雙容液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

王釗

【摘 要】雙容液位控制系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制算法完成對(duì)過(guò)程液位的控制的控制系統(tǒng)，它充分利用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的控制。本文首先綜合被控對(duì)象、調(diào)節(jié)閥、測(cè)量裝置的數(shù)學(xué)模型，分析出系統(tǒng)的廣義對(duì)象傳遞函數(shù);其次，利用計(jì)算機(jī)解出等效一階慣性純滯后系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式并且用動(dòng)態(tài)參數(shù)整定法整定出控制器的PID參數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)字積分分離PID控制程序;最后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出值，并據(jù)此調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】雙容液位;過(guò)程控制;計(jì)算機(jī)控制;自動(dòng)控制;數(shù)字積分分離PID

一、雙容液位控制系統(tǒng)

過(guò)控中液位控制就是對(duì)某一個(gè)水箱容器的流量（即流入量和流出量）進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)。它可以讓容器中的液體高度保持在人們所需求的數(shù)值位置上。液體位置的高低在程序中是非常重要的參數(shù)。在我們學(xué)過(guò)的蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，常需保正液體位置的穩(wěn)定，以取得較為高效的生產(chǎn)率。而雙容水箱液位控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，水箱二的液位設(shè)定在一定的高度，通過(guò)水箱1，水箱2的輸出信號(hào)到computer（計(jì)算機(jī)），之后進(jìn)行相應(yīng)的P、I、D運(yùn)算，隨后信號(hào)進(jìn)入調(diào)節(jié)閥，然后電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制1號(hào)（水泵）的出水量，進(jìn)而控制2號(hào)（水箱）的液體位置。

二、PID控制參數(shù)與參數(shù)整定

PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：

理論計(jì)算整定法。它依據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型，利用理論計(jì)算確定參數(shù)。測(cè)定過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型是通過(guò)計(jì)算讓人們得到相關(guān)系統(tǒng)的類型以及特性。當(dāng)然，單單通過(guò)建立數(shù)模并計(jì)算參數(shù)并不牢靠。我們?nèi)孕柰ㄟ^(guò)工程，實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)整和修改。同時(shí)這這種方法的工作量也很大，所以在工程多半不推薦使用。

工程整定方法，它需求工程經(jīng)驗(yàn)，而直接在過(guò)控實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行一系列參數(shù)整定，過(guò)程簡(jiǎn)單，方便操作。是在生活中被人們利用的最多的方式。正所謂實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一方法，這一點(diǎn)在這里也適用，只需不復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，就能或得合適的結(jié)果，因而較為實(shí)用也不足為奇。

在這里，我們選擇積分分離PID控制算法，因?yàn)樵谝话悖ū壤?..微分）控制中，對(duì)于液體位置這種變化周期十分緩慢來(lái)說(shuō)，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。為此，采用積分分離是必不可少的，所以e（k）（偏差）較大時(shí)，取消I（積分）作用;反之I（積分）作用。

三、控制參數(shù)與被控參數(shù)整定

3.1? 被控參數(shù)整定過(guò)程

首先我們要將廣義被控對(duì)象等效為一階慣性純滯后，根據(jù)要求為二階慣性環(huán)節(jié)（被控），其傳函為：

測(cè)量裝置和調(diào)節(jié)閥的特性為：

根據(jù)這兩個(gè)可得廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

因此等效的一階慣性純滯后系統(tǒng)為：

對(duì)于系統(tǒng)中的未知參數(shù)量在本設(shè)計(jì)中利用兩點(diǎn)法處理求K、T、τ，根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線將其等效為一階

慣性純滯后運(yùn)用兩點(diǎn)法，為了方便計(jì)算，可取

用MATLAB仿真可以得到兩點(diǎn)（12.8，0.39），（19，0.63）帶入下邊公式。

可得：T=12.4;τ=6.6

則該一階慣性純滯后為

為了驗(yàn)證其等效參數(shù)是否有誤，我們又在其原對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線中取了兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)

取測(cè)試點(diǎn)：

利用上步求得的T、τ，

可求得：

由此可知，測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)，因此所等效的參數(shù)大致符合。對(duì)此我們需要分析其等效模型的適用性，根據(jù)上述所得的等效的一階慣性純滯后系統(tǒng)：

利用Matlab把它們兩個(gè)的階躍響應(yīng)曲線畫(huà)出來(lái)，觀察其擬合精度。

由MATLAB仿真得到擬合法前后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線對(duì)比圖可知，兩點(diǎn)法的擬合程度較好，用一階慣性純滯后去代替原先的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)，其誤差不大，可以使用其等效的模型法代替水箱的廣義傳遞函數(shù)。

所以如果其階躍響應(yīng)之間擬合度不好，我們就不能使用一階慣環(huán)加純延遲去近似廣義被控對(duì)象，即不能使用動(dòng)態(tài)參數(shù)法去工程整定（比例...微分）的參數(shù)。

所有的系統(tǒng)整定方法都有著自己的有點(diǎn)缺點(diǎn)。都有自己的使用說(shuō)明書(shū)，需要我們認(rèn)真了解，并去確定誰(shuí)與誰(shuí)較為合適。

3.2控制參數(shù)整定

我們運(yùn)用運(yùn)用特性參數(shù)法（動(dòng)態(tài)），采用非常實(shí)用雙C科恩（Cohen）—庫(kù)恩（Coon）整定公式：

由此可以計(jì)算得出：

又由：

可得

所以使用 C—C法可以得到的參數(shù)的值為

3.3湊試法

根據(jù)我對(duì)過(guò)程控制技術(shù)的認(rèn)知，每種整定方法都會(huì)有著屬于自己的適用范圍，因此我們要善于針對(duì)特點(diǎn)與要求，選擇合適的我們需要的方法整定方法。在這樣的過(guò)程中得出的參數(shù)都需要通過(guò)自己去一步一步的試驗(yàn)，重復(fù)調(diào)整理解，直到符合需求。

在利用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定出Kp、KI 及Kd，再利用湊試法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整，直到取到滿意的效果為止。

首先是P（比例），將Kp的數(shù)值逐漸增大，并注意系統(tǒng)響應(yīng)，當(dāng)響應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線出現(xiàn)的時(shí)候。然后再加入I（積分），先將積分時(shí)間設(shè)到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)整理好的比例系數(shù)略為濃縮，然后減小I（積分）的時(shí)間，使得系統(tǒng)自保持良好的動(dòng)態(tài)性能下，靜差大致得到清除，直到出現(xiàn)合適的結(jié)果。

最后經(jīng)過(guò)反復(fù)湊試和比較，得出了比較理想的參數(shù)如下：

四、總結(jié)與展望

對(duì)于雙容液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，我總結(jié)為：

1）需先求出廣義傳函，求等效慣性純滯后（一階）系統(tǒng);

2）整定出控制器的PID參數(shù);

3）將被控對(duì)象進(jìn)行帶零階保持器的數(shù)字化處理后，設(shè)計(jì)數(shù)字積分分離PID控制程序;

4）最終調(diào)節(jié)PID參數(shù)達(dá)到自己所追求的穩(wěn)定的系統(tǒng)控制要求。

對(duì)于整體的計(jì)算過(guò)程可以參考過(guò)程控制書(shū)上的公式，能提高計(jì)算出正確數(shù)據(jù)效率，只是程序的設(shè)計(jì)過(guò)程比較難，需要自己查閱一些資料，隨著程序設(shè)計(jì)出來(lái)后，并理解資料里公式作用，符號(hào)的意義，過(guò)程的由來(lái)，為什么要這么做，可以使大家對(duì)于雙容液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著近一步的認(rèn)識(shí)。