[发明专利]无模型自适应控制水箱液位控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及液位控制系统领域,尤其是无模型自适应控制水箱液位控制系统。

背景技术

随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题，例如居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。

无模型自适应控制(MFAC)是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复杂回路控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。无模型自适应控制技术的关键可以归结为：

1)所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是以采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段。

2)通过无事先训练的快速强制学习等方式，使无模型控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策，从而获得理想的调节控制结果。

目前，此类无模型自适应控制方法己经在铸模、电机、化工、温度、压力等领域、城市快速路交通控制和工程结构减震、板材成形中得到成功的应用。但应用于具有大惯性、大时滞和非线性较明显的三容水箱系统的研究还停留在仿真研究阶段。

因此，对于上述问题有必要提出无模型自适应控制水箱液位控制系统。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供通用性强，控制效果显著的无模型自适应控制水箱液位控制系统。

无模型自适应控制水箱液位控制系统，包括三容水箱主体、电控箱和控制平台，所述三容水箱主体内设置有液位变送器和三相无刷直流水泵，所述电控箱内设置SIEMENS S7 1200 PLC和数据采集卡，所述控制平台设置有上位计算机，所述液位变送器、三相无刷直流水泵与数据采集卡连接，数据采集卡与SIEMENS S7-1200 PLC连接，所述上位计算机与SIEMENS S7 1200 PLC连接，所述液位变送器包括液位传感器检测原件和信号转换电路。

优选地，所述上位计算机采用组态编写控制界面和数据链接程序，用于实现液位监控和初始控制参数的设定。

优选地，所述三容水箱主体的控制算法步骤为:

(1)首先设置Tank(T1)、Tank(T2)、Tank(T3)分别为三容水箱主体中的玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3；

(2)用CV1、CV2、CV3描述各个玻璃容器之间的连接阀门开关，其中连接阀门开关CV3为进水阀；

(3)用LV1、LV2、LV3描述各个玻璃容器的排水阀，假设三个玻璃容器的横截面积均为s，通过手动调节排水阀控制排水的流量大小，在排水阀下安装回收水槽以供水泵使用；

(4)用T₁和T₃分别描述利用水泵抽取的水流入的水容器；

(5)分别在玻璃容器1、玻璃容器2和玻璃容器3中安装液位传感器检测原件，能够有效的测量出液位的高度；

(6)液位数据采集后通过PLC的A/D转换模块送入PLC，上位控制计算机通过与PLC通信获得数据进行显示，控制算法在PLC里面运行；

(7)通过算法控制PLC PWM脉冲的宽度，进而控制直流水泵的速度，实现进水流量的有效控制。

优选地，进一步对三容水箱主体的液位控制系统建立数学模型，首先打开三容水箱主体的连接阀门开关CV1和CV2以及玻璃容器的排水阀LV3，其余阀门处于关闭状态，以进水流量为系统输入，以水容器T₃的液位高度为系统输出，通过水泵的速度从而控制三容水箱的进水流量。

优选地，进一步的将三容水箱主体的液位控制系统构成一个封闭的回路，设置h_i为液位高度，且i＝1,2,3,...，根据流量平衡原理能够得到下述计算公式：

将公式(1)-(3)进行优化训练，设置A为各个水箱的有效横截面积，能够得到下述液位高度h计算公式为：