串級控制在雙容液位系統(tǒng)的應用研究

白仲國

榆林神華能源有限責任公司，陜西 榆林 719000

串級控制在雙容液位系統(tǒng)的應用研究

白仲國

榆林神華能源有限責任公司，陜西 榆林 719000

本文首先介紹了雙容液位系統(tǒng)，通過試驗建

立了系統(tǒng)數(shù)學模型。然后設計了控制器并應用MATLAB軟件進行了系統(tǒng)仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析，仿真結(jié)果令人滿意。最后，用“組態(tài)王”做上位組態(tài)軟件，用西門子S7-200可編程序控制器（PLC）作為下位控制器，驗證了串級控制方法的可行性和有效性，實現(xiàn)了預期控制目標。

雙容液位系統(tǒng)；串級控制；監(jiān)控組態(tài)

DoubleF luid Position；CascaCdoe ntrol；monitoring configuration

引言

本文中設計了一種可以模擬多種對象特性的雙容水箱系統(tǒng)，雖然結(jié)構簡單，但卻是最基本的過程控制系統(tǒng)，是各種高級、復雜過程控制系統(tǒng)的基礎，具有很好的代表性和工業(yè)應用背景。文中設計的雙閉環(huán)串級控制控制系統(tǒng)是雙容系統(tǒng)精確控制的一種行之有效的控制方法。

1 雙容液位系統(tǒng)簡介及數(shù)學模型

1.1 雙容液位系統(tǒng)簡介

雙容液位系統(tǒng)是一個兩級液位串連系統(tǒng)，如圖1所示。通過上水泵給上水箱供水，用電磁閥VA1控制水流量Q1；通過電磁閥VA2控制上、下水箱之間的水流量Q2；通過電磁閥VA3控制下水箱的出水量Q3；通過液位計LT1、LT2采集水位信號作為反饋信號；通過電磁閥的開度反饋信號來確定閥的實時開度；最終通過控制器控制各閥的開度，調(diào)節(jié)兩個水箱的水位，實現(xiàn)水位的自動控制。

圖1 雙容液位系統(tǒng)流程示意圖

1.2 雙容液位系統(tǒng)數(shù)學模型

數(shù)學模型是研究事物性質(zhì)的一種抽象工具，它是描述實際系統(tǒng)各個物理量之間關系的數(shù)學表達式。常用的數(shù)學表達式有代數(shù)方程、微分方程和差分方程等。數(shù)學模型的應用極為廣泛，它是分析、設計、預報、控制和故障診斷實際系統(tǒng)的基礎[1]。

在雙容液位控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標是控制好上、下水箱中的液位，所以兩個水箱就是控制對象，需要對兩個水箱進行建模，從而設計控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的各種性能，以便達到更好的控制效果。

本文中以對應閥門開度為輸入量、液位為輸出量，通過給被控對象輸入端加M序列，采集數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行預處理，再應用最小二乘法在MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱(System Identification Toolbox)中對系統(tǒng)進行建模?？傻玫絻蓚€水箱的傳遞函數(shù)如式(1)和(2)所示。

上水箱數(shù)學模型：

2 串級控制原理及控制器設計

2.1 串級控制原理

串級控制系統(tǒng)的主要結(jié)構特點在于它把兩個單回路控制系統(tǒng)以一定的結(jié)構形式串聯(lián)在一起，從而使工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)達到更好的控制效果的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 串級控制系統(tǒng)框圖

從圖2中可以看出，在系統(tǒng)結(jié)構上，由兩個串接工作的控制器構成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包含主、副兩個調(diào)節(jié)器，當擾動發(fā)生時，根據(jù)擾動施加點不同進行調(diào)節(jié)，對負荷變化的適應性更強、且可以迅速克服進入副回路的二次擾動，改善系統(tǒng)動態(tài)性能，提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。

2.2 控制器的設計及系統(tǒng)仿真

在雙容水箱控制系統(tǒng)中，選擇下水箱液位作為系統(tǒng)的主控對象，上水箱液位作為系統(tǒng)的副對象，分別針對主、副對象設計調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構成雙環(huán)負反饋系統(tǒng)。

影響液位的兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。

主副回路時間常數(shù)之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱。

PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

PID參數(shù)整定方法主要有理論計算法和工程整定法，本文采用工程整定法對PID參數(shù)進行整定，通過試驗得出主、副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)分別為：

主調(diào)節(jié)器（PID）參數(shù)：Kp=4.3；Ti=476.2；Td=6；

副調(diào)節(jié)器（P）參數(shù)：Kp=25；

根據(jù)上述整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)，利用MATLAB中的仿真集成環(huán)境Simulink進行仿真，直接用鼠標在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后應用Simulink中提供的功能對控制系統(tǒng)進行仿真分析，仿真系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)仿真框圖

圖3中包含兩個控制系統(tǒng)，其中一個為雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)，另一個為不包含副調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的控制系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)有著相同的輸入，相同的PID參數(shù)。給定值為階躍信號，大小為30%的水位，運行仿真程序后，得出曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)響應曲線圖

將圖4中的圖形進一步放大后可以讀出，單閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的峰值為42.95%，雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)輸出的峰值為30.1%。可以計算得

單閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量：

雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量：

另外，可以讀出

單閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為TS單=480s；

雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為TS雙=120s。

從超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間兩項指標來看，雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)要遠遠優(yōu)于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。兩個控制器的設計可以滿足系統(tǒng)控制要求的，可以使系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及運行結(jié)果

本文中，雙容液位控制系統(tǒng)上位組態(tài)軟件采用“組態(tài)王”軟件，下位機采用西門子S7-200可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）。

在控制系統(tǒng)實現(xiàn)的過程中，組態(tài)王把PLC看作外部設備，利用PC/PPI電纜將計算機（組態(tài)王）和S7-200 PLC連接起來，PC/PPI電纜連接計算機的一端為RS-232接口，連接PLC的一端為RS-485接口（S7-200編程電纜內(nèi)置RS232C/RS485轉(zhuǎn)換，帶RTS開關，光電隔離，用于S7-200與PC或DTE設備之間的連接），再根據(jù)設備配置向?qū)瓿蛇B接過程。在運行期間，組態(tài)王通過驅(qū)動程序和PLC交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令，每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象，這種方式使通訊程序和組態(tài)王構成一個完整的系統(tǒng)，既保證了運行系統(tǒng)的高效率，同時也可以使系統(tǒng)能夠達到很大的規(guī)模。

計算機（組態(tài)王）和S7-200 PLC連接步驟如下：

（1）通過PC/PPI電纜上的DIP開關，選擇計算機（組態(tài)王）與PLC通訊的波特率；

（2）把PC/PPI電纜的RS-232端連接到計算機的串行通訊口（COM口）；

（3）把PC/PPI電纜的RS-485端連接到PLC的通訊口0或通訊口1。

在經(jīng)過調(diào)試，上位機與PLC之間通信成功后，編寫PLC控制程序和上位組態(tài)畫面及后臺程序。

編寫PLC程序前，首先確定整個系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）點數(shù)，列出I/O分配表，統(tǒng)籌規(guī)劃好PLC的I/O點數(shù)，既不能浪費，又要留有一定的裕量供后期擴展。根據(jù)控制需求編寫好PLC程序后，下載到PLC中，在切斷所有輸出點接線的情況下運行，以免由于程序錯誤造成誤操作，輸出點的狀態(tài)可以根據(jù)PLC上的指示燈來觀察，必要的時候可以根據(jù)輸入量的不同，用試驗電源、電阻等作為輸入信號進行測試；在反復測試，程序功能完全實現(xiàn)的情況下，再連接所有設備進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

上位組態(tài)畫面設計是力求功能齊全、美觀大方。首先在組態(tài)王工程管理器中新建一個工程，在工程瀏覽器中完成程序語言的設計、變量定義管理、連接設備的配置、開放式接口的配置、系統(tǒng)參數(shù)的配置等工作；在畫面開發(fā)系統(tǒng)中完成畫面設計、動畫連接、程序編寫等工作；所有工作完成后，在組態(tài)王TouchView運行系統(tǒng)中運行。通過上述工作，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設定、可隨時倒出、打印運行報表、觀測實時趨勢曲線和歷史記錄曲線，需要的時候還可以設置網(wǎng)絡通訊等操作。運行中的雙容液位系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 運行中的組態(tài)畫面

4 結(jié)語

本文中給出了雙容液位系統(tǒng)的串級控制方法，設計了主、副控制器，整定了控制器參數(shù)。然后用MATLAB軟件進行了仿真實驗，并最終用“組態(tài)王+PLC”的方式實現(xiàn)了雙容液位系統(tǒng)的串級控制，控制效果很好，達到了預期的控制要求。

[1]劉宏才.系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計[M].冶金工業(yè)出版社，1994

[2]組態(tài)王6.0使用手冊.北京亞控科技發(fā)展有限公司，2001

[3]邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.5

[4]Troy A. Hertog. AdvancedT echnologFy or Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)

The Design and Research of Cascade Control in Double Fluid Position Control System

Bai Zhongguo
Yulin ShenHua Energy Company, Yulin Shaanxi, 719000, China

This paper introducets he doublef luid positi on system at first. Then design modelineg xperiment to obtaint he mathematimcs odelos f doublefl uid positions ystem. Meanwhilde, esignt he controll ers and testify the feasibility and validity of the controlleras nd the network by simulationA. t last, programb y using Kingviewa nd siemenSs 7-200 PLC to run the doublfel uid positiocn ontrol system. The feasibilitya nd validity of the cascade control scheme has been proved. The results o f simulation and experiment are satisfying.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.106

白仲國（1969-），男（漢族），陜西省榆林市人，榆林神華能源有限責任公司，機電動力部，經(jīng)理助理。