專利名稱：一種多功能過程控制實驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過程控制系統(tǒng)，特別涉及一種多功能過程控制實驗平臺。
背景技術(shù)：
工業(yè)中過程控制主要涉及溫度、液位、壓力和流量四類被控變量，相應(yīng)的理論和實驗研究對工業(yè)安全有效生產(chǎn)具有極高的應(yīng)用價值，目前，大多數(shù)過程控制平臺被控對象只能完成某一類的控制，例如已有單容水箱溫度控制系統(tǒng)和三容甚至四容水箱液位控制系統(tǒng)，只能進行溫度或者液位等的單獨控制，并不能實現(xiàn)液位、流量、溫度和壓力等典型變量的聯(lián)合控制。而且，大多數(shù)工業(yè)過程的被控對象都是多輸入多輸出系統(tǒng)，它們的一個重要特性是系統(tǒng)中可能存在著變量之間的耦合作用，即當(dāng)系統(tǒng)的一個輸入變量改變時，系統(tǒng)的多個輸出變量甚至所有輸出變量都隨之變化。由于變量之間耦合作用的存在，當(dāng)調(diào)節(jié)某個控制回路的控制器參數(shù)改變該控制回路的輸出時，其他控制回路的輸出量也會隨之改變，而這往往會導(dǎo)致控制系統(tǒng)控制效果變差，甚至導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)失效。針對強耦合系統(tǒng)的解耦控制研究具有廣泛的應(yīng)用前景，然而目前的系統(tǒng)缺乏具有強耦合的被控對象，雖然有的系統(tǒng)實現(xiàn)了液位的狀態(tài)耦合，但是輸入耦合沒有得以體現(xiàn)。此外，溫度和流量以及溫度與液位的耦合控制系統(tǒng)目前的研究還很少，這使廣大研究人員的研究范圍受到極大地約束。變量的檢測與反饋需要相應(yīng)的傳感器進行測量，如何通過有效布局傳感器，利用較少的傳感器反饋足夠的狀態(tài)從而完成復(fù)雜控制方法研究，同樣具有至關(guān)重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有裝置存在的不足，本發(fā)明提供一種多功能過程控制實驗平臺，以實現(xiàn)對液位、流量、溫度和壓力四個指標(biāo)的單獨和聯(lián)合控制的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種多功能過程控制實驗平臺，包括第一水泵、 第二水泵、加熱水箱、散熱器、第一水箱、第二水箱、熱交換器和蓄水箱，所述的第一水泵的輸入端連接所述加熱水箱的輸出端，所述第一水泵的輸出端連接所述散熱器的輸入端和第一水箱的第一輸入端，所述的加熱水箱的輸入端連接所述散熱器的輸出端和所述第一水箱的第一輸出端，所述第一水箱的第二輸出端連接所述蓄水箱的第一輸入端，所述第一水箱的第二輸入端連接所述第二水箱的輸入端和所述第二水泵的輸出端，所述第一水箱的輸入輸出端連接所述第二水箱的輸入輸出端，所述的蓄水箱的第二輸入端連接所述第二水箱的輸出端，所述的蓄水箱的輸出端連接所述第二水泵的輸入端；在所述的熱交換水箱底部設(shè)有第一溫度傳感器；在所述的加熱水箱與所述的第一水箱的連接管路上設(shè)置有第二溫度傳感器；在所述的第一水箱底部設(shè)有第三溫度傳感器； 在所述的第二水泵與第二水箱的連接管路上設(shè)有第四溫度傳感器。在所述的第一水泵與散熱器連接的管路上設(shè)有第一流量傳感器；在所述第一水箱的第二輸入端與第二水箱的輸入端的連接管路上設(shè)有第二流量傳感器；在所述第二水泵與第二水箱的連接管路上設(shè)有第三流量傳感器。
在所述的第一水箱的頂部設(shè)有第一液位傳感器；在所述第二水箱的頂部設(shè)有第二液位傳感器。在所述的第一水箱頂部還設(shè)有壓力傳感器。在所述第一水箱的輸入輸出端與第二水箱的輸入輸出端之間的連接管路上設(shè)有連通閥。在所述的散熱器與第一水泵的連接管路上還設(shè)有第一旁路閥；在所述第一水泵與第一水箱的連接管路上還設(shè)有第二旁路閥；蓄水箱的一側(cè)設(shè)有第三旁路閥。在所述第一水箱的第二輸出端與所述蓄水箱的第一輸入端的連接管路上設(shè)有第一泄水閥，在所述蓄水箱與所述第二水箱的連接管路上設(shè)有第二泄水閥。在所述的第二水箱的頂端還設(shè)有第二進水閥。在所述的第一水箱頂部設(shè)有第一泄氣閥，在所述的第二水箱的頂部設(shè)有第二泄氣閥。使用本發(fā)明的過程控制實驗平臺，根據(jù)測量量標(biāo)的的不同，通過開通和關(guān)斷相應(yīng)的閥門實現(xiàn)溫度、流量、壓力、液位的測量。本發(fā)明優(yōu)點該多功能過程控制平臺的控制回路既可以單獨使用，也可以配合使用，可實現(xiàn)對液位、流量、溫度和壓力四個指標(biāo)的單獨和聯(lián)合控制，既可以做單變量實驗，也可以做多變量實驗；既可以做模糊控制，故障診斷，容錯控制，也可以做雙入雙出的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制等等。


圖1為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺溫度測量第一種運行方式示意圖；圖3為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺溫度測量第二種運行方式示意圖；圖4為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺溫度測量第三種運行方式示意圖；圖5為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺液位測量回路第一種運行方式示意圖；圖6為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺液位測量回路第二種運行方式示意圖；圖7為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺液位測量回路第三種運行方式示意圖；圖8為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺雙容水箱PI控制過程原理圖；圖9為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺常規(guī)PI控制下1號水箱液位曲線圖；圖10為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺常規(guī)PI控制下2號水箱液位曲線圖；圖11為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺非線性解耦法1號水箱液位曲線圖；圖12為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺非線性解耦法2號水箱液位曲線圖；圖13為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺單容水箱溫度測量曲線圖；圖14為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺熱交換回路測得的溫度曲線；
圖15為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺單容水箱液位測量曲線圖；圖16為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺密封水箱壓力控制回路壓力測量曲線圖；圖17為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺單閉環(huán)控制回路流量測量曲線圖；圖18為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺流量比值控制回路1號流量傳感器測得的流量測量曲線圖；圖19為本發(fā)明一種多功能過程控制實驗平臺流量比值控制回路3號流量傳感器測得的流量測量曲線圖；圖中，1、2號溫度傳感器；2、加熱水箱；3、1號液位開關(guān)；4、溫度開關(guān)；5、加熱器； 6、1號溫度傳感器；7、1號旁路閥；8、1號流量傳感器；9、1號水泵；10、1號排水閥；11、散熱器；12、2號旁路閥；13、1號水箱；14、1號液位傳感器；15、1號泄氣閥；16、壓力傳感器；17、 2號流量傳感器；18、比例閥門；19、2號泄氣閥；20、2號液位傳感器；21、2號進水閥；22、熱交換器；23、2號水箱；24、3號流量傳感器；25、1號泄水閥；26、連通閥；27、2號泄水閥；28、 4號溫度傳感器；29、3號旁路閥；30、2號液位開關(guān)；31、2號水泵；32、蓄水箱；33、2號排水閥；34、攪拌電機；35、3號溫度傳感器；36、控制第一水箱液位的PI控制器；37、控制第二水箱液位的PI控制器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，一種多功能過程控制實驗平臺，實現(xiàn)溫度控制、液位控制、壓力控制和流量控制，其結(jié)構(gòu)如下加熱水箱2內(nèi)部設(shè)有加熱器5，加熱水箱2的一側(cè)設(shè)有1號液位開關(guān)3，加熱水箱2的另一側(cè)設(shè)有溫度開關(guān)4，加熱水箱2的下端設(shè)有1號溫度傳感器6，加熱水箱2下端的輸出端連接1號水泵9的輸入端，在加熱水箱2與1號水泵9 的連接管道上設(shè)置有1號排水閥10，加熱水箱2另一側(cè)的輸入端連接2號溫度傳感器1的第一輸入端，2號溫度傳感器1的第二輸入端連接散熱器11的輸出端，2號溫度傳感器1的第三輸入端連接1號水箱13的第一輸出端，1號水泵9的輸出端連接1號流量傳感器8的一端，1號流量傳感器8的另一端輸出兩條支路，第一支路連接散熱器11的輸入端，在第一支路上設(shè)置有1號旁路閥7，第二支路連接1號水箱13的第一輸入端，在第二支路上設(shè)置有 2號旁路閥12，1號水箱13內(nèi)設(shè)有熱交換器22，熱交換器22的輸入端連接1號水箱13的第一輸入端，熱交換器22的輸出端連接1號水箱13的第一輸出端，1號水箱13的輸入輸出端還連接2號水箱23的輸入輸出端，且在1號水箱13與2號水箱23的連接管路上設(shè)置有連通閥26，1號水箱13的上端設(shè)有1號液位傳感器14、1號泄氣閥15及壓力傳感器16， 1號水箱13的下端設(shè)有3號溫度傳感器35及攪拌電機34，1號水箱13的第二輸出端連接蓄水箱32的第一輸入端，蓄水箱32的第二輸入端連接2號水箱23的輸出端，在蓄水箱32 與1號水箱13之間的連接管路上設(shè)有1號泄水閥25，在蓄水箱32與2號水箱23之間的連接管路上設(shè)有2號泄水閥27，在蓄水箱32的一側(cè)設(shè)有2號液位開關(guān)30，2號水箱23的上端設(shè)有2號泄氣閥19、2號液位傳感器20、2號進水閥21，蓄水箱32的輸出端連接2號水泵31，在蓄水箱32與2號水泵31的連接管路上設(shè)置有2號排水閥33，蓄水箱32的一側(cè)連接3號旁路閥四，3號旁路閥四的輸出端有兩條支路，第一支路連接2號水泵31的輸出端，第二支路連接4號溫度傳感器觀的一端，4號溫度傳感器觀的另一端連接3號流量傳感器M的一端，3號流量傳感器M的另一端分2條支路，第一支路連接2號進水閥21的一端，第二支路連接比例閥門18的一端，比例閥門18的另一端連接2號流量傳感器17的一端，2號流量傳感器17的另一端連接1號水箱的第二輸入端；溫度控制，指分別用1號溫度傳感器、2號溫度傳感器、3號溫度傳感器和4號溫度傳感器測量溫度，包括3種連接方式下的溫度測量第一種連接方式由加熱水箱2和1號溫度傳感器6組成，1號水泵驅(qū)動水流進入加熱水箱2，1號溫度傳感器測量加熱水箱內(nèi)水的溫度，如果高于給定值，將報警；第二種連接方式由1號水泵9、加熱水箱2、熱交換器22及2號傳感器組成加熱水回路，此時，1號旁路閥7斷開，2號旁路閥12閉合，1號水泵9驅(qū)動水流在管道內(nèi)循環(huán)，由 1號水泵9驅(qū)動的水流，經(jīng)熱交換器22后進入加熱水箱2，利用2號溫度傳感器檢測管道內(nèi)溫度，如果高于給定值，可以利用冷卻水回路進行降溫，冷卻水回路由1號水泵9、加熱水箱 2、2號溫度傳感器6及散熱器11組成，此時，1號旁路閥7閉合，2號旁路閥12斷開，冷卻水回路利用散熱器11，使加熱水箱2內(nèi)的溫度在短時間內(nèi)迅速冷卻；第三種連接方式由1號水泵9、加熱水箱2、熱交換器22、2號水泵31、4號溫度傳感器觀、3號流量傳感器24、比例閥門18、1號水箱13、3號溫度傳感器35、1號泄水閥25 和蓄水箱32組成熱交換回路，其中，利用2號水泵31驅(qū)動水從蓄水箱32經(jīng)3號流量傳感器M和比例閥門18流入1號水箱13，并通過1號泄水閥25流回蓄水箱32形成常溫水流回路。同時1號水泵9驅(qū)動水留在熱交換器22與加熱水箱2組成的回路中流動，當(dāng)水流經(jīng)過1號水箱，1號水箱中的常溫水與熱交換器22中的熱水進行熱交換，攪拌電機34開啟后勻速旋轉(zhuǎn)，從而加速1號水箱中內(nèi)的熱交換過程，3號溫度傳感器35采用熱電阻型溫度傳感器，它根據(jù)檢測到的溫度，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓進行反饋；所述的液位控制，指利用1號液位傳感器14及2號液位傳感器20測量液位，包括 3中連接方式下的液位測量第一種連接方式由蓄水箱32、2號水泵31、3號流量傳感器M、2號進水閥21、2 號液位傳感器20、2號水箱23及2號泄水閥27組成單容水箱液位控制回路，2號進水閥21 及2號泄水閥27處于閉合狀態(tài)，比例閥門18、連通閥沈及3號旁路閥四處于關(guān)斷狀態(tài)，2 號液位傳感器20用來測量2號水箱23內(nèi)的液位；第二種連接方式由蓄水箱32、2號水泵31、3號流量傳感器24、比例閥門18、2號流量傳感器17、1號液位傳感器14、1號水箱13及1號泄水閥25組成雙容水箱液位控制回路，比例閥門18、1號泄水閥25處于閉合狀態(tài)，3號旁路閥四、2號進水閥21及連通閥處于斷開狀態(tài)，1號液位傳感器14用來測量1號水箱13內(nèi)的液位；第三種連接方式蓄水箱32、2號水泵31、3號流量傳感器M、2號進水閥21、2號液位傳感器20、2號水箱23、2號泄水閥27、比例閥門18、第2號流量傳感器17、1號液位傳感器14、1號水箱13及1號泄水閥25組成雙容水箱液位控制回路，2號進水閥21、2號泄水閥27、比例閥門18及1號泄水閥25均處于閉合狀態(tài)，3號旁路閥四處于斷開狀態(tài)，1號液位傳感器14及2號液位傳感器20用來測量1號水箱13及2號水箱23內(nèi)的液位；壓力控制，在常溫水回路中進行，密封水箱壓力控制回路由2號水泵31、3號流量傳感器24、比例閥門18、2號流量傳感器17、壓力傳感器16、1號水箱13及蓄水箱32組成，當(dāng)1號泄氣閥15及1號泄水閥25同時關(guān)閉，形成密封水箱，壓力傳感器16以電壓形式反饋封閉水箱的壓力；流量控制，包括兩種流量控制回路單閉環(huán)回路和流量比值控制回路，單閉環(huán)回路有五種連接方式第一種連接方式由1號水泵9、1號流量傳感器8、2號旁路閥12、熱交換器22及加熱水箱2組成，2號旁路閥12處于閉合狀態(tài)，1號旁路閥7處于斷開狀態(tài)；第二種連接方式由1號水泵9、1號流量傳感器8、1號旁路閥7、散熱器11及加熱水箱2組成，1號旁路閥7處于閉合狀態(tài)，2號旁路閥12處于斷開狀態(tài)；第三種連接方式由2號水泵31、3號流量傳感器M、2號進水閥21、2號水箱23、 2號泄水閥27及蓄水箱32組成，2號進水閥21、2號泄水閥27處于閉合狀態(tài)，比例閥門18 及連通閥均處于斷開狀態(tài)；第四種連接方式由2號水泵31、3號流量傳感器24、比例閥門18、第2號流量傳感器17、1號水箱13、1號泄水閥25及蓄水箱32組成，比例閥門18及1號泄水閥25均處于閉合狀態(tài)，2號進水閥21、連通閥沈均處于斷開狀態(tài)；第五種連接方式由2號水泵31、3號流量傳感器M、2號進水閥21、2號水箱23、 比例閥門18、第2號流量傳感器17、1號水箱13、連通閥沈、1號泄水閥25及蓄水箱32組成，2號進水閥21、比例閥門18、連通閥沈、1號泄水閥25均處于閉合狀態(tài)；所述的流量比值控制回路，包括兩種連接方式第一種連接方式由1號水泵9、1號流量傳感器8、2號旁路閥12、熱交換器22、加熱水箱2、2號水泵31、3號流量傳感器24、比例閥門18、2號流量傳感器17、2號進水閥21、 1號水箱13、1號泄水閥25及蓄水箱32組成，所述2號旁路閥12處于閉合狀態(tài)，1號旁路閥1、2號進水閥21和連通閥沈處于斷開狀態(tài)；第二種連接方式由1號水泵9、1號流量傳感器8、2號旁路閥12、熱交換器22、加熱水箱2、2號水泵31、3號流量傳感器M、2號進水閥21、2號水箱23、2號泄水閥19及蓄水箱32組成，所述2號旁路閥12處于閉合狀態(tài)，1號旁路閥7和連通閥沈處于斷開狀態(tài)。實施例1 解耦控制，方法如下常溫水流回路中的雙容水箱液位控制系統(tǒng)不僅具有狀態(tài)耦合，而且具有輸入耦合，本實施例以雙容水箱液位系統(tǒng)為例，說明本平臺具有良好的解耦能力。圖8可知，當(dāng)雙容水箱間的連通閥開啟時，1號水箱和2號水箱的液位會通過壓力差產(chǎn)生相互影響，從而具有液位耦合關(guān)系；因為在雙容水箱液位系統(tǒng)中，總?cè)胨髁縼碜? 號水泵從蓄水箱抽出的水，所以通過調(diào)節(jié)比例閥門不僅直接影響1號水箱的入水流量，同時會間接影響2號水箱入水流量從而具有輸入耦合，雙容水箱液位系統(tǒng)中這兩種耦合關(guān)系的存在，增強了被控對象的復(fù)雜性。本實施例中，采用本平臺的雙容水箱液位控制系統(tǒng)，設(shè)計雙容水箱控制器，說明如何實現(xiàn)解耦的過程。所述的雙容水箱控制器，其系統(tǒng)輸入為2號水泵和比例閥門PWM占空比，系統(tǒng)輸出為1號水箱和2號水箱液位，公式如下
權(quán)利要求
1.一種多功能過程控制實驗平臺，其特征在于包括第一水泵、第二水泵、加熱水箱、 散熱器、第一水箱、第二水箱、熱交換器和蓄水箱，所述的第一水泵的輸入端連接所述加熱水箱的輸出端，所述第一水泵的輸出端連接所述散熱器的輸入端和第一水箱的第一輸入端，所述的加熱水箱的輸入端連接所述散熱器的輸出端和所述第一水箱的第一輸出端，所述第一水箱的第二輸出端連接所述蓄水箱的第一輸入端，所述第一水箱的第二輸入端連接所述第二水箱的輸入端和所述第二水泵的輸出端，所述第一水箱的輸入輸出端連接所述第二水箱的輸入輸出端，所述的蓄水箱的第二輸入端連接所述第二水箱的輸出端，所述的蓄水箱的輸出端連接所述第二水泵的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制平臺，其特征在于在所述的熱交換水箱底部設(shè)有第一溫度傳感器；在所述的加熱水箱與所述的第一水箱的連接管路上設(shè)置有第二溫度傳感器；在所述的第一水箱底部設(shè)有第三溫度傳感器；在所述的第二水泵與第二水箱的連接管路上設(shè)有第四溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的第一水泵與散熱器連接的管路上設(shè)有第一流量傳感器；在所述第一水箱的第二輸入端與第二水箱的輸入端的連接管路上設(shè)有第二流量傳感器；在所述第二水泵與第二水箱的連接管路上設(shè)有第三流量傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的第一水箱的頂部設(shè)有第一液位傳感器；在所述第二水箱的頂部設(shè)有第二液位傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的第一水箱頂部還設(shè)有壓力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述第一水箱的輸入輸出端與第二水箱的輸入輸出端之間的連接管路上設(shè)有連通閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的散熱器與第一水泵的連接管路上還設(shè)有第一旁路閥；在所述第一水泵與第一水箱的連接管路上還設(shè)有第二旁路閥；蓄水箱的一側(cè)設(shè)有第三旁路閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述第一水箱的第二輸出端與所述蓄水箱的第一輸入端的連接管路上設(shè)有第一泄水閥，在所述蓄水箱與所述第二水箱的連接管路上設(shè)有第二泄水閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的第二水箱的頂端還設(shè)有第二進水閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能過程控制實驗平臺，其特征在于在所述的第一水箱頂部設(shè)有第一泄氣閥，在所述的第二水箱的頂部設(shè)有第二泄氣閥。
全文摘要
一種多功能過程控制實驗平臺，涉及一種過程控制系統(tǒng)，本發(fā)明的多功能過程控制實驗平臺的控制回路既可以單獨使用，也可以配合使用，可實現(xiàn)對液位、流量、溫度和壓力四個指標(biāo)的單獨和聯(lián)合控制，既可以做單變量實驗，也可以做多變量實驗；既可以做模糊控制，故障診斷，容錯控制，也可以做多變量非線性解耦控制。
文檔編號G05D27/02GK102314186SQ201110286749
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者侯俊, 宋君男, 王宏, 王良勇, 遲瑛 申請人:東北大學(xué), 寧波東大自動化智能技術(shù)有限公司