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摘要 分析北京航空航天大学工程训练中存在的问题，为了解决这些问题，提高工程训练质量，设计液体循环控制系统，介绍系统的设计思想、物理模型和应用。液体循环控制系统实训装置可以培训学生的工程设计能力、动手能力、创新能力及解决工程实际问题的能力。
关键词 液体循环系统；数学模型；物理模型
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）08-0034 02
1 前言
工程训练是高等教育为适应创新人才培养的需要而建立的一个面向各高校全校学生的工程基本技能训练。多年来，随着科学技术的快速发展，工程训练的内涵也在不断地扩展和深入，现今工程技术应用训练一般指机、电、控等三方面的工程训练及其综合训练。控制技术工程训练是工程训练的重要组成部分，近年来在控制技术训练中发现学生对开环或闭环控制系统的理解和认识程度存在差异，开环的理解认同度很高，闭环系统却成为学生学习的瓶颈。针对这样的问题，几经讨论，最终决定以液位的变化测量以及对液位的控制为重点作为突破口，制订“研制液位循环控制系统”建设计划。
建设计划的特点：1）液位变化的可视性强；2）液位的闭环控制便于学生理解（控制算法）；3）训练全面。因此，液位控制工程训练对学生建立控制思想的概念、提高解决工程实际问题的能力、提高控制技术工程训练的教学质量都具有重要意义。
2 液位循环控制系统设计方案
水塔水位两箱系统存在的问题 在以往教学中采用水塔水位两箱系统。该系统存在的问题：系统由两个水箱构成，即水塔箱和蓄水箱。实现水塔的水位控制保持在上下两个浮子之间，且蓄水箱水位也要控制在两个浮子之间，蓄水箱为了蓄水需要接水管和电动阀门，而水塔箱上需要有流水口和阀门，并在流水口处连接水管，水管下面放置一个接水桶，装接水塔流出的水。整个过程以教师为主进行操作。现在提出要由学生操作完成控制过程，显然是不可行的。因此，提出设计一个循环系统，在原有基础上再加一个水箱，称为多用水箱。它的作用：一方面作为用户水箱，装接水塔流出的水；另一面当蓄水箱水位下降到下浮子的位置时，多用水箱可为蓄水箱供水。这就建立了水塔水位循环系统即液体循环控制系统，解决了上述问题。
液体循环控制系统设计的数学模型 液位循环控制系统是控制技术工程训练教学系统最重要的组成部分，其系统示意图如图1所示。它由四部分组成：PC机、可编程控制器（以下简称PLC）、A/D转换模块、液体循环系统。
把三个水箱分别称为水塔箱、蓄水箱和多用水箱。要实现液体的循环流动，三个水箱的水容量以及水泵、电磁阀和多用水箱的水流量必须满足如下关系。
1）多用水箱大于水塔箱和蓄水箱的水容量。采用的是三个体积相同的长方体箱，装入的水满足上述关系即可。
2）在水泵和电磁阀同时工作时，为使蓄水箱不至于耗干，需满足电磁阀的水流量大于泵的水流量的要求。
3）在水泵工作阶段，为使水塔箱水位上升正常，需满足流量要求：泵水流量大于多用水箱水流量。
4）为保证水塔箱、多用水箱及蓄水箱之间水流顺利流动，其间的相对高度需满足要求：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进水口。
液体循环系统物理模型的建立 物理模型是建立在数学模型基础上的，在实际制作过程中，经过不断地调试改进，最终选择了三个同体积同形状的玻璃缸作为水塔箱、蓄水箱和多用水箱。实物图如图2所示。
该系统由三个水箱构成。其中，两个称为水塔箱和蓄水箱，各安装四个浮子监控水塔箱和蓄水箱水位的动态变化；另一个是多用水箱，可以模拟用户用水箱，承接水塔流出的水，也可以为蓄水箱蓄水。通过多用水箱使整个装置形成液体自动循环系统。
3 液位循环控制系统的应用
为了使学生了解控制思想，理解控制系统的组成，建立开环与闭环的概念，搭建两套实际系统，即基本控制系统和闭环控制系统，从易到难可做多个实验。
基本控制系统 基本控制系统硬件：计算机1台，西门子S7-200PLC 1台，玻璃缸2个，浮子8个，手控阀1个，交流水泵1个，电磁阀1个。
技术要求：以浮子作为液位传感器，通过PLC控制水塔箱和蓄水箱水位保持在上下两端浮子之间；当转动手控阀时，水塔箱和蓄水箱水位仍然保持在上下两端浮子之间，监控水塔箱和蓄水。
实训任务：1）学生根据技术要求编写PLC控制软件；2）学生在教师指导下自主学习组态软件MCGS，编写监控软件。
闭环控制系统
闭环系统的硬件：在基本控制系统基础上，增加1个A/D转换模块、1个压力变送器、1个直流水泵、1块控制驱动电路板。系统结构并不改变：1）把压力变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转换模块插头插在CPU224插槽中即可。这样就搭建了一个闭环控制系统。
技术要求：学生应用这个系统进行工程训练，实现城市供水模拟系统的控制与监控。
实训任务：编写PLC控制软件、MCGS组态监控软件。
图3是学生编写的闭环控制系统组态软件监控界面。通过动态画面，能够观察到水位的控制状态，使学生不仅更好地理解什么是闭环控制系统，而且掌握了编写组态监控软件的方法，提高学生工程实践能力和创造性解决问题的能力。
4 结语
经过一年应用实践，系统运行安全可靠，学生使用方便，易于操作，可视性好，易于理解。后需改进：1）实训操作面板需重新规划，使其更合理，便于操作；2）液体循环系统、实训板和PLC相对位置重新布局，更趋于合理；3）在此基础上进行改进，能够实现双容水箱液位系统，研究二阶系统的特性和控制，达到可作为研究型平台应用。
关键词 液体循环系统；数学模型；物理模型
中图分类号：G642 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）08-0034 02
1 前言
工程训练是高等教育为适应创新人才培养的需要而建立的一个面向各高校全校学生的工程基本技能训练。多年来，随着科学技术的快速发展，工程训练的内涵也在不断地扩展和深入，现今工程技术应用训练一般指机、电、控等三方面的工程训练及其综合训练。控制技术工程训练是工程训练的重要组成部分，近年来在控制技术训练中发现学生对开环或闭环控制系统的理解和认识程度存在差异，开环的理解认同度很高，闭环系统却成为学生学习的瓶颈。针对这样的问题，几经讨论，最终决定以液位的变化测量以及对液位的控制为重点作为突破口，制订“研制液位循环控制系统”建设计划。
建设计划的特点：1）液位变化的可视性强；2）液位的闭环控制便于学生理解（控制算法）；3）训练全面。因此，液位控制工程训练对学生建立控制思想的概念、提高解决工程实际问题的能力、提高控制技术工程训练的教学质量都具有重要意义。
2 液位循环控制系统设计方案
水塔水位两箱系统存在的问题 在以往教学中采用水塔水位两箱系统。该系统存在的问题：系统由两个水箱构成，即水塔箱和蓄水箱。实现水塔的水位控制保持在上下两个浮子之间，且蓄水箱水位也要控制在两个浮子之间，蓄水箱为了蓄水需要接水管和电动阀门，而水塔箱上需要有流水口和阀门，并在流水口处连接水管，水管下面放置一个接水桶，装接水塔流出的水。整个过程以教师为主进行操作。现在提出要由学生操作完成控制过程，显然是不可行的。因此，提出设计一个循环系统，在原有基础上再加一个水箱，称为多用水箱。它的作用：一方面作为用户水箱，装接水塔流出的水；另一面当蓄水箱水位下降到下浮子的位置时，多用水箱可为蓄水箱供水。这就建立了水塔水位循环系统即液体循环控制系统，解决了上述问题。
液体循环控制系统设计的数学模型 液位循环控制系统是控制技术工程训练教学系统最重要的组成部分，其系统示意图如图1所示。它由四部分组成：PC机、可编程控制器（以下简称PLC）、A/D转换模块、液体循环系统。
把三个水箱分别称为水塔箱、蓄水箱和多用水箱。要实现液体的循环流动，三个水箱的水容量以及水泵、电磁阀和多用水箱的水流量必须满足如下关系。
1）多用水箱大于水塔箱和蓄水箱的水容量。采用的是三个体积相同的长方体箱，装入的水满足上述关系即可。
2）在水泵和电磁阀同时工作时，为使蓄水箱不至于耗干，需满足电磁阀的水流量大于泵的水流量的要求。
3）在水泵工作阶段，为使水塔箱水位上升正常，需满足流量要求：泵水流量大于多用水箱水流量。
4）为保证水塔箱、多用水箱及蓄水箱之间水流顺利流动，其间的相对高度需满足要求：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进水口。
液体循环系统物理模型的建立 物理模型是建立在数学模型基础上的，在实际制作过程中，经过不断地调试改进，最终选择了三个同体积同形状的玻璃缸作为水塔箱、蓄水箱和多用水箱。实物图如图2所示。
该系统由三个水箱构成。其中，两个称为水塔箱和蓄水箱，各安装四个浮子监控水塔箱和蓄水箱水位的动态变化；另一个是多用水箱，可以模拟用户用水箱，承接水塔流出的水，也可以为蓄水箱蓄水。通过多用水箱使整个装置形成液体自动循环系统。
3 液位循环控制系统的应用
为了使学生了解控制思想，理解控制系统的组成，建立开环与闭环的概念，搭建两套实际系统，即基本控制系统和闭环控制系统，从易到难可做多个实验。
基本控制系统 基本控制系统硬件：计算机1台，西门子S7-200PLC 1台，玻璃缸2个，浮子8个，手控阀1个，交流水泵1个，电磁阀1个。
技术要求：以浮子作为液位传感器，通过PLC控制水塔箱和蓄水箱水位保持在上下两端浮子之间；当转动手控阀时，水塔箱和蓄水箱水位仍然保持在上下两端浮子之间，监控水塔箱和蓄水。
实训任务：1）学生根据技术要求编写PLC控制软件；2）学生在教师指导下自主学习组态软件MCGS，编写监控软件。
闭环控制系统
闭环系统的硬件：在基本控制系统基础上，增加1个A/D转换模块、1个压力变送器、1个直流水泵、1块控制驱动电路板。系统结构并不改变：1）把压力变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转换模块插头插在CPU224插槽中即可。这样就搭建了一个闭环控制系统。
技术要求：学生应用这个系统进行工程训练，实现城市供水模拟系统的控制与监控。
实训任务：编写PLC控制软件、MCGS组态监控软件。
图3是学生编写的闭环控制系统组态软件监控界面。通过动态画面，能够观察到水位的控制状态，使学生不仅更好地理解什么是闭环控制系统，而且掌握了编写组态监控软件的方法，提高学生工程实践能力和创造性解决问题的能力。
4 结语
经过一年应用实践，系统运行安全可靠，学生使用方便，易于操作，可视性好，易于理解。后需改进：1）实训操作面板需重新规划，使其更合理，便于操作；2）液体循环系统、实训板和PLC相对位置重新布局，更趋于合理；3）在此基础上进行改进，能够实现双容水箱液位系统，研究二阶系统的特性和控制，达到可作为研究型平台应用。