何立新　徐鵬飛　郝繼峰

摘要 分析北京航空航天大學(xué)工程訓(xùn)練中存在的問題，為了解決這些問題，提高工程訓(xùn)練質(zhì)量，設(shè)計(jì)液體循環(huán)控制系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、物理模型和應(yīng)用。液體循環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置可以培訓(xùn)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力及解決工程實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞 液體循環(huán)系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；物理模型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）08-0034 02

1 前言

工程訓(xùn)練是高等教育為適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要而建立的一個(gè)面向各高校全校學(xué)生的工程基本技能訓(xùn)練。多年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工程訓(xùn)練的內(nèi)涵也在不斷地?cái)U(kuò)展和深入，現(xiàn)今工程技術(shù)應(yīng)用訓(xùn)練一般指機(jī)、電、控等三方面的工程訓(xùn)練及其綜合訓(xùn)練?？刂萍夹g(shù)工程訓(xùn)練是工程訓(xùn)練的重要組成部分，近年來在控制技術(shù)訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)程度存在差異，開環(huán)的理解認(rèn)同度很高，閉環(huán)系統(tǒng)卻成為學(xué)生學(xué)習(xí)的瓶頸。針對(duì)這樣的問題，幾經(jīng)討論，最終決定以液位的變化測(cè)量以及對(duì)液位的控制為重點(diǎn)作為突破口，制訂“研制液位循環(huán)控制系統(tǒng)”建設(shè)計(jì)劃。

建設(shè)計(jì)劃的特點(diǎn)：1）液位變化的可視性強(qiáng)；2）液位的閉環(huán)控制便于學(xué)生理解（控制算法）；3）訓(xùn)練全面。因此，液位控制工程訓(xùn)練對(duì)學(xué)生建立控制思想的概念、提高解決工程實(shí)際問題的能力、提高控制技術(shù)工程訓(xùn)練的教學(xué)質(zhì)量都具有重要意義。

2 液位循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

水塔水位兩箱系統(tǒng)存在的問題 在以往教學(xué)中采用水塔水位兩箱系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在的問題：系統(tǒng)由兩個(gè)水箱構(gòu)成，即水塔箱和蓄水箱。實(shí)現(xiàn)水塔的水位控制保持在上下兩個(gè)浮子之間，且蓄水箱水位也要控制在兩個(gè)浮子之間，蓄水箱為了蓄水需要接水管和電動(dòng)閥門，而水塔箱上需要有流水口和閥門，并在流水口處連接水管，水管下面放置一個(gè)接水桶，裝接水塔流出的水。整個(gè)過程以教師為主進(jìn)行操作?，F(xiàn)在提出要由學(xué)生操作完成控制過程，顯然是不可行的。因此，提出設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，在原有基礎(chǔ)上再加一個(gè)水箱，稱為多用水箱。它的作用：一方面作為用戶水箱，裝接水塔流出的水；另一面當(dāng)蓄水箱水位下降到下浮子的位置時(shí)，多用水箱可為蓄水箱供水。這就建立了水塔水位循環(huán)系統(tǒng)即液體循環(huán)控制系統(tǒng)，解決了上述問題。

液體循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 液位循環(huán)控制系統(tǒng)是控制技術(shù)工程訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)最重要的組成部分，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它由四部分組成：PC機(jī)、可編程控制器（以下簡(jiǎn)稱PLC）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、液體循環(huán)系統(tǒng)。

把三個(gè)水箱分別稱為水塔箱、蓄水箱和多用水箱。要實(shí)現(xiàn)液體的循環(huán)流動(dòng)，三個(gè)水箱的水容量以及水泵、電磁閥和多用水箱的水流量必須滿足如下關(guān)系。

1）多用水箱大于水塔箱和蓄水箱的水容量。采用的是三個(gè)體積相同的長(zhǎng)方體箱，裝入的水滿足上述關(guān)系即可。

2）在水泵和電磁閥同時(shí)工作時(shí)，為使蓄水箱不至于耗干，需滿足電磁閥的水流量大于泵的水流量的要求。

3）在水泵工作階段，為使水塔箱水位上升正常，需滿足流量要求：泵水流量大于多用水箱水流量。

4）為保證水塔箱、多用水箱及蓄水箱之間水流順利流動(dòng)，其間的相對(duì)高度需滿足要求：多用水箱低于或等于水塔箱流水口上端面，多用水箱高于或等于蓄水箱進(jìn)水口。

液體循環(huán)系統(tǒng)物理模型的建立 物理模型是建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，在實(shí)際制作過程中，經(jīng)過不斷地調(diào)試改進(jìn)，最終選擇了三個(gè)同體積同形狀的玻璃缸作為水塔箱、蓄水箱和多用水箱。實(shí)物圖如圖2所示。

該系統(tǒng)由三個(gè)水箱構(gòu)成。其中，兩個(gè)稱為水塔箱和蓄水箱，各安裝四個(gè)浮子監(jiān)控水塔箱和蓄水箱水位的動(dòng)態(tài)變化；另一個(gè)是多用水箱，可以模擬用戶用水箱，承接水塔流出的水，也可以為蓄水箱蓄水。通過多用水箱使整個(gè)裝置形成液體自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)。

3 液位循環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為了使學(xué)生了解控制思想，理解控制系統(tǒng)的組成，建立開環(huán)與閉環(huán)的概念，搭建兩套實(shí)際系統(tǒng)，即基本控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，從易到難可做多個(gè)實(shí)驗(yàn)。

基本控制系統(tǒng) 基本控制系統(tǒng)硬件：計(jì)算機(jī)1臺(tái)，西門子S7-200PLC 1臺(tái)，玻璃缸2個(gè)，浮子8個(gè)，手控閥1個(gè)，交流水泵1個(gè)，電磁閥1個(gè)。

技術(shù)要求：以浮子作為液位傳感器，通過PLC控制水塔箱和蓄水箱水位保持在上下兩端浮子之間；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手控閥時(shí)，水塔箱和蓄水箱水位仍然保持在上下兩端浮子之間，監(jiān)控水塔箱和蓄水。

實(shí)訓(xùn)任務(wù)：1）學(xué)生根據(jù)技術(shù)要求編寫PLC控制軟件；2）學(xué)生在教師指導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)組態(tài)軟件MCGS，編寫監(jiān)控軟件。

閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)的硬件：在基本控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)壓力變送器、1個(gè)直流水泵、1塊控制驅(qū)動(dòng)電路板。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不改變：1）把壓力變送器垂直放入水塔中；2）把直流泵放入蓄水箱中，泵管插入水塔箱中；3）把A/D轉(zhuǎn)換模塊插頭插在CPU224插槽中即可。這樣就搭建了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

技術(shù)要求：學(xué)生應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工程訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)城市供水模擬系統(tǒng)的控制與監(jiān)控。

實(shí)訓(xùn)任務(wù)：編寫PLC控制軟件、MCGS組態(tài)監(jiān)控軟件。

圖3是學(xué)生編寫的閉環(huán)控制系統(tǒng)組態(tài)軟件監(jiān)控界面。通過動(dòng)態(tài)畫面，能夠觀察到水位的控制狀態(tài)，使學(xué)生不僅更好地理解什么是閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且掌握了編寫組態(tài)監(jiān)控軟件的方法，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)造性解決問題的能力。

4 結(jié)語

經(jīng)過一年應(yīng)用實(shí)踐，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，學(xué)生使用方便，易于操作，可視性好，易于理解。后需改進(jìn)：1）實(shí)訓(xùn)操作面板需重新規(guī)劃，使其更合理，便于操作；2）液體循環(huán)系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)板和PLC相對(duì)位置重新布局，更趨于合理；3）在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙容水箱液位系統(tǒng)，研究二階系統(tǒng)的特性和控制，達(dá)到可作為研究型平臺(tái)應(yīng)用。