多變量四容水箱控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計

李志軍，賀 慶，郭富民

（北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線及自動化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144）

0 引言

圖1 文獻(xiàn)[1]雙容水箱模型結(jié)構(gòu)

在過程控制領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室裝備中，多容水箱是針對液位進(jìn)行控制的理想控制對象，通過傳感器檢測液位值，水泵循環(huán)供水構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，因?yàn)槠淠Ｐ湍苣M工業(yè)環(huán)境中非線性、時滯性、耦合性等特點(diǎn)，在很多過程控制實(shí)驗(yàn)室都有廣泛的應(yīng)用。很多高校常用的是雙容水箱或三容水箱。比如中國科技大學(xué)魏衡華等[1]介紹的雙容水箱，兩個水箱水平放置，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)閥門的開度，控制對象可以設(shè)定為一階或二階對象，其模型簡化圖如圖1所示。還有一種是華東理工大學(xué)王華忠等[2]介紹的雙容水箱,兩個水箱垂直放置，如圖2所示。三容水箱在二容水箱基礎(chǔ)上增加了一個容器，最高可以實(shí)現(xiàn)三階的對象，如清華大學(xué)何瀟等[3]和中南大學(xué)王曉靜等[4]介紹的三容水箱，模型圖如圖3所示，同樣也有三個水箱上下排列的，這里不再贅述。

圖2 文獻(xiàn)[2]雙容水箱模型結(jié)構(gòu)

圖3 常用的三容水箱對象模型圖

以上所舉的這些雙容水箱和三容水箱可以滿足大部分單變量的一階和高階對象實(shí)驗(yàn)，但是仍然不能反映復(fù)雜多變量的特點(diǎn)，另外其上位機(jī)沒有統(tǒng)一的操作平臺，而且一些高級控制算法難于實(shí)現(xiàn)。針對這些不足之處，本文所提出的四容水箱被控對象選取Karl Henrik Johansson[5]所介紹的模型，進(jìn)一步改進(jìn)管道連接工藝，追求實(shí)驗(yàn)效果以及操作平臺的廣泛性，最終實(shí)現(xiàn)一套可以在MATLAB環(huán)境中設(shè)計控制器的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)靈活，可以模擬雙輸入雙輸出的閉環(huán)系統(tǒng)，輸入變量與輸出變量之間相互影響，交叉耦合，實(shí)際應(yīng)用表明，能很好地模擬復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中多輸入多輸出變量之間強(qiáng)耦合、大時滯、大慣性、非線性、不確定性等特點(diǎn)。

1 四容水箱被控對象的物理結(jié)構(gòu)

1.1 物理結(jié)構(gòu)

圖4 四容水箱物理模型示意圖

如圖4，其中左邊水泵用于給Tank2和Tank4供水，右邊水泵用于給Tank1和Tank3供水，此外Tankl、Tank2、Tank3、Tank4底部各有一個出水孔，Tank4排出的水流入Tank1中，Tank3排出的水流入Tank2中，Tank1、Tank2出水孔排出的水直接流回底部大的蓄水池中。管路上配有多個閥門，通過手動調(diào)節(jié)各個閥門的開度，可以控制每個水箱的入水量和出水量，從而可以改變水箱特性。

1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

參照四容水箱結(jié)構(gòu)如圖4所示，假設(shè)4個相同的水箱橫截面積都為A，底部排水孔橫截面積都為a，右泵控制的總流量為v1，左泵控制的總流量為v2，hi(i=1,2,3,4)分別為相應(yīng)水箱的液位高度，r1為v1供給Tank1的閥門開度，r2為v2供給Tank2的閥門開度。根據(jù)伯努利原理，得到此四容水箱控制系統(tǒng)滿足如下方程:

可見，液位高度和水流量呈非線性關(guān)系。

v1對h3和v2對h4的影響可歸類為二階非震蕩環(huán)節(jié)，模型結(jié)構(gòu)可選為：

作為雙入雙出系統(tǒng)，這里以左、右水泵的控制量分別作為輸入量u2、u1,Tank1和Tank2的液位值作為輸出量y1和y2，四容水箱變量模型如圖5所示。

圖5 四容水箱變量模型

其中右泵對Tank1、Tank3的控制傳遞函數(shù)分別為G11(s)、G21(s)，左泵對Tank4、Tank2的傳遞函數(shù)分別為G12(s)、G22(s)。

其對象的傳遞函數(shù)矩陣可寫成：

即：

2 硬件和軟件組成及工作原理

2.1 硬件搭建

針對此被控對象，專門設(shè)計了整套實(shí)驗(yàn)裝置，包括硬件的搭建和軟件的集成?？刂葡到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置硬件主要由水箱主體、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)、計算機(jī)組成。

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖6所示。

顯然，p的值越大，相應(yīng)地pc1、pc2、pc3、pc4的值越小，充電成功的可能性越大。下文將針對各參數(shù)大小對充電過程性能的影響進(jìn)一步分析。

圖6 四容水箱實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

1） 水箱主體

主要由透明有機(jī)玻璃制成的4個長方體水箱(被控對象)和1個大的蓄水池以及連接各個水箱的PVC管道組成。4個水箱之間及其與蓄水池之間連有9個手動閥門。四容水箱物理結(jié)構(gòu)圖如上圖4所示。

2） 傳感器

為了易于PLC編程，選用超聲波液位計，量程范圍為0～1米，24V供電，最小顯示分辨率可達(dá)0.1毫米,具有4～20毫安電流輸出，具有1～15級發(fā)射脈沖強(qiáng)度，可根據(jù)工況設(shè)定。超聲波傳感器具有量測噪聲小，線性度高等優(yōu)點(diǎn)，此傳感器有5根線——電源正負(fù)線、信號線和兩根串口調(diào)試線，與PLC的接線為三線制接法，另外通過兩根調(diào)試線和串口調(diào)試工具及軟件可以在線修改實(shí)際的量程范圍。本裝置采用的量程范圍是0～30厘米，協(xié)議采用RS485兼容串行接口以及半雙工異步方式。

3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選用無刷直流調(diào)速水泵，其供電電壓范圍在18V到36V之間,一般為24V。因?yàn)樵撍脤斎腚妷悍€(wěn)定性的要求比較高，所以專門外置直流穩(wěn)壓電源模塊給其供電。水泵的驅(qū)動器具有雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)功能，具有調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)時滯小，控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。支持三種調(diào)速方式：電位器調(diào)速，1～5V模擬電壓調(diào)速或PWM脈寬調(diào)速。本裝置采用的是1～5V模擬調(diào)速。

4） 控制系統(tǒng)

選用西門子CPU315-2PN/DP，因其對二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理能力，另外集成的PROFINET接口只需一根網(wǎng)線就可與上位機(jī)通信。通過西門子專用連接器擴(kuò)展一個8×12位AI模塊采集四容水箱的實(shí)際水位和一個8×12位AO模塊給水泵提供實(shí)際所需的模擬電壓值。

2.2 軟件組成

該實(shí)驗(yàn)裝置軟件開發(fā)工具有：

1）西門子PLC組態(tài)、編程、調(diào)試軟件STEP7；

2）西門子上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件SIMATIC WINCC；

3）MATLAB/Simulink。

2.3 工作原理

P L C采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，通過PROFINET接口連接一根網(wǎng)線到計算機(jī)上，此計算機(jī)作為上位機(jī)，安裝好上述軟件，將編好的程序下載到PLC的CPU中，再利用OPC技術(shù)將MATLAB與PLC系統(tǒng)建立通信，從而能夠?qū)⒉杉膶?shí)時液位值和給泵的控制量嵌入到Simulink環(huán)境中，最終在Simulink上構(gòu)建了對液位控制的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)人員只需通過Matlab/Simulink的操作即可完成控制器的設(shè)計，從而使得一些先進(jìn)的系統(tǒng)辨識技術(shù)和先進(jìn)控制方法可以輕松地應(yīng)用在四容水箱被控對象上。系統(tǒng)整體框架如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置工作原理圖

3 實(shí)驗(yàn)示例

四容水箱是雙輸入雙輸出并且變量之間耦合度比較高的對象，針對此特點(diǎn)，設(shè)計如下實(shí)驗(yàn)用PID解耦控制算法來同時控制底部水箱1和水箱2的水位。利用OPC技術(shù)建立好WINCC+PLC控制系統(tǒng)與MATLAB的通訊后，在Simulink環(huán)境中設(shè)計的控制器如下：

其中OPC Config Real-Time用于OPC 客戶端和服務(wù)器的定義和配置，OPC Read從OPC server中讀取實(shí)時水位值，OPC Write向OPC server提供泵的控制量，這些模塊都是從Simulink自帶的OPC Toolbox中直接添加的，另外四個PID Control模塊是自定義封裝的子系統(tǒng)，分別帶有3個控制參數(shù)——比例系數(shù)P、積分系數(shù)I、微分系數(shù)D。

圖8 四容PID解耦閉環(huán)控制系統(tǒng)

將閥門開到合適的位置，并且泵1和泵2的控制量限幅在0～100的范圍，先將水位1和水位2設(shè)定在12cm，待穩(wěn)定后讓水位1階躍到15cm，水位2保持不變，根據(jù)系統(tǒng)約束條件和性能指標(biāo)的要求并結(jié)合Zigler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)整定方式[8]調(diào)整四個PID的控制參數(shù)，得到理想的控制效果,如下所示。最終確定的參數(shù)：（控制框圖中自上而下依次為

PID1：P=6，I=0.4，D=0.01；PID2：P=3，I=0.2，D=0.01

PID3：P=3，I=0.2，D=0.01；PID4：P=5，I=0.4，D=0.01

圖9 實(shí)際控制效果圖

其中傳感器和泵的采樣周期都設(shè)為0.25秒，所以橫坐標(biāo)的單位為0.25秒，從效果圖可以看出液位在300秒之內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)定，而且誤差可以控制在0.2毫米之內(nèi)，表明基于此控制對象所設(shè)計的四容PID解耦控制器動態(tài)特性和穩(wěn)定性都比較理想，能夠滿足多變量對象的控制要求。目前，在此實(shí)驗(yàn)裝置上通過的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：水箱對象模型辨識實(shí)驗(yàn)、四容水箱二輸入二輸出模型預(yù)測控制實(shí)驗(yàn)、多變量PID控制實(shí)驗(yàn)、四容水箱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)。

此外通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的閥門，此裝置也可以組合成單容水箱、雙容水箱或三容水箱使用，比如Tank1和Tank2組成水平的雙容水箱，或者Tank1與Tank4組成垂直的雙容水箱，Tank4、Tank1和Tank2構(gòu)成混合式的三容水箱等，從而可以進(jìn)行單變量的相關(guān)控制算法實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

設(shè)計開發(fā)了具有多輸入多輸出系統(tǒng)特點(diǎn)的被控對象，即需要控制的變量與操作變量不止一對，而且這些變量之間相互關(guān)聯(lián)，耦合度高。該裝置彌補(bǔ)了之前多容水箱只有單一變量的不足，

結(jié)構(gòu)靈活，更真實(shí)地模擬了工業(yè)環(huán)境中復(fù)雜多變量的特性，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，可以實(shí)現(xiàn)多種控制算法，如PID控制，模型預(yù)測控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊控制，自抗擾控制等，能夠給多門課程實(shí)驗(yàn)提供平臺，非常適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境用于本科生或研究生的教學(xué)，還可以提高其工程實(shí)踐的動手能力。另外，在此實(shí)驗(yàn)裝置上科研人員可以自行設(shè)計和實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)控制策略。目前本套裝置已經(jīng)在多所高校的實(shí)驗(yàn)室得到廣泛應(yīng)用，都取得了比較好的實(shí)驗(yàn)效果，對今后多變量實(shí)驗(yàn)裝置的研究具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

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