在MATLAB中實現(xiàn)水箱液位控制系統(tǒng)的設計

程怡安 王忠慶

【摘要】本論文的目的是設計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設計中充分利用計算機技術，自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術對控制系統(tǒng)的性能進行分析。最后，完成控制系統(tǒng)實驗和結果分析。

【關鍵詞】液位;串級控制系統(tǒng);MATLAB

1.引言

在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油、化工、環(huán)保、水處理、冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導致原料的浪費﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義[1]。

在液位串級控制系統(tǒng)的設計中將以THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表、數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.串級控制系統(tǒng)設計思想

2.1 主回路的設計

串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題[2]。

2.2 副回路的設計

由于副回路是隨動系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。

歸納如下。

（1）在設計中要將主要擾動包括在副回路中。

（2）將更多的擾動包括在副回路中。

（3）副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。

（4）要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。

（5）在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。

在這里要注意（2）和（3）存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實際系統(tǒng)的設計中要兼顧（2）和（3）的綜合[3]。

3.串級液位控制系統(tǒng)的仿真

在本雙容控制系統(tǒng)中，主被控對象的數(shù)學模型為，副被控對象的數(shù)學模型為，并采用PI控制規(guī)律對該系統(tǒng)進行仿真和研究[4]。

副控制器采用P作用，主控制器采用PID作用，整定串級控制器的參數(shù)為最佳值。串級液位控制系統(tǒng)的階躍響應曲線如圖3.1所示。

KP=0.45，Ki=0.00005

圖3.2 串級液位控制系統(tǒng)的階躍響應曲線

對于串級液位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行大約900s后，突加幅值為設定值40%的一次階躍擾動信號，系統(tǒng)的響應曲線如圖所示。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間大約為260s。

KP=0.45，Ki=0.015

圖3.4 擾動信號單獨作用下的輸出曲線

4.結論

從串級回路系統(tǒng)階躍響應、一次、二次擾動作用下的輸出響應圖中可以看出，采用串級控制且系統(tǒng)的階躍響應達到要求時，系統(tǒng)對一次擾動、二次擾動的抑制也能達到很好的效果。

圖3.5 設定值與擾動值同時作用下的輸出曲線

但是值得注意的是，串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)復雜，所用儀表也較多，費用增加，參數(shù)整定和調(diào)試也費時。所以，串級控制系統(tǒng)并沒有必要去取代所有的單回路控制系統(tǒng)，應用時遵循一個原則：凡是使用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足過程控制要求時，就沒有必要再采用串級控制系統(tǒng)[5]。

參考文獻

[1]張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]黃忠霖，黃京.控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真[M].國防工業(yè)出版社，2009.

[3]黨林立，孫曉群.數(shù)學建模簡明教程[M].西安電子科技大學出版社，2009.

[4]薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[5]曹夢龍，安世奇.控制系統(tǒng)計算機仿真技術[M].化學工業(yè)出版社，2009.