三階對(duì)象的單回路和串級(jí)控制的比較研究

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 羅 巖 王欽若 黃璐璐

1.引言

在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，液位經(jīng)常作為一個(gè)重要的參數(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。比如液體貯槽、成品罐、進(jìn)料罐、中間緩沖容器及水箱等其他設(shè)備。將單元操作設(shè)備所處理的物料液位限制在工藝容許的波動(dòng)范圍內(nèi)，是液位控制系統(tǒng)最重要的目標(biāo)[1-2]。

為了對(duì)單回路控制和串級(jí)控制的控制效果進(jìn)行比較研究，本文是在THSA-1型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，使用西門子PLC[3]作為硬件控制平臺(tái)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、模擬轉(zhuǎn)換器等外圍設(shè)備，運(yùn)用兩種控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)下水箱液位的控制。其系統(tǒng)硬件設(shè)備圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)備圖

本文中控制對(duì)象是下水箱液位，使其能夠穩(wěn)定、迅速、準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)定值[4,5]。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建容易，并且能夠解決工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中大量參數(shù)定值控制問題，很多情況下，能夠滿足生產(chǎn)工藝要求[6]?？紤]到單回路控制的以上特點(diǎn)，首先利用單回路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下水箱液位的控制。

2.三階對(duì)象的單回路控制和串級(jí)控制

2.1 單回路控制

單回路控制只是使用一個(gè)壓力傳感器將下水箱液位的模擬量傳送給A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再反饋給調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)器的輸出來控制閥門開度，近而控制流入上水箱的流量，最終間接的影響下水箱的液位值?？刂瓶驁D如圖2所示。

圖2 單回路控制系統(tǒng)框圖

如圖2所示，設(shè)三只水箱均為一階慣性環(huán)節(jié)，那么三階三容水箱的數(shù)學(xué)模型可以用下式來表示[7]：

其中，T1,T2和T3分別是上水箱、中水箱和下水箱的時(shí)間常數(shù)，K0是過程的比例系數(shù)。

2.2 串級(jí)控制

串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了副回路，形成了多環(huán)。串級(jí)控制系統(tǒng)的多用了兩個(gè)測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了復(fù)雜控制系統(tǒng)，控制框圖如圖3所示。

圖3 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

圖4 程序流程框圖

根據(jù)圖3所示，總共有三個(gè)回路。在每一個(gè)回路中，都有一個(gè)調(diào)節(jié)器和測(cè)量變送器。三容水箱液位串級(jí)控制是通過控制上水箱的進(jìn)水量，水流經(jīng)過中水箱，再來控制下水箱的液位。所以把上水箱和中水箱的液位作為中間值，而下水箱的液位是最終控制對(duì)象。西門子PLC控制器的串級(jí)控制通過三個(gè)PID控制回路來實(shí)現(xiàn)。將主回路的輸出值作為第一個(gè)副回路給定的設(shè)定值，而第一個(gè)副回路的輸出值又作為第二個(gè)副回路給定的設(shè)定值即可[4,7]。

3.軟件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模塊化的方法編寫程序。包括程序初始化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、PID運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳送四個(gè)模塊。按照編程原則，建立符號(hào)表，對(duì)各個(gè)變量、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)注釋。在編寫程序之前，應(yīng)有一個(gè)程序流程圖，指導(dǎo)程序的編寫，三容水箱液位串級(jí)控制的流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

一款友好的操作軟件不但需要具備強(qiáng)大的功能，擁有良好的可視化和動(dòng)態(tài)特性，更重要的是具備開放性和擴(kuò)展性。三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件[8]進(jìn)行開發(fā)，其組態(tài)高效、開放性及擴(kuò)展性能好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快。所設(shè)計(jì)的界面支持?jǐn)?shù)據(jù)釆集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄和查詢、報(bào)警提示等多任務(wù)的同時(shí)工作；數(shù)據(jù)查詢部分允許用戶選擇按時(shí)間或按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容查詢歷史曲線，導(dǎo)出數(shù)據(jù)的EXCEL表格，進(jìn)行歷史曲線坐標(biāo)定位工作；具有單點(diǎn)和多點(diǎn)曲線同屏顯示，允許曲線實(shí)時(shí)顯示、縮放、移動(dòng)、打印、坐標(biāo)定位等功能；可方便實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)類型選擇，算法選擇和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。

4.兩種控制方案的比較

4.1 無擾動(dòng)時(shí)的比較與分析

首先，在無擾動(dòng)的情況下比較單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)下水箱液位的控制效果。經(jīng)過一系列PID參數(shù)的整定實(shí)驗(yàn)后，得到下面一組響應(yīng)曲線圖，如圖5所示。

圖5 無擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

通過比較圖5(a)和(b)，在串級(jí)控制下，系統(tǒng)響應(yīng)曲線更為理想，其超調(diào)量為9%，并且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間小于12min，而在單回路控制下，超調(diào)量較大。

串級(jí)控制系統(tǒng)在增加了副回路以后，使等效被控過程的時(shí)間常數(shù)減小了，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

4.2 二次擾動(dòng)時(shí)的比較與分析

然后考慮當(dāng)擾動(dòng)為二次擾動(dòng)(擾動(dòng)出現(xiàn)在中水箱)時(shí)兩種控制方案的比較。PID參數(shù)的整定與上面類似，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，獲得比較滿意的過渡過程曲線，如圖6所示。

圖6 二次擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

通過比較圖6(a)和(b)，單回路控制所得到的過渡過程曲線不理想，波動(dòng)較多，不容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然而在串級(jí)控制下，雖然有超調(diào)量，但是在工藝允許的范圍類，并且調(diào)節(jié)時(shí)間較短，能夠快速的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)在中水箱時(shí)，即二次擾動(dòng)引入系統(tǒng)，其位置靠近被控參數(shù)下水箱液位，對(duì)其影響很大。單回路控制系統(tǒng)不能有效的克服二次擾動(dòng)，因此曲線波動(dòng)較大，相反，由于串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，從而大大減小了二次擾動(dòng)的影響，提高了控制質(zhì)量，能夠達(dá)到穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的控制指標(biāo)。

4.3 二次擾動(dòng)和三次擾動(dòng)時(shí)的比較與分析

最后考慮當(dāng)擾動(dòng)為二次擾動(dòng)和三次擾動(dòng)(擾動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)在中水箱和上水箱)時(shí)兩種控制方案的比較。過渡過程曲線如圖7所示。

圖7 二次擾動(dòng)和三次擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

通過比較圖7(a)和(b)，單回路控制系統(tǒng)下，在對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行多次整定以后，系統(tǒng)仍然無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)了等幅振蕩的現(xiàn)象。而由于能夠有效克服多次擾動(dòng)，串級(jí)控制系統(tǒng)能夠獲得比較理想的曲線，超調(diào)量為25%，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間小于20min。

通過以上多組曲線的對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，無論是存在多次擾動(dòng)或沒有擾動(dòng)，串級(jí)控制系統(tǒng)都能夠有效的對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。這正是包含了多次擾動(dòng)的副回路發(fā)揮了重要的作用，使系統(tǒng)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)二次和多次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力，提高了對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。

5.結(jié)論

本文比較研究了三階對(duì)象的單回路和串級(jí)控制。當(dāng)擾動(dòng)靠近被控對(duì)象時(shí)，單回路控制系統(tǒng)不能達(dá)到理想的控制效果，當(dāng)擾動(dòng)更加復(fù)雜時(shí)，系統(tǒng)甚至?xí)环€(wěn)定。但是，對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來說，當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，上水箱液位和中水箱液位將先于下水箱液位變化，將此變化的信號(hào)反饋到各自的調(diào)節(jié)器，先行改變調(diào)節(jié)閥開度，增加或減少進(jìn)水量，將會(huì)使控制動(dòng)作提前而改善下水箱液位的控制質(zhì)量。對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)回路具有快速粗調(diào)的作用，外回路則起細(xì)調(diào)作用。內(nèi)回路能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響，可以加大主控制器的增益，提高系統(tǒng)工作頻率，無論擾動(dòng)出現(xiàn)在哪個(gè)位置，都能改善控制品質(zhì)。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)具有比單回路控制系統(tǒng)更好的控制效果。

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