3容器的進(jìn)水閥門CV2，并且打開在T3下的放水閥門 LV3，再關(guān)掉T1容器下的放水閥門LV 1和T2容器下的LV2，以最上面的進(jìn)水閥門1的水流量Q1為控制輸入量，以T3水箱里水面的高低當(dāng)作液位系統(tǒng)的輸出，就可以實(shí)現(xiàn)單輸入單輸出的三階對象。

2.4雙入雙出對象的結(jié)構(gòu)

在做以雙入雙出對象的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要以右面的進(jìn)水閥門2和左面進(jìn)水閥門1的進(jìn)水大小為控制輸入，然后再打開連接T1容器的閥門CV1及連接T3容器的CV2，并且先關(guān)掉放水水閥門LV3和右邊的放水閥門LV1，再關(guān)閉中間的放水閥門LV2，系統(tǒng)的輸出是以右面的T3水箱和左面的T1水箱里的水面位高度。通過控制上面的進(jìn)水閥門1和進(jìn)水閥門2，來控制流入水的量Q1和Q2，從而讓右面的T3水箱和左面的T1水箱的水面高度L3和L1保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的確定的值上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙入雙出非線性對象的實(shí)驗(yàn)。這次的實(shí)驗(yàn)裝置中一個(gè)重要的工作狀態(tài)就是雙入雙出的這種狀態(tài)。

三 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1中斷控制程序的設(shè)置

8259A芯片是一個(gè)中斷控制芯片，該芯片可以級連到9個(gè)，這樣就可以控制比較多的的設(shè)備中斷。在PC類型的智能計(jì)算機(jī)中就等于有兩片8259A芯片級聯(lián)，就可以控制著15個(gè)硬件中斷源。利用8253的通道0（即計(jì)數(shù)器0中斷頻率為每秒18.2次，計(jì)滿1h需要中斷65520次（18.2*60*60=65520）當(dāng)?shù)臀蛔钟?jì)滿為0時(shí)高位字加1，每次中斷總是對低位字加1。）作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)，每55ms中斷一次。編寫第8類中斷的中斷服務(wù)程序每中斷一次運(yùn)行一次采樣程序。

3.2水位高度標(biāo)定

通過曲線上的觀測結(jié)果的數(shù)字統(tǒng)計(jì)與相應(yīng)的數(shù)值吻合，就會在一個(gè)平面的直角的坐標(biāo)系中，就會讓確定的幾個(gè)點(diǎn)xi或yi（i=1，2... n），求一條最接近這一組數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線，用來表示這些點(diǎn)的總趨向，在現(xiàn)代的科學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究中，經(jīng)常會通過從一些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，例如通過對xi，yi的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)值算出變量x和Y之間最精確的的函數(shù)關(guān)系式Y(jié)=f（x）。像上面的這些計(jì)算過程就叫做曲線的擬合，這種曲線的方程叫做擬合方程。要實(shí)現(xiàn)最合適的擬合方程就會用到上面所說的最小二乘法原理與方法。

水位高h(yuǎn)=5cm為初始調(diào)整點(diǎn)，穩(wěn)定水位，進(jìn)行初始對準(zhǔn);調(diào)整AD/DA數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的刻度為data=1867;分別得到兩組數(shù)據(jù)h和data且一一對利用Matlab軟件對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)對各水箱水位的高度標(biāo)所得到的擬和曲線。得到數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)和液位高度的對應(yīng)關(guān)系：h=-0.0557*data+109.6217。

3.3步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)

這次的實(shí)驗(yàn)的接線方法是通過共陰極的方法來接的，有效的正脈沖。我們要操縱步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是通過們平時(shí)使用的打印機(jī)來操縱。D0控制方向，接DIR+端;D1控制步進(jìn)，接CP+端;DIR-和CP-接1地;細(xì)分開關(guān)置成2細(xì)分狀態(tài)，步距角0.90。

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（作者單位：河北科技學(xué)院）