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单容水箱液位控制系统 摘要：通过对单容水箱液位控制系统特性的测试掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 研究实际的单水箱实验系统的模糊推理建模问题, 首先依据不同的实际背景, 利用单容水箱模拟实际生产系统中的蓄液容器设计了几种典型实验, 然后利用模糊推理建模方法, 对于单水箱液位控制实验系统的被控对象建立了数学模型, 最后通过仿真实验得到新模型的数据曲线, 验证了模糊推理建模方法在实际系统中的可行性。关键字：单容水箱，液位控制，数字模型 1. 系统介绍1.1 系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1、被控对象被控对象由不锈钢储水箱、圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管路组成。水箱：包括上水箱和储水箱。 上水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上水箱尺寸为：d=25cm,h=20 cm；水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。3、执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/。4、控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5、空气压缩机电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。6、电源控制台 电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。1.2 系统特点 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。1.3 系统软件 系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC。1.4 装置的安全保护体系1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。总电源设有通电指示灯和三相指示表。2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电的输出（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实验安全。3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC WINCC。1.5 组态软件WINCC介绍WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。2 单容水箱特性测试通过对单容水箱液位控制系统特性的测试掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。2.1 工作原理图 图1 单容水箱特性测试结构图 图2 单容水箱的单调上升指数曲线 当由实验求得图2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图3 单容水箱的阶跃响应曲线 2.3 控制系统流程图 图4 实验控制系统流程图上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。2.4 实验内容与步骤 本实验选择上水箱作为被测对象（也可选择中水箱或下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。1、 接通控制柜和控制台的相关电源，并启动磁力驱动泵，接通空压机电源。2、 打开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC” ，再选择弹出菜单中的“WINCC CONTROL CENTER 5.0”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序。3、鼠标左键点击实验项目“一阶单容水箱对象特性测试实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的监控界面。2.5 实验曲线所得的结果表1 参数值测量值放大系数K周期T时间常数液位h正阶跃输入355.52.4128负阶跃输入305.42.2125.4平均值32.55.452.3126.73.参考文献1 金以慧,万崇智.过程控制.北京:清华大学出版社 19932 俞金寿.过程控制系统和应用.北京:机械工业出版社 19963 高金源，夏洁.计算机控制系统.北京：清华大学出版社 20074 张海潮, 吴云洁. 基于单容水箱控制的一种新的控制方法J. 控制与决策, 2002, 17(2): 130 132.5 王志新, 谷云东, 李洪兴. 单水箱液位控制系统的模糊推理建模机仿真J. 模糊系统与数学, 2007, 21(2): 141 147.6 王伟, 李晓理. 多模型自适应控制M. 北京: 科学出版社, 2001.7 陈薇, 吴刚. 非线性双容水箱建模与预测控制J. 系统仿真学报,2006, 18(8): 2078 2085.Single tank water level control Abstract:The design uses a single tank water level control system.Process control system by the process of detection, transmission and control instruments, the implementation of devices composed of various types of instrument detection, transmission and control of process variables and actuator role in the production process. The cascade control system is the two regulators in series work, the output of aregulator for a given value of the system as another regulator. This system to improve the dynamic characteristics of the process, improve the quality of the sy