茂育公司制造生產(chǎn)的MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)原理

   
三容水箱控制系統(tǒng)是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它是集自動化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)自動化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處后，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識、單回路控制、串級控制、前饋一反饋控制、比值控制、解耦控制等多種控制形式。
    三容水箱是較為典型的非線性、時(shí)延對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成三容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時(shí)，三容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，三容水箱的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。同時(shí)，它具有較強(qiáng)的綜合性，涉及控制原理、智能控制、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。通過水箱液位的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，用戶除可以掌握控制理論、計(jì)算機(jī)、儀器儀表知識和現(xiàn)代控制技術(shù)之外，還可以熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)和動態(tài)工作特性。 一、MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置概述
    MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是由三只互相聯(lián)通的水箱組成，這是一臺具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的非線性耦合被控物理模型。它的出現(xiàn)為大專院校，科研院所從事自動控制理論和過程控制研究的教師和科研人員提供了一個(gè)具體的復(fù)雜的被控對象。三個(gè)水箱的液位之間存在一定的非線性耦合關(guān)系。在這個(gè)系統(tǒng)中，既可以進(jìn)行單個(gè)水箱的液位單回路控制，也可以對相鄰兩個(gè)水箱的液位進(jìn)行解耦控制，更可以對三個(gè)水箱的液位進(jìn)行多變量的控制。另外，可以通過閥門的切換將三容水箱控制系統(tǒng)簡化雙容液位控制系統(tǒng)。
    MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是模擬現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中對液位進(jìn)行測量、控制，觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的教學(xué)產(chǎn)品。它具有過程控制動態(tài)過程的一般特點(diǎn)（大慣量、大延時(shí)、非線性），是控制理論與控制工程、過程控制理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺。通過水箱液位的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，用戶除了掌握過程控制理論、計(jì)算機(jī)、儀器儀表知識和現(xiàn)代控制技術(shù)之外，還可以熟悉生產(chǎn)過程的工藝流程，從控制的角度理解它的靜態(tài)和動態(tài)的工作特性。（注：控制系統(tǒng)由用戶自行配套或選購本公司生產(chǎn)的“三容水箱綜合控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺”，常規(guī)配置采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為控制系統(tǒng)。）
二、三容水箱液位控制系統(tǒng)簡介
1、三容水箱原理框圖
    三容水箱液位控制系統(tǒng)組成如圖1所示，它包含電控箱、水箱本體及由AD／DA數(shù)據(jù)采集卡和普通Pc機(jī)組成的控制實(shí)驗(yàn)平臺三大部分。其原理框圖如圖1所示。 2、水箱本體組成：
主要由以下幾個(gè)部分組成：
1、水箱底座；
2、磁力驅(qū)動泵；
3、比例電磁閥；
4、液位傳感器；
5、三個(gè)圓柱型水箱。
電控箱內(nèi)安裝有如下主要部件：
1、電磁閥控制器；
2、I/O接口板；
3、開關(guān)電源；
4、開關(guān)、指示燈等電氣元件。
3、控制平臺組成：
主要由以下部分組成：
1、與IBM PC／AT機(jī)兼容的Pc機(jī)，帶PCI插槽；
2、PCI2006數(shù)據(jù)采集卡及其驅(qū)動程序；
3、控制軟件
三、MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中PID控制原理
    PID 控制是最早發(fā)展起來的、應(yīng)用領(lǐng)域至今仍然很廣泛的控制策略之一, 有統(tǒng)計(jì)顯示, 到目前為止大多數(shù)(有資料表明90 %以上[1])工業(yè)控制回路仍然采用了各種形式的PID 控制算法。PID 控制是一種基于數(shù)學(xué)模型的方法, 尤其適用于建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng), 比例(P)、積分(I)、微分(D)三者作用配合得當(dāng), 可使動態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確[2] ,同時(shí)PID 控制算法簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好、可靠性高。
    自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，而且還可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在機(jī)電，冶金，機(jī)械，化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。將偏差的比例（P），積分（I），和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱作PID控制器。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。
    PID控制器是一種線性控制器，他根據(jù)給定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差。 簡單說來，PID控制器個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用如下：
1、比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。
2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T1，T1越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。
3、微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。
    從時(shí)間的角度講，比例作用是針對系統(tǒng)當(dāng)前偏差進(jìn)行控制，積分作用則針對系統(tǒng)偏差的歷史，而微分作用則反映了系統(tǒng)偏差的變化趨勢，這三者的組合是“過去、現(xiàn)在、未來”的完美結(jié)合。
四、中三容水箱的數(shù)學(xué)建模：
1、設(shè)計(jì)要求：
    現(xiàn)要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)控制下水箱內(nèi)液位高度保持與設(shè)定值一致，對上水箱和中水箱中的液位高度無特殊要求，即上中兩個(gè)水箱控制下水箱。
    三容水箱是液位控制系統(tǒng)中的被控對象，若流入量和流出量相同，水箱的液位不變，平衡后當(dāng)流入側(cè)閥門開大時(shí)，流入量大于流出量導(dǎo)致液位上升。同時(shí)由于出水壓力的增大使流出量逐漸增大，其趨勢是重新建立起流入量與流出量之間的平衡關(guān)系，即液位上升到一定高度使流出量增大到與流入量相等而重新建立起平衡關(guān)系，液位最后穩(wěn)定在某一高度上；反之，液位會下降，并最終穩(wěn)定在另一高度上。由于水箱的流入量可以調(diào)節(jié)，流出量隨液位高度的變化而變化，所以只需建立流入量與液位高度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系就可以建立該水箱對象的數(shù)學(xué)模型。
2、三容水箱的一般數(shù)學(xué)模型：
    三容水箱液位對象的模型如圖3所示，根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過程流出的物料等于被控過程內(nèi)物料存儲量的變化率[3-4]。被控參數(shù)h3 的動態(tài)方程可由下面幾個(gè)關(guān)系式導(dǎo)出： 由此可以推導(dǎo)出三容水箱的控制方框圖，如圖4所示： 以上就是三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立。
五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（常規(guī)配置）
1、水箱液位傳感器的特性及其標(biāo)定
2、單容水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn)
3、雙容水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn)
4、三容水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn)
5、單容水箱液位的定值控制實(shí)驗(yàn)
6、雙容水箱液位的定值控制實(shí)驗(yàn)
7、三容水箱液位的定值控制實(shí)驗(yàn)
8、二容水箱液位的計(jì)算機(jī)耦合控制實(shí)驗(yàn)
9、單容水箱液位的計(jì)算機(jī)模糊控制實(shí)驗(yàn)
10、單神經(jīng)元控制實(shí)驗(yàn)
11、單容水箱液位的計(jì)算機(jī)預(yù)測控制實(shí)驗(yàn)
12、壓力的單閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)
13、流量的單閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)
14、水箱液位與流量的串級控制實(shí)驗(yàn)
15、流量的單/雙閉環(huán)比值控制實(shí)驗(yàn)
16、液位的變比值控制實(shí)驗(yàn)
六、注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)完畢時(shí)，關(guān)閉電源，打開所有的放水閥、排氣閥，水排凈后再將所有閥門關(guān)閉，并切斷電源即水源。