CN109887398A

CN109887398A - 一种水箱液位控制教学装置操作方法

Info

Publication number: CN109887398A
Application number: CN201910228367.1A
Authority: CN
Inventors: 高世伟; 赵力; 李亚洁; 丁炜
Original assignee: Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology
Current assignee: Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明提供一种水箱液位控制教学装置控制参数的计算方法，该方法通过一系列操作，逐步获取上水箱液位到达中间液位时间T1，上水箱出口手动阀门开度V1，水箱进口电动控制阀门的开度V2。基于上述数据，通过计算公式，即可快速计算出液位控制所需的比例和积分的参数数据。

Description

一种水箱液位控制教学装置操作方法

技术领域

本发明涉及教育教学领域，尤其涉及一种水箱液位控制教学装置操作方法。

背景技术

水箱液位控制装置是进行自动控制理论实践的常用教学和比赛装置，该装置一般由上水箱、下水箱、上水箱入口手动阀、上水箱液位检测仪表、水箱进口电动控制阀门、水箱进口电动泵、水箱出口手动阀门、连接管道以及装置控制器组成，装置控制器使用比例积分控制方法来进行上水箱液位的控制，其中上水箱液位检测仪表信号作为控制的输入，水箱进口电动控制阀门作为控制的输出。在教学和比赛中，需要对比例和积分的控制参数进行计算整定，以达到控制液位的目的。

一般的参数计算整定过程是：给水箱进口电动控制阀门设定一定的开度（例如30%），再依次打开上水箱入口手动阀门、上水箱出口手动阀门和水箱进口电动泵；水流入上水箱后，手动调整上水箱出口手动阀门的开度，并同时观察上水箱液位，当上水箱液位稳定在某一高度时（例如10CM），停止调整上水箱出口手动阀门并锁定开度不动；在装置控制器上设定比例和积分的参数数值后，给定一个上水箱液位的阶跃变化，如10CM变化到12CM，在比例和积分的作用下，装置控制器自动调整水箱进口电动控制阀门的开度，并最终使上水箱液位稳定在目标值上；如无法实现液位的稳定控制，则需要多次调整比例和积分的参数数值，直至满足液位控制的要求。

按照上述比例和积分的参数数值计算整定方法，需要多次尝试和试验，耗费时间较长，尤其是在比赛过程中，可能出现长时间整定后，比例和积分的参数数值仍然不能满足要求。

发明内容

本发明提供一种水箱液位控制教学装置操作方法，可以通过现场操作和计算，快速确定比例和积分的参数数值。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一步，在水箱进口电动控制阀门、水箱进口电动泵以及上水箱进口手动阀门均关闭的情况下，打开上水箱出口手动阀门，放空上水箱内的水：

第二步，关闭上水箱出口手动阀门；

第三步，打开水箱进口电动泵和水箱进口电动控制阀门，并将水箱进口电动控制阀门开动设定为100%；

第四步，打开上水箱入口手动阀门，并开始计时；

第五步，当上水箱液位达到上水箱中间液位时（一般为20CM），停止计时，并记录计时时间T1（单位：S）；

第六步，根据计时时间T1，通过公式（ V1=-0.02*T1+1.2）计算上水箱出口阀门的开度V1（单位：%）；

第七步，关闭水箱进口电动控制阀门，停止上水箱进水，打开上水箱出口手动阀门，排空上水箱内所有的水；

第八步，将上水箱出口手动阀门开度设置为V1；

第九步，打开水箱进口电动泵，手动调整水箱进口电动控制阀门开度，并同时观察上水箱液位，当上水箱液位稳定在预定值（一般为10CM）时，停止手动调整,并记录水箱进口电动控制阀门的开度V2（单位：%）；

第十步，通过比例计算公式（KP=0.0337* +0.00234/V2-0.0413）计算比例KP的参数数值，通过积分计算公式（I=0.0304* +0.0273/ -0.0918）计算积分I的参数数值；

本发明提供的一种水箱液位控制教学装置操作方法，首先通过测量上水箱从空箱到水液位到达中间液位的时间T1，然后根据T1计算上水箱出口阀门的开度V1，然后手动调整并确定上水箱液位稳定时的水箱进口电动控制阀门的开度V2，最后根据T1和V2计算比例KP的参数数值以及积分I的参数数值。该计算方法可以有效降低比例和积分参数数值的计算整定时间。

本发明的优点是：本发明提供的一种水箱液位控制教学装置操作方法，首先通过测量上水箱从空箱到水液位到达中间液位的时间T1，然后根据T1计算上水箱出口阀门的开度V1，然后手动调整并确定上水箱液位稳定时的水箱进口电动控制阀门的开度V2，最后根据T1和V2计算比例KP的参数数值以及积分I的参数数值。该计算方法可以有效降低比例和积分参数数值的计算整定时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明涉及水箱液位控制教学装置结构图；图2为操作方法步骤示意图。

附图标记：1．上水箱

2．下水箱

3．上水箱入口手动阀

4．上水箱液位检测仪表

5．水箱进口电动控制阀门

6．水箱进口电动泵

7．水箱出口手动阀门

8．装置控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例一提供的水箱液位控制教学装置的结构示意图，图2为参数数值计算过程示意图。如图2所示，本发明提供的一种水箱液位控制教学装置操作方法，包括十一个步骤。

实施例一：上水箱进水呈低流速状态下的控制参数计算。

①排空上水箱内的水。

在本步骤中，上水箱入口手动阀、水箱进口电动控制阀门、水箱进口电动泵均处于关闭状态，以此保障上水箱没有水流入；打开上水箱的出口手动阀门，上水箱内的水通过上水箱出口手动阀门排入下水箱，以此达到排空上水箱内水的目的。

②关闭上水箱出口手动阀门。

在本步骤中，关闭上水箱出口手动阀门，可切断上水箱内水的流出，为第三步做准备。

③打开上水箱进水的电动控制部分。

在本步骤中，上水箱进水的电动控制部分包括水箱进口电动控制阀门和水箱进口电动泵，首先要打开水箱进口电动控制阀门，并在装置控制器中将水箱进口电动控制阀门的开度设置为100%；然后打开水箱进口电动泵，此时水依次经过水箱进口电动泵和打开水箱进口电动控制阀门，并到达上水箱入口手动阀入口。

④打开上水箱入口手动阀门，并开始计时。

在本步骤中，打开上水箱入口阀门，并开始手动计时，此时水开始流入上水箱，由于上水箱出口阀门已经关闭，因此，流入上水箱的水在上水箱内累积，上水箱内的水液位不断升高。

⑤记录上水箱液位到达中间液位的时间。

在本步骤中，水不断进入上水箱，上水箱液位升高，当上水箱液位到达中间液位时，记录从打开上水箱入口手动阀到液位到达中间液位的时间T1。

在本实验过程中，上水箱最高液位为40CM，因此记录时间为打开上水箱入口手动阀门到液位到达20CM的时间为53秒。

⑥计算上水箱出口阀门的开度V1。

在本步骤中，使用205步骤中的时间T1，通过公式（ V1=-0.02*T1+1.2）来计算上水洗那个出口阀门的开度V1。

在本实验过程中，T1=53秒，因此，上水箱出口阀门的开度V1=-0.02*53+1.2=0.14=14%，因此通过公式计算得到上水箱出口阀门的开度为14%。

⑦再次排空上水箱内的水。

在本步骤中，通过关闭水箱进口电动控制阀门，停止上水箱的进水，然后打开上水箱出口手动阀门，上水箱内的水通过上水箱出口手动阀门排入下水箱，以此达到排空上水箱内水的目的。

⑧将上水箱出口手动阀门开度设置为V1。

在本步骤中，在上水箱内水排空后，手动设置上水箱出口手动阀门的开度并锁定，后续试验过程中不能更改。

在本试验中，设置上水箱出口手动阀门开度为14%。

⑨开始上水箱进水，通过调整水箱进口电动控制阀门开度，使上水箱液位稳定在预定值。

在本步骤中，在上水箱出口手动阀门的开度设置完成的情况下，打开水箱进口电动泵，开始为上水箱进水；在装置控制器中手动调整水箱进口电动控制阀门开度，调整顺序为从0%开度逐渐加大；同时观察上水箱液位，当上水箱液位稳定在预定值时，停止手动调整,并记录水箱进口电动控制阀门的开度V2。

在本实验中，上水箱液位稳定的预定值为10CM，液位稳定时，水箱进口电动控制阀门的关闭水箱进口电动控制阀门开度为15%。

⑩计算比例和积分的参数数值。

在本步骤中，基于打开上水箱入口手动阀到液位到达中间液位的时间T1和水箱进口电动控制阀门的开度V2，通过比例计算公式（KP=0.0337*+0.00234/V2-0.0413）计算比例KP的参数数值，通过积分计算公式（I=0.0304*+0.0273/-0.0918）计算积分I的参数数值。

在本实验中，KP=0.0337*+0.00234/0.14-0.0413=0.22，I=0.0304*+0.0273/-0.0918=0.20。

测试比例和积分参数数值的可行性。

⑪在本步骤中，将计算得到的比例和积分的参数数值输入到装置控制器内，给定一个液位的阶跃变化，测试比例和积分参数数值的可行性。

在本实验中，使用KP=0.22，I=0.20，阶跃变化=2CM，经过测试，控制效果满足要求。

实施例二：上水箱进水呈中流速状态下的控制参数计算。

①、②、③、④四个步骤同实施例一相同，不在赘述。

⑤、记录上水箱液位到达中间液位的时间。

在本实施例过程中，上水箱最高液位为40CM，因此记录时间为打开上水箱入口手动阀门到液位到达20CM的时间为46秒。

⑥、计算上水箱出口阀门的开度V1。

在本步骤中，使用205步骤中的时间T1，通过公式（ V1=-0.02*T1+1.2）来计算上水箱那个出口阀门的开度V1。

在本实施例过程中，T1=46秒，因此，上水箱出口阀门的开度V1=-0.02*46+1.2=0.28=28%，因此通过公式计算得到上水箱出口阀门的开度为28%。

⑦、再次排空上水箱内的水。

⑧、将上水箱出口手动阀门开度设置为V1。

在本试验中，设置上水箱出口手动阀门开度为28%。

⑨、开始上水箱进水，通过调整水箱进口电动控制阀门开度，使上水箱液位稳定在预定值。

在本实施例中，上水箱液位稳定的预定值为10CM，液位稳定时，水箱进口电动控制阀门的开度为23%。

⑩、计算比例和积分的参数数值。

在本实施例中，KP=0.0337*+0.00234/0.23-0.0413=0.20，I=0.0304*+0.0273/-0.0918=0.17。

⑪、测试比例和积分参数数值的可行性。

在本步骤中，将计算得到的比例和积分的参数数值输入到装置控制器内，给定一个液位的阶跃变化，测试比例和积分参数数值的可行性。

在本实施例中，使用KP=0.20，I=0.17，阶跃变化=3CM，经过测试，控制效果满足要求，十一个步骤的总操作时间为23分钟。

实施例三：上水箱进水呈高流速状态下的控制参数计算。

①、②、③、④四个步骤同实施例一相同，不在赘述。

⑤、记录上水箱液位到达中间液位的时间。

在本实施例过程中，上水箱最高液位为40CM，因此记录时间为打开上水箱入口手动阀门到液位到达20CM的时间为38秒。

⑥、计算上水箱出口阀门的开度V1。

在本实施例过程中，T1=38秒，因此，上水箱出口阀门的开度V1=-0.02*46+1.2=0.44=44%，因此通过公式计算得到上水箱出口阀门的开度为44%。

⑦、再次排空上水箱内的水。

⑧、将上水箱出口手动阀门开度设置为V1。

在本试验中，设置上水箱出口手动阀门开度为44%。

在本实施例中，上水箱液位稳定的预定值为10CM，液位稳定时，水箱进口电动控制阀门开度为35%。

⑩、计算比例和积分的参数数值。

在本实施例中，KP=0.0337*+0.00234/0.35-0.0413=0.17，I=0.0304*+0.0273/-0.0918=0.14。

⑪、测试比例和积分参数数值的可行性。

在本实施例中，使用KP=0.17，I=0.14，阶跃变化=4CM，经过测试，控制效果满足要求。十一个步骤的总操作时间为19分钟。

实施例四：上水箱进水呈高流速状态下的人工参数调整。

第一步：给水箱进口电动控制阀的开度设定为35%；

第二步：依次打开上水箱入口手动阀门、上水箱出口手动阀门和水箱进口电动泵；

第三步：水流入上水箱后，手动调整上水箱出口手动阀门的开度，并同时观察上水箱液位，当上水箱液位稳定10CM时，停止调整上水箱出口手动阀门并锁定开度不动，此时的开度为44%；

第四步：在装置控制器上设定比例和积分的参数数值KP=0.50，I=0.32并投入自动运行，并给定一个上水箱液位2CM阶跃变化；

第五步：控制器在上述参数设定下，液位变化呈发散震荡状态，即无法稳定；

第六步：将装置控制器切换为手动运行，并将电动控制阀的开度设定为35%，等待水箱液位重新稳定在10CM；

第七步：在装置控制器上设定比例和积分的参数数值KP=0.35，I=0.25并投入自动运行，并给定一个上水箱液位2CM阶跃变化；

第八步：控制器在上述参数设定下，液位变化呈等幅震荡，即无法稳定；

第九步：将装置控制器切换为手动运行，并将电动控制阀的开度设定为35%，等待水箱液位重新稳定在10CM；

第十步：在装置控制器上设定比例和积分的参数数值KP=0.17，I=0.14并投入自动运行，并给定一个上水箱液位2CM阶跃变化；

第十一步：控制器在上述参数设定下，液位变化呈收敛震荡，并在三个震荡周期后，实现液位稳定。

上述步骤总操作时间为57分钟。

上述四个实施例的对比如下表所示：

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：包括步骤：

①排空上水箱内的水；

②关闭上水箱出口手动阀门；

③打开上水箱进水的电动控制部分；

④打开上水箱入口手动阀门，并开始计时；

⑤记录上水箱液位到达中间液位的时间；

⑥计算上水箱出口阀门的开度V1；

⑦再次排空上水箱内的水；

⑧将上水箱出口手动阀门开度设置为V1；

⑨开始上水箱进水，通过调整水箱进口电动控制阀门开度V2，使上水箱液位稳定在预定值；

⑩计算比例和积分的参数数值。

2.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤①通过关闭水箱进口电动控制阀门、水箱进口电动泵以及上水箱进口手动阀门，并打开上水箱出口阀门来进行上水箱内水排空的操作。

3.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤②完成上水箱内水排空操作后，分别关闭水箱进口电动控制阀门和上水箱出口手动阀门。

4.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤③在进行计时前，分别打开打开水箱进口电动泵和水箱进口电动控制阀门，进一步的，在装置控制器上，将水箱进口电动控制阀门的开度设置为100%。

5.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤④在打开上水箱入口手动阀门的同时开始计时。

6.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑤在上水箱液位达到中间液位时停止计时，获得计时时间T1。

7.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑥使用上水箱液位到达中间液位的时间T1以及计算公式（ V1=-0.02*T1+1.2）计算上水箱出口手动阀的开度V1。

8.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑧按照计算结果设置上水箱出口手动阀的开度为V1，并锁定上水箱出口手动阀的开度V1。

9.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑧在进行水箱进口电动控制阀门开度的人工调整时，上水箱出口手动阀开度处于锁定状态，上水箱入口手动阀和水箱进口电动泵处于开启状态。

10.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：通所述的步骤⑨过观察上水箱液位在预定值的稳定情况，确定水箱进口电动控制阀门开度V2。

11.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑩基于T1和V2两个参数，使用公式（KP=0.0337*+0.00234/V2-0.0413）计算比例KP的参数数值，使用公式（I=0.0304*+0.0273/-0.0918）计算积分I的参数数值。

12.根据权利要求1所述的一种水箱液位控制教学装置操作方法，其特征在于：所述的步骤⑩比例和积分的参数数值完成计算后，在装置上进行验证。

13.一种水箱液位控制教学装置操作方法的应用，其特征在于：应用于水箱液位控制教学装置中。