茂育公司制造生產(chǎn)的MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實驗裝置的實驗原理

   
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、計算機技術、通訊技術、自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。根據(jù)自動化及其它相關專業(yè)教學的特點，吸收了國內(nèi)外同類實驗裝置的特點和長處后，經(jīng)過精心設計，多次實驗和反復論證，推出了這一套全新的實驗裝置。該系統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實現(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)學模型，具有很強的代表性，有較強的工業(yè)背景，對三容水箱數(shù)學模型的建立是非常有意義的。同時，三容水箱的數(shù)學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)的研究有指導意義，例如工業(yè)鍋爐、結晶器液位控制。而且，三容水箱的控制可以作為研究更為復雜的非線性系統(tǒng)的基礎，又具有較強的理論性，屬于應用基礎研究。同時，它具有較強的綜合性，涉及控制原理、智能控制、流體力學等多個學科。通過水箱液位的控制系統(tǒng)實驗，用戶除可以掌握控制理論、計算機、儀器儀表知識和現(xiàn)代控制技術之外，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)實驗裝置概述
    MY-511 三容水箱控制系統(tǒng)實驗裝置是由三只互相聯(lián)通的水箱組成，這是一臺具有多個輸入和多個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具體的復雜的被控對象。三個水箱的液位之間存在一定的非線性耦合關系。在這個系統(tǒng)中，既可以進行單個水箱的液位單回路控制，也可以對相鄰兩個水箱的液位進行解耦控制，更可以對三個水箱的液位進行多變量的控制。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)實驗裝置是模擬現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中對液位進行測量、控制，觀察其變化特性，研究過程控制規(guī)律的教學產(chǎn)品。它具有過程控制動態(tài)過程的一般特點（大慣量、大延時、非線性），是控制理論與控制工程、過程控制理論教學、實驗和研究的理想實驗平臺。通過水箱液位的控制系統(tǒng)實驗，用戶除了掌握過程控制理論、計算機、儀器儀表知識和現(xiàn)代控制技術之外，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)實驗平臺”，常規(guī)配置采用遠程數(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機組成的控制實驗平臺三大部分。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、開關電源；
4、開關、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機兼容的Pc機，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)實驗裝置中PID控制原理
    PID 控制是最早發(fā)展起來的、應用領域至今仍然很廣泛的控制策略之一, 有統(tǒng)計顯示, 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)學模型的方法, 尤其適用于建立精確數(shù)學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, 可使動態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準確[2] ,同時PID 控制算法簡單、適應性強、靈活性好、可靠性高。
    自從計算機進入控制領域以來，用數(shù)字計算機代替模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現(xiàn)PID控制算法，而且還可以利用計算機的邏輯功能，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，在機電，冶金，機械，化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應用。將偏差的比例（P），積分（I），和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，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)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差。 簡單說來，PID控制器個校正環(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。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T1，T1越大，積分作用越弱，反之則越強。
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)時間。
    從時間的角度講，比例作用是針對系統(tǒng)當前偏差進行控制，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”的完美結合。
四、中三容水箱的數(shù)學建模：
1、設計要求：
    現(xiàn)要設計控制系統(tǒng)控制下水箱內(nèi)液位高度保持與設定值一致，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，平衡后當流入側閥門開大時，流入量大于流出量導致液位上升。同時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)學關系就可以建立該水箱對象的數(shù)學模型。
2、三容水箱的一般數(shù)學模型：
    三容水箱液位對象的模型如圖3所示，根據(jù)動態(tài)物料平衡關系，單位時間內(nèi)進入被控過程的物料減去單位時間內(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)方程可由下面幾個關系式導出： 由此可以推導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)學模型的建立。
五、實驗內(nèi)容（常規(guī)配置）
1、水箱液位傳感器的特性及其標定
2、單容水箱對象特性測試實驗
3、雙容水箱對象特性測試實驗
4、三容水箱對象特性測試實驗
5、單容水箱液位的定值控制實驗
6、雙容水箱液位的定值控制實驗
7、三容水箱液位的定值控制實驗
8、二容水箱液位的計算機耦合控制實驗
9、單容水箱液位的計算機模糊控制實驗
10、單神經(jīng)元控制實驗
11、單容水箱液位的計算機預測控制實驗
12、壓力的單閉環(huán)控制實驗
13、流量的單閉環(huán)控制實驗
14、水箱液位與流量的串級控制實驗
15、流量的單/雙閉環(huán)比值控制實驗
16、液位的變比值控制實驗
六、注意事項：實驗完畢時，關閉電源，打開所有的放水閥、排氣閥，水排凈后再將所有閥門關閉，并切斷電源即水源。