双容水箱液位控制系统的开发与研究

常瑞丽，韩军

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010;2.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

双容水箱液位控制系统的开发与研究

常瑞丽1，韩军2

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010;2.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

基于MCGS组态软件构建了双容水箱液位控制系统，以双容水箱液位为控制对象建立数学模型，进行实验研究;同时，设计了单容水箱液位PID调节器，并在阶跃信号作用下进行了P、PI和PID实验，对构建多参数过程控制系统具有重要的实际意义和参考价值。

液位控制;双容水箱;过程控制

在工业生产过程自动化中，为了了解容器中原料、半成品或成品的数量，调节输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节物料搭配合理，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。设计一个良好的液位控制系统，保证产品的质量和数量，在工业生产中具有重要的实际意义。为此，作者设计了一套双容水箱液位控制系统。

1 系统总体结构

(1)硬件系统

文中设计的双容水箱液位控制系统总体结构如图1所示，由模入模出接口卡、涡轮流量传感器、比例阀、水泵、水箱、液位传感器和智能仪表等组成，各部件介绍如下。

PCI-8333多功能模入模出接口卡。PCI-8333模入模出接口卡具有12位A/D、D/A转换功能，同时备有16路数字量输入输出接口、3个16位计数/定时器以及1 MHz基准时钟。A/D转换可由程序触发、定时器触发和外同步触发等方式启动。上、下水箱液位和流量的检测输出信号分别通过信号分路板输入A/D模块中 IN0、IN1和IN2输入通道，输出通道IO0控制比例阀，IO1控制水泵。

涡轮流量传感器。涡轮流量传感器是一种速度式流量计。选用LWGY-10型高精度涡轮流量传感器，具有精度高、动态性能好、可测量脉冲流、耐高压、压力损失小、使用温度范围宽、测量范围大等优点。

比例阀。比例阀将控制模块送来的标准电信号转化为相应的阀门开度，用于配合控制和调节流量，是系统重要部件。文中选用德国进口比例阀，具有性能稳定、精度高、寿命长等优点。比例调节阀将接收的外部标准信号 (4～20 mA)转换为脉宽调制(PWM)信号，使阀门开度产生连续变化，从而调节介质流量的大小，实现生产过程中流量的控制。

水泵。水泵采用管道式结构安装，用于整个系统的供水。选用丹麦格兰富UPA-90 AUTO型单级循环水泵，噪声低、使用寿命长。管路直径10 mm，循环介质为清水。

图1 系统总体结构

水箱。上、下两个水箱材料均采用进口透明有机玻璃，结构设计独特，具有缓冲槽、工作槽和溢水槽，结实耐用，便于直接观测液位的变化。

液位传感器。液位传感器用来检测上、下水箱的液位，其核心变送器采用进口器件，具有抗过载、可靠性高、测量精度高等优点。信号输出按标准二线制，输出与测量相对应的4～20 mA标准信号。

智能仪表。智能显示仪表采用先进的ASIC芯片及制造技术，将常规仪表的硬件接口电路和多功能模块化的仪表软件高度集成于专业ASIC之中，可靠性高、稳定性好、功耗低，具有开放式的模块结构、数字调零调幅校准技术、掉电保护和多重抗干扰等功能。

(2)软件系统

该软件系统采用运行于Windows XP平台的MCGS工控组态软件。MCGS是用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供生产信息，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。图2为文中开发的双容液位监控系统界面和单容水箱液位PID调节控制界面。

图2 系统开发界面

2 双容液位对象测试

双容水箱如图1所示，两个水箱串联在一起，之间通过具有阻力的连通管连接，两者液位不等。来水首先进入上水箱，然后再通过下水箱流出。手动阀3控制流入量qv1，手动阀8控制流出量qv2，被控量是下水箱液位h2。下面分析h2在手动阀3扰动下的动态特性。

(2)实验及结果分析

表1为阶跃信号作用下下水箱液位变化值，图3为其实时曲线。若提高系统响应的快速性，可适当增加系统增益K，即下水箱出水阀的阻力系数Rs2，但不能过大以免系统振荡加剧。

表1 每隔20 s下水箱液位高度值 mm

图3 下水箱液位响应曲线

3 单容水箱液位PID调节

(1)测试原理

系统框图如图4所示，控制任务是使上水箱液位等于给定值所要求的高度，减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。

图4 单容水箱液位控制系统

选择合适的kp、Ti、Td对控制效果有着重要的影响。文中通过实验得出图5所示曲线。

图5 不同参数下水箱液位响应曲线

图中给定量150 mm，曲线1为 kp=2、Ti=100 000、Td=0时的上水箱液位实时变化曲线，可知:曲线较好，无超调，存在较小稳态误差，系统响应速度快。曲线2是kp增加为4时的液位变化，可知:动态响应速度加快，稳态误差减小。曲线3是在曲线2的基础上加入积分项，稳态误差进一步减小，但出现超调，稳定性下降，调整时间增加。曲线4是在曲线3的基础上加入微分项，超调量有所减少，调整时间减少。

4 结论

实验结果表明:该控制系统具有稳态误差小、自适应能力强、可靠性好、抗干扰能力强等特点，大大提高了水箱液位的控制质量，对构建多参数过程控制系统具有重要的实际意义。

［1］冯丽辉.水箱液位模拟控制系统的微机化改造［J］.昆明理工大学报.2001，24(5):1 －4.

［2］王毅，张早校.过程装备控制技术及应用［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［3］NOURA Hassan，THEILLIOLDidier，SAUTER Dominique.Actuator Fault-tolerant Control Design:Demonstration on A Three-Tank System［J］.International Journal of Systems Science，2000，31(9):1143 －1155.

［4］UCHIDA M，NAKANO K.Simulator-based Foresight Control of Level of Three tanks in Series［C］//Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics，Control，and Instrumentation，1996:321－325.

Developing and Research on Liquid Level Control System of Double Tanks

CHANG Ruili1，HAN Jun2
(1.School of Information Engineering，University of Science and Technology Inner Mongolia，Baotou Inner Mongolia 014010，China;2.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Inner Mongolia，Baotou Inner Mongolia 014010，China)

The liquid level control system of double tankswas builtbased on MCGSconfiguration software.Taking the liquid level of double tanks as control object，themathematicsmodel was built，which was used for experiment and research.Moreover，the liquid level PID adjustor of single tank was designed.P，PIand PID experimentswere done in step signal，which had important practical significance and reference value.

Liquid level control;Double tanks;Process control

TP273+.5

A

1001－3881(2014)10－166－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.050

2013－04－28

常瑞丽 (1978—)，硕士，讲师，主要从事电子技术教学工作及运动控制技术方面的应用研究。E－mail:crl2006@126.com。