四水箱系统

四水箱系统（精选7篇）

四水箱系统 篇1

一、引言

多流程系统具有非线性、多输入多输出、时变、耦合等特征,在生产实践中有着广泛的应用背景。四水箱系统[Johansson] 是模拟多流程被控对象的典型装置,其四个水箱之间的关联是串联与并联都存在的复杂耦合关系。因此,四水箱系统在众多文献中被用于测试控制算法性能,例如:分布式控制,状态反馈控制,解耦控制,模糊控制,最优控制,模型预测控制等等,以上策略可以提高控制效果,但是算法复杂,不适宜工程应用。本文基于分布式控制结构,采用高增益自适应控制算法,能够明显改善控制性能的同时易于工程实现。

二、四容系统的数学描述

四容系统的物理模型如图一所示,泵1(Pump1)从蓄水池中抽水输送到低位的水箱1(Tank1)及其对角位置的高位水箱4(Tank4);泵2(Pump2)把水输送到低位的水箱2(Tank2)及其对角位置的高位水箱3(Tank3)。水箱1 和水箱2 中的液位是可以测量的,操纵变量为两个水泵的转速,由输入电压控制。

根据质量守恒定律,对每个容器应用

得

式中,hi(i=1,2,3,4)为容器i中的液位高度,Ai(i=1,2,3,4)为容器的横截面积,ai是容器i流出口面积,v1和v2是系统的可调输入,即泵1 和泵2 的转速,γ1和 γ2是分流比例系数,d1和d2是干扰输入。

三、分布式控制结构及非线性系统的高增益控制

在平衡点h10=12.4cm,h20=12.7cm,h30=1.8cm,h40=1.4cm,v10=v20=3 对非线性方程(1)进行Taylor展开,舍去高次项得线性化近似系统如下

其中。根据相对增益矩阵(Relative Gain Array,RGA)的定义,得

容易看出,容器1 的液位主要受控于水泵1 的流量,而容器2 的液位主要受控于水泵2 的流量,由此确定图2所示的控制结构,即两个分布式控制回路分别控制对应的液位。

其中,控制器1 和控制器2 采用高增益自适应 λ 控制算法,即

四、仿真结果

作为仿真,系统的物理参数取自文献。取 λ=0.1,β=0.3,水箱1 和水箱2 的液位变化曲线如图3、图4 所示,作为比较,同时给出了虚线所示的PI控制响应曲线,显然,高增益控制动态响应速度明显加快,而PI控制先反向运动再朝目标值运动,动态缓慢。图5 和图6 为水泵控制电压的变化曲线,为配合系统响应速度其动态变化范围显然加大。

结论

本文以具有非线性、多输入多输出、时变、耦合等特征的四水箱系统为研究对象,基于分布式控制结构,采用高增益自适应 λ 控制算法,仿真结果表明,与常规PI控制相比,能够明显改善控制性能,同时易于工程实现。

参考文献

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货运汽车水箱系统支架的改进 篇2

随着我国经济的突飞猛进, 我国的交通运输行业快速发展, 主要表现在空运、铁路、海运、公路运输等方面。在我国的西北地区, 由于地理位置的局限性, 公路运输显得尤为重要。其中货运汽车行业发展的越来越强大, 推动着西北地区的经济发展。但是在实际使用过程中, 汽车的刹车系统、发动机系统与车胎在高温与磨损的双重作用下, 损耗的相当严重, 远远降低了其应有的使用价值。所以人们在应用的过程中, 常常在货运汽车上面安置一个淋水系统, 以延长其使用价值, 实践证明效果很好[1,2,3]。

传统的淋水系统的水箱常用角钢支架通过焊接连接, 然后通过高强度螺栓连接在汽车大梁上面, 再辅助钢绞线以保证其稳定性[5,6]。如图1所示。虽然这个系统在实践中得到了广泛的应用, 但经常引起角钢支架连接处的撕裂破坏、高强度螺栓的剪切破坏、水箱的挤压破坏等。所以有必要对水箱支架进行改进, 以提高其利用率, 避免在实践中产生的一些问题。

2 水箱系统的应用与改进

2.1 水箱系统的应用

货运汽车水箱体系在实践中越来越被广泛的接受。其中当货运汽车在上坡过程中, 给发动机降温, 下坡过程中给刹车降温, 在正常行使过程中给车胎降温, 达到合理利用的效果。常用的水箱系统其尺寸如下表所示:

水箱系统尺寸

2.2 水箱系统的改进

针对于传统的水箱系统存在的缺陷, 我们发现主要的问题是由于水箱系统支架所引起的。所以对水箱系统的改进主要针对于水箱体系支架进行。汽车在不平的路面上行驶, 车辆竖向振动时程是一种随机振动, 进而带动着汽车水箱系统也是一种随机振动过程。角钢支架体系在随机振动过程中容易产生应力集中现象, 故极易导致支架受力较大处产生脆性破坏。而圆弧形支架体系受力比较均匀, 避免应力集中现象的发生。适合于承受动力荷载作用的体系。

如图2为改进的水箱支架系统:

3 力学分析

本文拟针对D=480mm, L=1000mm, T=2mm的水箱系统的支架进行力学静力对比分析[7]。传统的角钢支架系统相当于一根简直梁, 假定上部水箱的作用力集中于与支架接触处的集中力P=1.81KN, 如图3所示:其受力图如图4、图5、图6所示:

从图4中可以看出, 角钢支架不受轴向力的影响。从图5中可以看出角钢支架受的最大剪力为MAXV=1.81KN, 是引起角钢高强度螺栓破坏的主要作用力;从图6中可以看出, 角钢支架受到的最大弯矩为MAXM=0.724KN.M, 是导致角钢支架连接处产生破坏的主要作用力。通过以上的分析可以看出, 角钢支架是一个压弯受力体系。

改进后的支架系统图好比一个单摆体系, 通过有流幅的高强度钢带 (L=520mm, B=30mm, t=3mm) 来代替传统的角钢支架体系, 其受力图如图7所示, 其受力计算简图如图8所示:

从图8中可知, 由平面汇交力系的平衡方程得[8]:

由于sina≠0, 即:sina∈ (0, 4]故当sina=1时, T有最大值

从以上的对比分析可以看出, 改进后的水箱支架体系的受力变得简单, 同时, 使得原来支架由压弯复杂受力体系变为单纯的受拉体系, 是符合力学要求和工程实际效用的。

4 结论

(1) 角钢支架将其受到的作用力直接传递给汽车主梁, 而改进后的钢带支架将其受到的作用力先传递给汽车次梁, 然后由次梁传递给汽车主梁, 两种支架传力途径一致。

(2) 改进后的钢带支架使得体系的受力体系由原来的压弯构件转变为简单的受拉构件, 符合力学要求。

参考文献

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[7]袁海庆.材料力学 (第一版) [M].武汉:武汉工业大学出版社, 2000:59-64.

水箱液位PID控制系统研究 篇3

PID控制规律原理简单并且易于实现,对没有时间延迟的单回路控制系统极为有效。鉴于控制过程多样、过程控制方案种类丰富,过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等;按控制系统所处理的信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统:按照控制器类型分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统,而计算机控制系统还可分为DDC、DCS和现场总线控制系统(FCS):按控制系统的结构和完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其控制动作规律来分,有比例控制、比例积分控制,比例、积分、微分控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统;按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。

1 过程控制系统的特性分析

单容水箱特性图1单溶液位过程只有一个储液箱。流入量为Q1,由阀门1的开度u控制Q1的大小;流出量为Q2,随下游工序的需要而变化,其大小由阀门2的开度控制;在阀门2开度不变的情况下,液位h越高,储液箱静压越大,流出量Q2越大。

根据物料动态平衡的关系,求得:

在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:

式中,T=R2×C为水箱的时间常数(注意:阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数),K=R2为过程的放大倍数,也是阀V2的液阻,C为水箱的底面积。令输入流量Q1(S)=R0/S,R0为常量,则输出液位的高度为:

当t→时,h()=KR0。因而有

当t=T时,则有:

式(2)~式(3)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数,如图2所示。由式(2)~式(4)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间,就是水箱的时间常数T。这个时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线,切线和稳态值的交点对应的时间是时间常数的T。

其理论依据是:

上式表示h(t)若以在原点时的速度h(∞)/T恒速变化,即只要花T秒时间就可达到稳态值h(∞)。

式(2)中的K值由下式求取:

对图1的液位系统,当输入量有一阶越变化Δu时,过程输出量—液位的变化Δh(t)最后回达到新的稳态Δh(∞)=KΔu。新稳态的建立是由于在液位Δh(t)变化的作用下,流出量Q2发生变化的结果。在扰动作用下破坏其平衡工况后,被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性,成为自衡特性。

并不是所有被控过程都是具有自衡特性,当输出口Q2是一台恒流泵时,这样当流入量Q1出现一个阶越变化ΔQ后,流出量Q2保持不变流入量与流出量的差额并不会随液位的改变而逐渐减小,而是始终保持不变,液位将以恒定速度不断上升或下降,直到从储液箱顶部溢出或抽空。对于这类过程,由于输出量不能对扰动作用施加反作用,只要被控过程的平衡工况被破坏,就无法自行重建平衡,这就是无自衡特性的本质。

2 双溶水箱特性

图3所示的液位过程由管路分离的两个水箱串联组成,它有两个储水的容器,称为双溶过程。不计两个水箱之间管路所造成的时间延迟,以阀门1的开度u为输入、第二个水箱的液位h2为输出,建立液位过程的数学模型。

双容水箱液位控制结构图如图3所示。

设输入量为双溶水箱的流量Q1,H2是下水箱液位高位既输出变量,并根据动态平衡的关系,考虑时延在液体的传输过程当中,其传递函数为:

式中K=R41,T1=R21C11,T2=R41C21,C11和C21分别为上下水箱的容量系数,阀V2和V4的液阻分别为R21、R41,,可以通过实验的阶跃响应曲线计算式中K、T1和T2。在图4阶跃响应曲线上取具体方法:

1)h2(t)的稳态值渐近线h2(∞);

2)h2(t)t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的一点A和对应的时间t1;

3)h2(t)|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。

然后,利用下面的近似公式计算式(6)中的参数K、T1和T2。其中:

对于式(7)所示的二阶过程,0.32

做一个曲线拐点切线,它与横轴交于一点A,滞后时间常数τ即为0A。

3 控制系统的方案研究

1)控制系统方案研究的基本要求和主要内容

生产过程对控制系统的要求是多种多样的,可简要要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。

安全性是指在整个生产过程中,过程控制系统能够确保人员与设备的安全(并兼顾环境卫生生态平衡等社会安全要求),这是对过程控制系统最重要也是最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。

稳定性是过程控制系统保证生产过程正常工作的必要条件。稳定性是指在存在一定扰动的情况下,过程控制系统将工艺参数控制在规定范围内,维持设备和系统长期稳定运行,使生产过程平稳、持续的进行。由自动控制理论的知识可知,过程控制系统除了要满足绝对稳定性(并具有适当的稳定欲量)的要求外,同时要求系统具有良好的动态响应特性(过渡过程时间短,动态、稳态误差小)。

经济性是指过程控制系统在提高产品质量、产量的同时,节约原材料,降低能源消耗,提高经济效益与社会效益。采用有效的控制手段对生产过程进行优化控制是满足工业生产对经济性要求不断提高的重要途径。

在实际工程中,对过程控制系统的各种要求之间往往存在矛盾。因此在实际控制系统研究时,应根据实际要求,分清主次,首先保证满足最重要的质量、指标要求并留有适当余地;同时协调、并兼顾其他指标的要求。

一般说来,有差系统是按照一定比例(P)调节器系统,余差的大小受比例大小程度δ的影响。同时,比例大小程度δ与系统的动态性能密切相关。比例积分(PI)调节器,因为积分的作用,没有余差在本次本系统中,本次系统中只要参数δ、Ti是合理的,也可以使系统具有良好的动态性能。比例积分微分(PID)调节器的基础上,引入图5,P、PI和PID调节的阶跃响应曲线微分D的效果,不存在余差在这个系统中,动态性能(快速性、稳定性等)得到改善在系统中。在单位阶跃的作用下、P、PI、PID控制系统阶跃响应如图5所示,曲线为(1)、(2)、(3)。

2)双容水箱液位PID控制系统

图6为双容水箱液位控制系统。这个系统是一个单回路控制系统,它有两个水箱串联在一起,目的是所期望的值等于控制下水箱水位的高低,又要具有减少或消除内部和外部干扰的问题。显然,这种反馈控制系统调节阀的结构和参数的合理选用能决定系统的性能。因为数学模型的双溶液位水箱是二阶的,故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入(包括阶跃扰动),该系统采用比例(P)调节器来控制,系统有余差,而这个与比例度是近似成正比的。

如果使用比例积分(PI)调节器来控制,可以实现无余差在这个系统中,只要参数δ和Ti在调节器控制中合理的选择,也可以使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上又加入了微分D,从而无余差在这个系统中系统的动态性能还得到了提高。

4 结束语

相对于PID控制系统的研究,现在有许多先进的控制,例如:模糊控制、智能控制和自动学习控制等。所以,双溶液位PID控制为以后学习和研究更先进的控制打下基础。

摘要：液位是工业过程生产中经常遇到的控制参数之一,对所需的控制对象进行精确的液位控制,关系到产品的质量,是保障生产效果和安全的重要问题。因而,液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。针对不同类型的多容液位系统研究了其PID控制器,采用机理法对单容、双容过程进行模型分析。通过实验测试法分别对上、中和下水箱进行数学建模,并用MATLAB进行仿真,验证其数学模型的正确性。接着,合理搭建硬件平台,构造出双容单回路液位系统。

关键词：双容水箱,液位控制,PID调节,参数整定

参考文献

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四水箱系统 篇4

重型商用汽车发动机冷却系统基本都采用水冷形式, 冷却液在85~98℃时, 发动机工作状态最佳, 燃油消耗最经济, 机件磨损也不大。如果冷却水的温度过高或过低, 不仅会影响发动机的正常工作, 甚至会产生故障、事故。汽车的冷却系保证了发动机在最适宜的温度范围内工作, 因此汽车发动机冷却系统的设计在汽车研究开发中占有重要地位。冷却系统各部件的设计准确性对保证冷却系的工作性能非常重要。

重型商用车冷却系统中的副水箱是连通散热器和发动机水套的一个容器, 置于散热器和发动机的上部 (见图1所示) 。冷却液在发动机冷却回路流动过程中, 伴随着冷却系统中冷却液温度升高、降低以及冷却液的蒸发, 整个冷却系统中冷却液的体积随之发生变化。所以整个冷却液循环系统中一般应设置有附水箱 (膨胀箱) 对冷却液进行加注和补偿, 并提供一定的膨胀空间。

2 副水箱的具体作用

1) 接收加热时膨胀的冷却液。

2) 给冷却系统一定的正压, 分离出系统中的空气。由于结构设计的限制, 发动机水套中和某些零件的内部有“死区”存在, 积滞了部分气体。

3) 储备一定量的冷却液用于补偿泄漏损失。

4) 提高水泵进水口处的静压。

5) 方便冷却液的加注或液面检查。

3 副水箱结构及容积参数分析

一般副水箱的具体结构见图2所示。副水箱的容积应包含三部分, 一是膨胀容积:冷却液在冷态时注满整个系统, 经发动机几次热负荷运转, 冷却液在高温下必然发生膨胀而产生压力, 当压力升高至压力盖开启压力时, 蒸汽阀被顶开, 高温下超过系统总容积的多余部分冷却液通过溢流管排出, 这部分膨胀箱容积大约占整个系统内冷却液容积总容量的6%。二是储备容积:为了安全起见和延长补水周期, 储备容积应占整个系统总容积的11%。三是必留容积, 因底面具有回水口, 为了防止冷却液在循环中卷入空气, 冷却液的最低警戒面应离底面不小于一定的值, 如果低于这个警戒面, 液体在回水口处会产生旋流, 空气就会被裹进去。在副水箱上还设计一水管, 此管接在冷却循环最低位置的散热器出口和水泵进口之间的管路上。这样, 一方面可大大避免加入冷却液时产生气泡, 另一方面, 在发动机运行时可直接把系统压力作用到水泵入口, 防止水泵进水口形成负压。一般副水箱的总容积应为15%~20%系统总容积加必留容积。

4 副水箱压力盖的作用和参数确定

压力盖带有控制系统最高压力的压力阀。压力阀保证闭式强制循环冷却系统内的冷却液能保持一定的压力, 随着压力阀压力的增加, 从而提高冷却液的沸腾温度。在带有强制除气循环功能的副水箱的冷却系中, 压力盖一般装在副水箱的加注口上。冷却系统采用了压力盖以后, 可提高冷却液的沸点, 保证工作安全, 即使“液—气温差” (冷却液温度与大气温度之间的差值) 加大, 从而提高散热器的散热能力。相应的可减小散热器和风扇的尺寸和容量, 减轻和消除冷却液循环中的气泡和气阻现象, 改善发动机水套内高温臂面上的热传导质量, 使受热表面得到很好的冷却。车辆在高原上运行时, 由于海拔高, 冷却液的沸点降低, 更需要采用压力阀, 否则冷却液早期就发生沸腾。但是, 采用过高的压力阀, 使冷却液持续处于高温高压下工作, 对冷却系的密封性和有关零部件及非金属制品可靠性要求过高, 还会使发动机的热负荷增加, 机油温度升高, 发动机燃烧系统的某些参数恶化。对前置发动机而言, 还会影响驾驶室内的温度, 所以国内重型商用车多数采用的压力阀的压力为50k Pa, 即冷却液的沸腾温度控制在110℃左右。

压力盖上的真空阀的压力约为10k Pa, 因为冷却液经外溢和冷缩后, 系统内将产生真空或负压, 外界空气将通过真空阀进入膨胀水箱, 使系统压力保持在一定范围内, 对管路、密封垫及散热器起到保护作用。

摘要：汽车发动机的冷却性能研究和冷却系统工作状况复杂, 尤其是在重型商用汽车上, 发动机功率大、温度高, 且工作环境恶劣, 对发动机冷却系性能要求更高, 冷却系中副水箱设计的合理性直接决定整个冷却系统的性能。本文扼要的介绍了重型商用汽车冷却系中副水箱的作用, 提出了副水箱设计的基本思路。

关键词：冷去系统,副水箱,压力盖

参考文献

[1]吉林工业大学杨连生主编.内燃机设计.高等院校试用教材.

一种双水箱太阳能热水系统 篇5

我国农村及村镇人口约占全国总人口的80%, 构成约3亿个家庭, 且农村太阳能热水器市场有着90%以上的市场空白。随着农村经济的发展, 太阳能热水器的应用市场已从城市向农村转移。特别是近几年来, 社会主义新农村建设的启动, 激活了农村太阳能热水器市场。在社会上农村建设的“生产发展、生活富裕、乡风文明、村容整洁、管理民主”五项内容中, 有三项跟农村可再生资源有紧密联系。缓解农村能源紧张, 解决农村环境污染问题, 成为了农村精神文明建设、全面协调发展的必然要求。同时, 在中央及各省市出台的“可再生能源利用规划”中也都明确提出鼓励太阳能热水器在农村的推广, 并出台了优惠政策和补助措施。其中2009年推出的太阳能热水器家电下乡政策, 为农村太阳能热水器市场带来了机遇。

2. 目前的行业现状

农村市场不同于城市家庭和工程市场, 会有无自来水或自来水定时供水的情况存在, 使得太阳能的使用受到限制。为了解决这一问题, 目前市场上有很多用户安装了冷水箱, 冷水箱既能给热水器补水又能提供生活用水, 在我国长江以南区域和越南市场应用广泛。

在一年四季中, 冬季是消费者用热水的高峰期, 不管是洗澡还是洗衣、洗碗、拖地等都要用到大量的热水。然而目前市场上带冷水箱的太阳能产品在我国长江以北区域使用受限, 冷水箱无保温, 冬季冻堵无法使用。

目前市场上现存的产品除了使用范围受限外, 最大的问题还在于不美观、管路联系零散, 与建筑及周围环境不协调。随着生活水平的提高及太阳能的普及, 人们对太阳能各方面的要求也越来越高, 这些产品已不能满足中高端客户的需求。

2.1 双水箱太阳能热水系统

为了解决冷水箱冬季冻堵及外形不美观的问题, 皇明太阳能集团中央研究院专为农村市场研发了双水箱太阳能热水系统。

2.1.1 双水箱太阳热水器外观

根据用户用水需求, 设计人员通过详细计算, 得出冷热水箱容水量3:1的合适比例。

2.1.2 双水箱太阳热水器工作原理

长江以北定时供水或无自来水区域:

运行原理:

自来水或水泵给冷水箱供水, 溢流管路流水时, 关闭上水球阀;冷水箱通过电磁阀给热水箱补水, 到达设定水位, 电磁阀自动关闭;用户在用水时, 冷热水箱通过中控阀调温后出合适温度的热水。

高辐照定时供水或无自来水区域 (如云南、越南)

运行原理:

自来水或水泵给冷水箱供水, 水满溢流关闭上水球阀;冷水箱给热水箱补水, 热水箱通过低进高出, 顶出热水;用户在用水时, 冷热水箱通过中控阀调温后出合适温度的热水。

2.1.3 双水箱太阳热水器功能

该系列产品把冷、热水箱结合在一块, 冷水箱的作用有两个:其一, 给热水箱补水, 用户在取用热水的过程中, 冷水箱为热水箱补水, 避免热水箱里的水用完, 无水上水导致真空管空晒情况的出现;其二, 为用户提供生活冷水需求。

冷水箱与热水箱之间管路进行防冻、保温, 冷水箱配备点加热系统, 通过温控器实现0℃启动, 5℃自动关闭, 成功解决了冷水箱冬天结冰无法使用的难题。

2.2 对农村房屋的设计要求

2.2.1房屋设计中应合理确定太阳能热水系统各组成部分在建筑中的位置, 并应满足所在部位的防水、排水、系统检修的要求。

2.2.2该系统重量较大, 房屋承重载荷要求大于300kg/m2, 太阳能热水系统应安装在支撑梁上。

2.2.3太阳能热水系统的结构设计为太阳能热水系统安装埋设预埋件或其他连接件, 连接件与主体的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。

2.2.4轻质填充墙不应作为太阳能热水系统的支撑结构。

2.2.5太阳能热水系统基座应与房屋主体结构连接牢固。

3. 结语

智能控制单容水箱液位的系统设计 篇6

1 系统硬件设计

硬件设计是软件设计实现的前提, 硬件的合理选用, 既要合理、适合, 也要经济适用。本设计用S7-300 PLC作为控制器, 通过变频器控制电机速度, 同时由变送器和四个液位检测开关收集液位信号反馈给PLC来进行进一步控制, 从而实现使液位保持在设定值附近的自动控制系统。 (如图1)

1.1 PLC的选型

西门子S7-300是模块化的通用型PLC, 适用于中等性能的控制要求。SIMATIC S7-300编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可广泛组合以用于扩展。其CPU集成了过程控制功能, 用于执行用户程序。不需附加任何硬件、软件、编程, 就可建立一个MPI网络。若有PROFIBUS-DP接口, 就可建立一个DP网络。S7-300可大范围扩展各种功能模块, 很好的满足自动控制任务。

1.2 CPU型号的选择

S7-300有20种不同等级的CPU, 分别使用于不同等级的控制要求。CPU 313C-2 DP带集成数字量输入/输出和PROFIBUS DP主站/从站接口的紧凑型CPU, 带有与过程相关的功能, 可以完成具有特殊功能的任务, 可以连接单独的I/O设备。配置为:16DI/16DO DC24V、Flash EPROM微存储器卡 (MMC) 、一个MPI接口和一个DP总线接口。

1.3 模拟量模块 (SM) 的确定

S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入输出模块SM334和SM335, 通常选用SM334系列的模块。它既有模拟量输入通道, 又有模拟量输出通道, 用于连接模拟量传感器和执行器。这里选用的是SM334 AI4/AO2 8/8位的模块, 有4输入、2输出, 精度8位。是不可编程, 通过硬件连线来定义测量和输出类型。

模拟量输入模块用于将模拟信号转换为CPU内部处理用的数字信号, 其主要部分是A/D转换器。输入信号一般是模拟量变送器输出的标准直流电压电流信号。各模拟量通道转换顺序执行的, 每个模拟量通道输入信号被依次轮流转换。此模块由多路开关、A/D转换器、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号, 对执行机构进行调节或控制, 其主要转换部分是D/A转换器。

电源模块选用PS307 2A, 效率83%。输入电压为单相交流120/230V, 50/60Hz;输出电压为DC24V, 具有短路和断路保护。正常态时, 绿色LED亮;当输出电路过载时, LED指示灯会闪烁;如果输出端断路, 则输出电压为0, 此时LED变暗。输入电压过高, 可能损坏模块;输入欠压, 模块关闭, 停止工作。

1.4 变频器的选型

变频器选用的是MICROMAS-TER 420系列, MM 420是用于控制三相交流电机速度的变频器系列。微处理器控制, 采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件, 具有很高运行可靠性和功能多样性。易安装、调试, 快速响应, 正常状态下无跳闸运行, 更好的动态特性, 过/欠电压保护, 短路保护等优点。必须可靠接地, 断开电源后可进行电源及电机端子的接线。

1.5 变送器的确定

可采用扩散硅液位变送器, 用于收集液位信号, 产生4～20mA模拟信号, 作为模拟量输入信号传递给PLC, 进行进一步控制。液位变送器包括一个表头, 两边都有盖子, 打开盖子, 一边的表内部可以调节零点或满量程, 另一边内部用于接线。

1.6 水位检测开关的选定

选用电子式水位开关BZ2401, 检测方式为有水时闭合。它可以直接与PLC搭配工作, 判断有水时输出24V, 无水时0V, 电流容量2A。高低电平的信号可通过PLC来读取, 并驱动水泵等用电器工作。可任意方向安装, 当横装时, 水位到达蓝线就动作, 且精度较高。产品竖向安装时, 水位到达红线就动作, 有一定的防波浪功能。而且具有耐污、耐颠簸、抗摔性强、耐酸碱, 不怕磁场影响、金属体影响、水压变化影响、光线影响, 没有盲区, 不怕固体漂浮物的影响的优点。

2 系统的软件设计

2.1 系统结构设计 (如图2所示)

2.2 系统的上位机组态软件的设计

在本设计中, 上位机组态实现了自动液位控制, 过程中工作人员可直接通过电脑监测系统运行状态, 及在线改变参数的设置。设计主要包括组态新建工程、画面创建、定义I/O设备、构造数据库、建立动画连接、运行和调试这几个步骤。

3 系统调试

系统调试分软件和硬件的调试。在软件调试之前首先要进行硬件的调试工作, 在PLC处于编程状态下, 检测变频器、传感器等, 以确认这些信号能够正确地输入PLC的输入端口;确认过程控制系统可以正常运转, 实现水泵上水、放水、启动、停止及变频器控制器下的转速调节等功能。硬件调试中问题, 首先, PLC和外围电路的连接, 遇到低压电器连接问题, 通过反复连接操作训练后, 这些问题得到解决。硬件调试问题解决了, 再解决软件调试工作。软件调试较硬件调试要复杂的多。首先根据设计要求编写程序流程图, 然后通过实物实际情况反复编程练习, 一一解决了编程遇到的问题。系统有很多功能, 本着先单一, 后多种, 先简单, 后复杂的顺序来编写和调试程序, 直到完全符合设计要求, 完成最终的调试工作。在建立PLC和组态通信连接时也遇到了不少的困难, 变量的类型的选择、变量域的使用等等各个方面的匹配。通过不断的调试, 最终建立比较完整的组态画面, 实现单容水箱液位控制系统的监控要求。在组态画面的建立中本人也了解了组态软件对现代工业监控的便利性和重要性。

4 结束语

在系统设计过程中, 成功地解决了组态王与PLC的连接通信, 组态动画的设置与连接。在软件中针对PLC的模块化编程、数据的归一化与设计液位控制系统的组态监控画面, 通过上位机控制实现液位的自动控制, 基本达到了对液位控制系统的要求。这个设计使本人的知识领域专业技能得到了进一步扩展, 同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。

摘要：文章以西门子公司S7-300作为控制器, 利用结构紧凑, 扩展能力强, 性价比高的特点, 设计一套运行稳定、安全可靠又经济的液位控制系统。控制核心以S7-300系列为主, 以电磁阀、压力变送器、水泵等为辅, 构成了单容水箱液位控制系统的硬件和软件的设计。

四水箱系统 篇7

液位是工业生产过程中的四大热工参数之一, 因此, 液位控制已成为工业生产中研究的重要课题[1]。传统的液位控制系统大多采用常规PID控制, 由于常规PID控制器结构简单, 使用方便, 被广泛使用[2,3,4,5,6], 但常规PID在系统参数、工作环境发生改变时控制效果较差, 且液位控制系统对稳定性和快速性要求较高, 这样不依赖数学模型的模糊控制给这类问题的解决带来了新思路[7]。

本文基于VB开发环境设计了一个采用模糊控制方法的液位控制系统, 主要包括硬件系统搭建和软件开发设计。以THSA-I型过程控制综合自动化控制系统实验平台为研究平台, 采用该平台的计算机作为直接控制器, 通过数据采集模块实现计算机和传感器或执行器之间的数据转换, 通过设计模糊控制器, 在VB开发环境实现液位控制。实验分别采用常规闭环PID控制和模糊控制对单容水箱液位进行控制, 并对比控制效果, 验证了模糊控制在单容水箱液位控制上的优越性。

1 单容液位过程模糊控制器设计

1.1 确定模糊控制器的结构

根据单容液位过程控制的特点和控制要求, 模糊控制器选用二维结构, 如图1所示。系统给定r, 以液位的偏差e和液位偏差的变化ec为输入变量, 经过量化后得到E、EC, 然后经过控制表得到控制量的数字量UC, 经过去模糊化z-1得到输出量u, 控制液位过程。其中k1、k2、k3是对应变化中的比例系数。

1.2 确定输入输出变量的基本论域

在单容液位控制系统中, 液位的给定值为Sp, 由液位传感器测量并变化的水位值为PV, 则可以得到水位偏差E和水位偏差的变化EC为:

E (k) =PV (k) -Sp。……………………… (1)

EC (k) =E (k) -E (k-1) 。………………… (2)

将E (k) 和EC (k) 作为液位控制器的输入量, 输出量u为执行器电动调节阀的开度。根据实验情况, 考虑到传感器的偏差, 确定输入和输出的论域, 要求液位偏差E的范围为[-15, +15], 偏差变化EC的范围为[-0.1, +0.1]。液位控制量为输出变量u (即电动阀的开度) , 它的范围为0%～100%, 相应的控制信号为4mA～20mA。

1.3 定义模糊子集及隶属函数

在本设计中, 输入变量E的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}、EC的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大};输出控制量u的模糊子集为{负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}。

1.4 建立模糊控制规则表

当偏差为负大时, 若偏差变化为负, 这时偏差有减小的趋势, 为尽快地消除已有的负大偏差并抑制偏差变大, 因此, 控制量的变化取负大;当偏差为负中时, 控制量的变化应该使偏差尽快消除, 基于该原则, 控制量的变化选取与偏差为负大时相同;若偏差变化为正时, 系统本身有消除负小偏差的趋势, 选取控制量变化为正小即可。根据上述选取控制量变化的原则就可以确定单容液位模糊控制器的控制规则表, 如表1所示。

2 液位控制系统的实现

2.1 硬件系统组成

本设计系统是在“THSA-1型过程控制综合自动化控制系统实验平台”上搭建起来的, 由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机3部分组成。“THSA-1型过程控制综合自动化控制系统实验平台”是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。液位控制系统组成框图如图2所示。

通过标度转化, 将液位高度信号转化为1V~5V的电压信号, 由ICP7017采集传送给计算机, 计算机调用相应的算法计算后, 将控制信号再次经过标度转化变换成4mA～20 mA信号, 由ICP7024传送给电动调节阀, 最终通过控制阀门的开度达到控制液位高度的目的。

2.2 软件设计及实现

目前, 液位过程控制主要采用PID控制, 本文为验证模糊控制器的优良性, 在VB开发环境下, 先设计闭环PID控制窗口, 然后同模糊控制对比控制效果。闭环PID控制界面及控制效果如图3所示。

模糊控制测试窗口包含以下功能: (1) 可以设置采样周期与液位设定值; (2) 有启动和停止功能; (3) 能够显示水箱的液位实时曲线; (4) 可以设置模糊控制器量化因子和比例因子。模糊控制测试窗口如图4所示。

3 实验数据分析

为了达到更好的控制效果, 需要改变模糊控制器中的输入量化因子和输出比例因子。根据分析输入输出论域的变化及所设置的液位设定值将偏差量化因子Ke设为0.8。然后通过实验比较和对水箱的实际观察, 决定偏差变化量化因子Kec的取值为60。

通过对比闭环PID控制和模糊控制两组实验的实验结果, 分析两种控制的优劣。将两组控制液位曲线在同一坐标下进行比较, 如图5所示。

从图5中可以看出, 在相同的条件下, 比例微分PD控制有较大超调, 有震荡, 但反应速度较比例积分PI的速度要快;虽然比例积分PI反应速度较慢, 但动态品质较好且能消除静态偏差。模糊控制没有超调, 且上升速度和稳定速度都是最快的, 但存在静态偏差, 由于传感器有误差, 因此测量值有震荡。总之, 可以看出模糊控制方法对单容水箱液位的控制效果要比常规闭环PID控制的效果更好, 提高了控制系统的快速性, 保证了系统的稳定性, 达到了较好的控制效果, 符合单容水箱液位控制的要求。

4 结论

本文针对传统工业单容水箱液位控制过程中存在的稳定性差、响应慢等问题, 提出了一种模糊控制方法对液位进行控制, 并设计了单容液位控制系统。在相同实验条件下, 采用传统方法与本文提出的方法分别对单容液位进行控制, 通过实验验证了本文采用的模糊控制与闭环PID控制的效果相比, 稳定性更好、响应速度更快, 对液位控制的控制性能明显提高。

参考文献

[1]欣斯基.过程控制系统[M].萧德云, 吕伯明, 译.北京:清华大学出版社, 2004.

[2]杨国安.数字控制系统:分析、设计与实现[M].西安:西安交通大学出版社, 2008.

[3]魏巍, 陈虎, 赵贵, 等.水箱液位控制系统建模与其PID控制器设计[J].中国科技信息, 2008 (10) :31-32.

[4]张玲霞, 李学军, 李杰.基于组态王的液位控制系统仿真实验[J].长春大学学报, 2010 (4) :61-64.

[5]任俊杰, 李红星, 李嫒.基于PLC和组态王的过程控制实验系统[J].实验室研究与探索, 2010 (5) :16-18.

[6]匡芬芳.OPC技术在液位控制中的应用[J].自动化仪表, 2011 (6) :46-49.