張江亞 王靜 李煥娜

摘要：液位不但是工業(yè)生產(chǎn)過程和日常生活中經(jīng)常遇見的變量，而且可以很方便的觀察，也比較容易測量。水箱液位系統(tǒng)在現(xiàn)實生活或在我們研究探討的的過程中都會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統(tǒng)的構成結構和這種控制系統(tǒng)的工作原理以及在我們?nèi)粘Ｉ钪兴鸬降淖饔?，而且很好的闡述和探討了水箱液位控制系統(tǒng)的進水閥門和放水閥門的工作的過程，并解析了在實際生活中三容水箱控制系統(tǒng)的構建的方法、調控的方法以及在出現(xiàn)問題故障時應該怎樣解決的方法。

關鍵詞：三容水箱系統(tǒng);最小二乘法;仿真

一 水箱控制系統(tǒng)概括

1.1 水箱液位控制系統(tǒng)

在人們的日常生活和某些化工及能源的生產(chǎn)和使用過程中，經(jīng)常會遇到一些流量控制不合理或者液位過高或過低的問題，并且在一些工業(yè)廢水需要處理的途中也會對蓄水池中的液位進行合理并有效的設置，除此之外關于蓄液容器的生產(chǎn)的過程也是比較常見的，設計合理的控制器自動調整容器的出入液流量，這樣就能很容易讓容器內(nèi)的液位達到比較正常的水平。更重要的是在進出液體比較大的狀態(tài)下，為了能更好的控制水箱里液面的高低，就會在現(xiàn)實的生產(chǎn)過程中經(jīng)常選用多個連接著的儲水器具。

1.2過程控制的發(fā)展概況

19世紀50年代出現(xiàn)了儀表式與局部自動化的新型生產(chǎn)模式，過程控制也得到了很大的提升，一些比較大的企業(yè)和稍落后的小型企業(yè)也應用到了這種模式。19世紀60年代，工業(yè)生產(chǎn)的模式運用了綜合自動化的模式，當然過程的控制也發(fā)展到了更好的層次。19世紀70年代和現(xiàn)代我們實現(xiàn)了全盤自動化的生產(chǎn)模式，過程控制也發(fā)展到了的比之前更新的層次。這次運用的理論也比先前的更加先進，用到了過程控制的領域的理論和現(xiàn)代先進的控制理論，比如系統(tǒng)自動辨別與生產(chǎn)狀態(tài)的估算，能夠優(yōu)先濾波并且能夠提前預報，對狀態(tài)空間能進行精確的分析。

二 三容水箱控制系統(tǒng)

2.1三容水箱系統(tǒng)的結構

三容水箱液位控制系統(tǒng)主要的構成組件有可以感應液位高低的檢測器件、有各種元件組成的水箱的主體、在水槽中放置的潛水泵和有ISA總線插槽的智能計算機以及運用了先進的數(shù)據(jù)的采集卡技術，三容水箱的主體構件有連接著水槽的閥門，有可以放水的閥門，有可以回水的水槽，還有可以調整水流量大小的的步進電機的水槽門以及可以進水的圓柱型的玻璃容器等其他組件。

2.2一階對象的結構

在關閉出水閥門CV1時候，上面的進水閥門1會給下面的TI容器灌水，在進水閥門打開的時候下面的LV1閥門會打開進行排水，用中間的T1水箱的液位為這次的系統(tǒng)輸出，上面的進水閥門1流出的水流量為被控制量，這樣就實現(xiàn)了本次研究的一階對象，即單入單出（SISO）。通過步進電動機的自動控制來改變進水閥門1的水流量大小和通過手動調整LV1的放水閥門，這樣就可實現(xiàn)一階對象的目的。

2.3二階對象的結構

通過步進電動機的自動控制來改變進水閥門1的水流量大小和通過手動調整LV1的放水閥門，通過進水管的長短與觀察在水面漂浮的傳感器的變化，就可以實現(xiàn)在二階系統(tǒng)中不管w怎么變，其相位總是滯后一個固定的角度的環(huán)節(jié)。當打開連接著T1容器和T2容器的進水閥門CV1及連接著T2容器和T3容器的進水閥門CV2，并且打開在T3下的放水閥門 LV3，再關掉T1容器下的放水閥門LV 1和T2容器下的LV2，以最上面的進水閥門1的水流量Q1為控制輸入量，以T3水箱里水面的高低當作液位系統(tǒng)的輸出，就可以實現(xiàn)單輸入單輸出的三階對象。

2.4雙入雙出對象的結構

在做以雙入雙出對象的結構實驗時，要以右面的進水閥門2和左面進水閥門1的進水大小為控制輸入，然后再打開連接T1容器的閥門CV1及連接T3容器的CV2，并且先關掉放水水閥門LV3和右邊的放水閥門LV1，再關閉中間的放水閥門LV2，系統(tǒng)的輸出是以右面的T3水箱和左面的T1水箱里的水面位高度。通過控制上面的進水閥門1和進水閥門2，來控制流入水的量Q1和Q2，從而讓右面的T3水箱和左面的T1水箱的水面高度L3和L1保持在一個相對穩(wěn)定的確定的值上，這樣就可以實現(xiàn)雙入雙出非線性對象的實驗。這次的實驗裝置中一個重要的工作狀態(tài)就是雙入雙出的這種狀態(tài)。

三 實驗裝置的實現(xiàn)

3.1中斷控制程序的設置

8259A芯片是一個中斷控制芯片，該芯片可以級連到9個，這樣就可以控制比較多的的設備中斷。在PC類型的智能計算機中就等于有兩片8259A芯片級聯(lián)，就可以控制著15個硬件中斷源。利用8253的通道0（即計數(shù)器0中斷頻率為每秒18.2次，計滿1h需要中斷65520次（18.2*60*60=65520）當?shù)臀蛔钟嫕M為0時高位字加1，每次中斷總是對低位字加1。）作為實時時鐘定時，每55ms中斷一次。編寫第8類中斷的中斷服務程序每中斷一次運行一次采樣程序。

3.2水位高度標定

通過曲線上的觀測結果的數(shù)字統(tǒng)計與相應的數(shù)值吻合，就會在一個平面的直角的坐標系中，就會讓確定的幾個點xi或yi（i=1，2... n），求一條最接近這一組數(shù)據(jù)點的曲線，用來表示這些點的總趨向，在現(xiàn)代的科學設計和實驗研究中，經(jīng)常會通過從一些實驗的數(shù)據(jù)，例如通過對xi，yi的實驗測試數(shù)值算出變量x和Y之間最精確的的函數(shù)關系式Y=f（x）。像上面的這些計算過程就叫做曲線的擬合，這種曲線的方程叫做擬合方程。要實現(xiàn)最合適的擬合方程就會用到上面所說的最小二乘法原理與方法。

水位高h=5cm為初始調整點，穩(wěn)定水位，進行初始對準;調整AD/DA數(shù)據(jù)采集卡對應的刻度為data=1867;分別得到兩組數(shù)據(jù)h和data且一一對利用Matlab軟件對所得的數(shù)據(jù)進行擬合，實現(xiàn)對各水箱水位的高度標所得到的擬和曲線。得到數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)和液位高度的對應關系：h=-0.0557*data+109.6217。

3.3步進電機的正反轉實現(xiàn)

這次的實驗的接線方法是通過共陰極的方法來接的，有效的正脈沖。我們要操縱步進電動驅動器是通過們平時使用的打印機來操縱。D0控制方向，接DIR+端;D1控制步進，接CP+端;DIR-和CP-接1地;細分開關置成2細分狀態(tài)，步距角0.90。

參考文獻：

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（作者單位：河北科技學院）