液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐麗，馬成玲，劉帥，羅俊堯

（鄭州市自來(lái)水總公司, 河南，鄭州 450000）

0 引言

在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，溫度、液位、壓力、流量等模擬量的控制常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镻ID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型而且它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1]，所以模擬量的PID調(diào)節(jié)是常見的一種閉環(huán)控制方式，工程上易于實(shí)現(xiàn)。積分作用能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，微分作用有助于減小超調(diào)，克服震蕩，改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行微分，能感覺出誤差的變化趨勢(shì)。比例環(huán)節(jié)及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢(shì)變化。

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，考慮到電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速和制動(dòng)的特性，決定采用采用LG公司的IP5A變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)節(jié)控制[2]。

1 本系統(tǒng)的性能要求

系統(tǒng)要求用戶能夠方便操作，能夠遠(yuǎn)程控制變頻器的啟動(dòng)、停止和頻率調(diào)節(jié)，用戶可自行設(shè)置水位的高低，以控制變頻器的起停，變頻器及其他設(shè)備的故障信息能夠及時(shí)反映在遠(yuǎn)程PLC上。要求用戶能夠直觀了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)及水位的變化。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 PID控制

圖1是控制系統(tǒng)的方框圖，使用S7-200PLC對(duì)水位進(jìn)行PID控制。圖中的虛線部分由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。液位傳感器將被控量實(shí)際值c(t)測(cè)量轉(zhuǎn)換為1~5V電壓信號(hào)或4~20mA電流信號(hào)，該模擬信號(hào)接至PLC的A/D模塊，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)用戶編寫的PID控制程序，將測(cè)量值與給定值sp（t）比較，通過(guò)2者的偏差e(t)進(jìn)行PID算法的運(yùn)算得到輸出操作信號(hào)，經(jīng)PLC的D/A模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)(1~5V電壓信號(hào)或4~20mA電流信號(hào))M(t)用來(lái)控制變頻器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而控制水的流量，從而最后保持水位一定的值[1]。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

2.2 PID控制器的算法原理

PID控制器的輸入輸出的關(guān)系式為[1,3]：

其中e(t)=sp(t)-pv(t)是誤差，sp(t)是給定值，pv(t)是過(guò)程變量（反饋量），c(t)是系統(tǒng)的輸出量。M(t)是控制器的輸出inital是回路輸出的初始值，Kc是PID回路增益，TI和TD分別是積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。本系統(tǒng)中的回路增益、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算初步確定。但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制的效果。（1）式中前一部分起比例作用，中間部分起積分作用，后面一部分起微分作用。根據(jù)應(yīng)用不同，可以組成P、PI和PD控制器。

如果設(shè)置采樣周期T，可以將（1）式離散化，第n次采樣時(shí)的控制器輸出為：

式（2）即是離散化的PID控制算法表達(dá)式，圖1的PID控制塊就是實(shí)現(xiàn)了該式的算法。

本系統(tǒng)采用S7-200PLC，利用STEP7-MicroWIN中的PID指令實(shí)現(xiàn)PID控制器的功能實(shí)現(xiàn)。如圖2即是PID指令。其中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號(hào)（0-7）[4]。

圖2 PID 指令

假設(shè)設(shè)定水池的液位為水池高度的75%（15cm），回路增益為1.5，回路采樣時(shí)間為2s，積分時(shí)間為30min，微分時(shí)間為0，等到P、I參數(shù)調(diào)好再設(shè)置D參數(shù)，則相關(guān)程序如下：

3 系統(tǒng)的硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)的核心是西門子可編程控制器（PLC）S7-200和LG公司的IP5A變頻器，最后采用VB實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的監(jiān)控與測(cè)試，并形成良好的人機(jī)界面。VB與PLC通過(guò)RS232和RS485通訊轉(zhuǎn)換線連接。上位機(jī)將人的操作動(dòng)作通過(guò)系統(tǒng)軟件輸出到下位機(jī)，下位機(jī)在接收到控制信號(hào)開始動(dòng)作。被控對(duì)象是儲(chǔ)存水的水池，被控量是水池中的水位值，當(dāng)人為給定一個(gè)液位值時(shí)，下位機(jī)通過(guò)模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)口接收來(lái)自液位傳感器的反饋值，通過(guò)內(nèi)部PID的運(yùn)算對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在一定時(shí)間內(nèi)保持水池液位恒定。根據(jù)水池中水位的變化速度，調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就能實(shí)現(xiàn)能源的充分利用和生產(chǎn)的需要。

變頻器技術(shù)建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比較，除變頻器可以對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)速度的控制外，還有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)速度的精確控制、高效連續(xù)調(diào)速控制。容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。完善的保護(hù)功能：變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過(guò)電壓，功率模塊過(guò)熱，電機(jī)短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護(hù)的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。所以在這個(gè)系統(tǒng)我們采用變頻技術(shù)對(duì)液位進(jìn)行控制。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3為系統(tǒng)流程圖。在此流程圖的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)慕缑娣只謩e是閉環(huán)控制試驗(yàn)界面、測(cè)試項(xiàng)目選擇界面、測(cè)試數(shù)據(jù)信息界面等。以監(jiān)控設(shè)計(jì)為例，可利用VB 6.0進(jìn)行液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中的動(dòng)態(tài)滾動(dòng)實(shí)時(shí)曲線采用Picture控件的line屬性結(jié)合Timer控件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)采集得到的100個(gè)數(shù)據(jù)不斷畫線，并使用先進(jìn)先出的原則對(duì)采集到的當(dāng)前數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)更新。縱軸表示液位值，橫軸表示采樣時(shí)間。實(shí)時(shí)曲線中，PV、SV、MV顯示不同顏色。在程序運(yùn)行過(guò)程中，各曲線隨著時(shí)同的推移，圖形會(huì)自動(dòng)滾屏，向左方延伸[5]。程序如下：

對(duì)系統(tǒng)給定一定的參數(shù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，得到動(dòng)態(tài)曲線如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

為了直觀了解該系統(tǒng)的特性，特采用VB設(shè)計(jì)了特性測(cè)試窗口。該窗口口應(yīng)包含以下功能：可以設(shè)置采樣周期時(shí)間；有啟動(dòng)和停止功能；能夠顯示液位值，并顯示實(shí)時(shí)曲線。如圖5所示，在采樣周期方框內(nèi)設(shè)置采樣周期值t，單位為ms，它表示數(shù)據(jù)采集模塊每一個(gè)采集周期記錄一次采樣值并輸送到上位機(jī)，經(jīng)過(guò)信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將采集的液位值液位方框內(nèi)加以顯示。實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后水箱液位將趨于一個(gè)穩(wěn)定值，然后開動(dòng)進(jìn)水電機(jī)，例如從剛開始30%變?yōu)?0%，相當(dāng)于給系統(tǒng)一個(gè)階躍信號(hào)，理論上分析水池液位將發(fā)生變化并逐漸的趨于另一個(gè)穩(wěn)定值。顯示曲線的部分程序如下：

圖4 閉環(huán)控制液位動(dòng)態(tài)曲線

圖5 特性測(cè)試曲線

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)特性測(cè)試和響應(yīng)測(cè)試，變頻恒液位系統(tǒng)運(yùn)行整體效果很好。當(dāng)給系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)液位高度后，PLC控制變頻器以恒液位控制方式運(yùn)行。假設(shè)液位設(shè)定為15 cm，實(shí)際檢測(cè)水池的液位基本恒定在14~16 cm之間。假如液位低于15cm，變頻器的頻率降低。這是因?yàn)槿绻冾l器運(yùn)行頻率太低，水泵的揚(yáng)程不夠，電機(jī)功率白白損耗掉，達(dá)不到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置最低運(yùn)行頻率，能夠使水泵揚(yáng)程達(dá)到要求。該系統(tǒng)的變頻器的頻率一般穩(wěn)定在一個(gè)范圍左右，這樣的話，節(jié)能效率是非常高的，同時(shí)該系統(tǒng)采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)液位，減輕了人力負(fù)擔(dān)。

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