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Shenzhen Jiwei Automations Ltd.
深圳计为自动化技术有限公司
前言
在工业自动化领域，精确的液位控制对于保障生产流程的稳定性和效率至关重要。
双容水箱液位串级控制系统正是为了满足这一需求而设计，双容量水箱液位控制作为过程控制的典型代表，是一种常见的自动化控制系统，用于控制两个水箱的液位，实现液位的稳定和控制，广泛应用于工业生产的各个领域。
它在石油、化工、环保、水处理和冶金等多个行业发挥着重要作用。小编将详细讲述双容水箱液位串级控制系统的设计原理、建模方法、控制策略以及仿真分析。
一、系统介绍
液位控制是过程控制系统中的核心环节，特别是在液体原料、半成品或成品的存储和处理过程中。可靠的液位测量和控制不仅确保了物料的平衡输入输出，而且对于维护生产过程的连续性和稳定性至关重要。
在双容水箱液位串级控制系统中，采用串级PID控制方法，并结合智能调节仪表、数据采集模块和计算机控制技术，以实现对液位的精确控制。这一系统设计的目标是使系统具有良好的静态性能和改善的动态性能。
二、液位计的应用
液位计是液位控制系统中的关键组件，它负责实时监测液体的高度。根据工作原理，液位计可以分为多种类型，包括磁翻板液位计、浮球液位计、音叉液位开关、雷达液位计和超声波液位计等。
1.磁翻板液位计：基于连通器原理和磁性耦合作用，通过浮子内的永久磁钢传递到磁翻柱指示面板，实现液位显示 。
2.浮球液位计：基于阿基米德原理，浮球位置的变化引起电流的变化，反映容器内液位的情况。
3.音叉液位开关：基于音叉的振动由内置振荡器产生的电信号驱动，这些电信号经过放大和处理后，转换成音叉的机械振动，振动频率或振幅发生变化，这种变化被内部传感器捕捉并转换为电信号，从而实现液位的检测。
4.雷达液位计：基于时间行程原理，探头发出的雷达波遇到物料表面时反射回来，将距离信号转化为物位信号。
5.超声波液位计：基于声波的传播和反射，由超声波换能器（探头）发出的高频脉冲声波在遇到被测介质（如液面）表面时被反射回来，反射回波被同一换能器接收并转换成电信号。
三、被控对象建模
控制系统设计的第一步是针对被控过程中的合适对象建立被控对象的数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。对于双容水箱液位串级控制系统，我们需要建立上水箱和下水箱的数学模型，以分析系统的稳态性能和动态特性。这些模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标和整定调节器参数的基础。
四、阶跃响应曲线法建立模型
我们通过实验建模的方法，测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小，改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，并记录阶跃响应曲线。
在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号:(1)通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。(2)通过在监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度，控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。
五、被控对象的仿真
在仿真阶段，我们采用副调节器P控制和主调节器PI控制的策略。副调节器采用P控制，正作用，而主调节器采用PI控制，反作用。这种控制策略有助于提高系统的响应速度和稳定性。
双容水箱液位串级控制系统的设计是一个综合性的工程项目，它涉及到控制理论、数学建模、实验测试和计算机仿真等多个领域。通过精确的建模和控制，该系统能够确保液位的稳定控制，从而提高生产效率和产品质量。随着工业自动化技术的不断发展，这种系统的设计和应用将越来越广泛。液位计作为系统的重要组成部分，其精确性和可靠性对于整个控制系统的性能至关重要。
文字丨袁工
图片来源丨华仔，小凯，MJ
封面丨云峰
封面审核丨栗子
文章审核 |黄工、盛工
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