水箱液位控制系统设计

张江亚 王静 李焕娜

摘要：液位不但是工业生产过程和日常生活中经常遇见的变量，而且可以很方便的观察，也比较容易测量。水箱液位系统在现实生活或在我们研究探讨的的过程中都会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统的构成结构和这种控制系统的工作原理以及在我们日常生活中所起到的作用，而且很好的阐述和探讨了水箱液位控制系统的进水阀门和放水阀门的工作的过程，并解析了在实际生活中三容水箱控制系统的构建的方法、调控的方法以及在出现问题故障时应该怎样解决的方法。

关键词：三容水箱系统;最小二乘法;仿真

一 水箱控制系统概括

1.1 水箱液位控制系统

在人们的日常生活和某些化工及能源的生产和使用过程中，经常会遇到一些流量控制不合理或者液位过高或过低的问题，并且在一些工业废水需要处理的途中也会对蓄水池中的液位进行合理并有效的设置，除此之外关于蓄液容器的生产的过程也是比较常见的，设计合理的控制器自动调整容器的出入液流量，这样就能很容易让容器内的液位达到比较正常的水平。更重要的是在进出液体比较大的状态下，为了能更好的控制水箱里液面的高低，就会在现实的生产过程中经常选用多个连接着的储水器具。

1.2过程控制的发展概况

19世纪50年代出现了仪表式与局部自动化的新型生产模式，过程控制也得到了很大的提升，一些比较大的企业和稍落后的小型企业也应用到了这种模式。19世纪60年代，工业生产的模式运用了综合自动化的模式，当然过程的控制也发展到了更好的层次。19世纪70年代和现代我们实现了全盘自动化的生产模式，过程控制也发展到了的比之前更新的层次。这次运用的理论也比先前的更加先进，用到了过程控制的领域的理论和现代先进的控制理论，比如系统自动辨别与生产状态的估算，能够优先滤波并且能够提前预报，对状态空间能进行精确的分析。

二 三容水箱控制系统

2.1三容水箱系统的结构

三容水箱液位控制系统主要的构成组件有可以感应液位高低的检测器件、有各种元件组成的水箱的主体、在水槽中放置的潜水泵和有ISA总线插槽的智能计算机以及运用了先进的数据的采集卡技术，三容水箱的主体构件有连接着水槽的阀门，有可以放水的阀门，有可以回水的水槽，还有可以调整水流量大小的的步进电机的水槽门以及可以进水的圆柱型的玻璃容器等其他组件。

2.2一阶对象的结构

在关闭出水阀门CV1时候，上面的进水阀门1会给下面的TI容器灌水，在进水阀门打开的时候下面的LV1阀门会打开进行排水，用中间的T1水箱的液位为这次的系统输出，上面的进水阀门1流出的水流量为被控制量，这样就实现了本次研究的一阶对象，即单入单出（SISO）。通过步进电动机的自动控制来改变进水阀门1的水流量大小和通过手动调整LV1的放水阀门，这样就可实现一阶对象的目的。

2.3二阶对象的结构

通过步进电动机的自动控制来改变进水阀门1的水流量大小和通过手动调整LV1的放水阀门，通过进水管的长短与观察在水面漂浮的传感器的变化，就可以实现在二阶系统中不管w怎么变，其相位总是滞后一个固定的角度的环节。当打开连接着T1容器和T2容器的进水阀门CV1及连接着T2容器和T3容器的进水阀门CV2，并且打开在T3下的放水阀门 LV3，再关掉T1容器下的放水阀门LV 1和T2容器下的LV2，以最上面的进水阀门1的水流量Q1为控制输入量，以T3水箱里水面的高低当作液位系统的输出，就可以实现单输入单输出的三阶对象。

2.4双入双出对象的结构

在做以双入双出对象的结构实验时，要以右面的进水阀门2和左面进水阀门1的进水大小为控制输入，然后再打开连接T1容器的阀门CV1及连接T3容器的CV2，并且先关掉放水水阀门LV3和右边的放水阀门LV1，再关闭中间的放水阀门LV2，系统的输出是以右面的T3水箱和左面的T1水箱里的水面位高度。通过控制上面的进水阀门1和进水阀门2，来控制流入水的量Q1和Q2，从而让右面的T3水箱和左面的T1水箱的水面高度L3和L1保持在一个相对稳定的确定的值上，这样就可以实现双入双出非线性对象的实验。这次的实验装置中一个重要的工作状态就是双入双出的这种状态。

三 实验装置的实现

3.1中断控制程序的设置

8259A芯片是一个中断控制芯片，该芯片可以级连到9个，这样就可以控制比较多的的设备中断。在PC类型的智能计算机中就等于有两片8259A芯片级联，就可以控制着15个硬件中断源。利用8253的通道0（即计数器0中断频率为每秒18.2次，计满1h需要中断65520次（18.2*60*60=65520）当低位字计满为0时高位字加1，每次中断总是对低位字加1。）作为实时时钟定时，每55ms中断一次。编写第8类中断的中断服务程序每中断一次运行一次采样程序。

3.2水位高度标定

通过曲线上的观测结果的数字统计与相应的数值吻合，就会在一个平面的直角的坐标系中，就会让确定的几个点xi或yi（i=1，2... n），求一条最接近这一组数据点的曲线，用来表示这些点的总趨向，在现代的科学设计和实验研究中，经常会通过从一些实验的数据，例如通过对xi，yi的实验测试数值算出变量x和Y之间最精确的的函数关系式Y=f（x）。像上面的这些计算过程就叫做曲线的拟合，这种曲线的方程叫做拟合方程。要实现最合适的拟合方程就会用到上面所说的最小二乘法原理与方法。

水位高h=5cm为初始调整点，稳定水位，进行初始对准;调整AD/DA数据采集卡对应的刻度为data=1867;分别得到两组数据h和data且一一对利用Matlab软件对所得的数据进行拟合，实现对各水箱水位的高度标所得到的拟和曲线。得到数据采集卡的数据和液位高度的对应关系：h=-0.0557*data+109.6217。

3.3步进电机的正反转实现

这次的实验的接线方法是通过共阴极的方法来接的，有效的正脉冲。我们要操纵步进电动驱动器是通过们平时使用的打印机来操纵。D0控制方向，接DIR+端;D1控制步进，接CP+端;DIR-和CP-接1地;细分开关置成2细分状态，步距角0.90。

参考文献：

[1] 赵科.三容水箱的建模及基于T_S模型的模糊PID控制.内蒙古工业大学硕士学位论文.2005：5～16

[2] 金以慧，王诗穿，王桂增.过程控制的发展与展望.控制理论与应用.第14卷第2期.1997.4：145150

[3] 何离庆，张寿明，朱文嘉.过程控制系统与装置.重庆大学出版社，2003.7：101～115

[4] 王毅.过程装备控制技术及应用.化学工业出版社，2001.7：2342

（作者单位：河北科技学院）