基于PID 算法實(shí)現(xiàn)三級(jí)儲(chǔ)罐液位控制*

劉魏晉，胡 琛，唐 洋，李樹杰，陳俊杰

（1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.湖北交投科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)水平發(fā)展迅速，各行各業(yè)的信息化智能化正日臻成熟。然而，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)因素，這都會(huì)影響到最終的實(shí)際產(chǎn)量，導(dǎo)致效率降低。因此需要按照生產(chǎn)要求進(jìn)行預(yù)期操作，比如：溫度的變化，壓力變化等。溫度控制系統(tǒng)中的側(cè)溫和控溫是兩個(gè)重要因素，而且在工業(yè)生產(chǎn)中也占據(jù)著相當(dāng)大的比例[1]。儲(chǔ)罐的液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中乃至日常生活中常見的控制，在實(shí)際生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)不同的變化，如液位過低達(dá)不到需求量，壓力變化導(dǎo)致比例失調(diào)等，最終都會(huì)影響控制效果。

三級(jí)液位中的一級(jí)液位為臥式儲(chǔ)罐，二級(jí)和三級(jí)液位代表立式儲(chǔ)罐；PID 算法控制系統(tǒng)的主要問題是基于PID 參數(shù)的整定,由于多數(shù)系統(tǒng)在不同程度存在非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型的不確定性,為了使PID 控制更精確,即采用模糊PID 控制。PID 控制器簡單易懂，在使用過程中無需精確的系統(tǒng)模型等必要條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器[2]；余差就是在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平衡的時(shí)候，系統(tǒng)實(shí)際的輸出和給定值（期望值）之間存在差值，變化量經(jīng)比例調(diào)節(jié)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，不能加復(fù)到給定值的偏差。一般整定情況下，余差屬于穩(wěn)態(tài)誤差。過渡過程結(jié)束后，設(shè)定值與新穩(wěn)態(tài)值之差[3]；對于污水處理系統(tǒng)而言，其控制對象除了有開關(guān)量，還包括模擬量，除了開環(huán)控制，還涉及到閉環(huán)控制；系統(tǒng)運(yùn)行過程中，有很多參數(shù)需要進(jìn)行檢測與控制，系統(tǒng)的總控計(jì)算機(jī)，利用監(jiān)控軟件對整個(gè)處理廠的設(shè)備予以實(shí)時(shí)監(jiān)控并跟隨系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)不同的功能[4]。

1 系統(tǒng)搭建

三級(jí)液位流程工程圖如圖1 所示，工藝水由FV101調(diào)節(jié)流量，進(jìn)入一級(jí)臥式儲(chǔ)罐V101，當(dāng)V101 液位達(dá)到一定的工藝指標(biāo)后，工藝水由FV104 調(diào)節(jié)流量進(jìn)入二級(jí)立式儲(chǔ)罐V102；V101 液位控制策略可以選擇V101 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。當(dāng)V102 液位達(dá)到一定的工藝指標(biāo)后，啟動(dòng)離心泵P101，工藝水由FV105 調(diào)節(jié)流量進(jìn)入三級(jí)立式儲(chǔ)罐V103；V102 液位控制策略可以選擇V102 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。當(dāng)V103 液位達(dá)到一定的工藝指標(biāo)后，工藝水由FV106 調(diào)節(jié)流量排至界區(qū)，V103 液位控制策略可以選擇V103 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。

圖1 控制系統(tǒng)搭建圖

2 控制要求

實(shí)現(xiàn)三級(jí)液位系統(tǒng)運(yùn)行、液位串級(jí)控制以及流量比值控制。運(yùn)行時(shí)間25min，實(shí)現(xiàn)V101 出口流量(FT104)與V102 入口流量(FT102)的雙閉環(huán)比值控制，要求1∶1。其中FT102 的控制回路為主，F(xiàn)T104 的控制回路為副，即FT104 流量隨FT102 流量變化而變化。

結(jié)束時(shí)，V101 液位控制在30%(允許上下1%之內(nèi)的波動(dòng))，且穩(wěn)定保持180s 以上。V101 出口流量(FT104)控制在1.2kg/s(允許上下0.1kg 之內(nèi)的波動(dòng))，且穩(wěn)定保持180s以上。V102 入口流量(FT102)控制在1.2kg/s(允許上下0.1kg 之內(nèi)的波動(dòng))，且穩(wěn)定保持180s 以上。

3 控制方案設(shè)計(jì)

圖2 串級(jí)控制

由于在實(shí)驗(yàn)過程中，最初采用的是單回路控制，但這種控制效果并不是很好，而且對控制要求有一定的局限性，用以控制要求較高的場合，效果就會(huì)很差，本例采用串級(jí)控制，系統(tǒng)由主回路和副回路的搭建，串級(jí)系統(tǒng)的副環(huán)具有抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)作速度快，在單回路的基礎(chǔ)上更穩(wěn)定，設(shè)計(jì)的思路是：如果在設(shè)計(jì)中把對主變量影響最嚴(yán)重、變化最頻繁的干擾包含在副環(huán)內(nèi)，就可以很好的充分利用副環(huán)快速抗干擾性能，將干擾的影響控制在最低限度。這樣，干擾對主控變量的影響就會(huì)大打折扣，從而使控制質(zhì)量獲得很好的提高。如圖2 所示。

4 控制規(guī)律的選擇

對于任何閉環(huán)控制系統(tǒng)，首要任務(wù)就是確保其穩(wěn)定、快讀、準(zhǔn)確。而PID 整定的主要目的就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)增大比例參數(shù)P，可以使系統(tǒng)的反應(yīng)變快，但是對于穩(wěn)定在一個(gè)需求數(shù)值的效果卻差強(qiáng)人意。雖然能在一定程度上克服擾動(dòng)，但會(huì)有余差出現(xiàn)，同時(shí)，過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)存在較大的超調(diào)量，并伴隨著震蕩，從而破壞其穩(wěn)定性。而積分可以在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上消除余差，對穩(wěn)定后存在累計(jì)誤差的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。對于微分控制而言，具有容量滯后的控制通道，當(dāng)將微分控制引入后，針對提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)具有顯著的效果，可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，增加其穩(wěn)定性，減小其動(dòng)態(tài)誤差。

據(jù)此，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程系統(tǒng)的控制，在調(diào)整時(shí)，我們需要在三個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡與調(diào)整。因此，常用的兩種控制策略如下：

1）臨界比例度法。在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，激勵(lì)信號(hào)為階躍信號(hào)，將調(diào)節(jié)控制器設(shè)置為純比例作用下，緩慢去調(diào)節(jié)控制器，按照從小到大的規(guī)律逐漸調(diào)節(jié)其大小。即，比例Kc 設(shè)為適當(dāng)數(shù)值，微分常數(shù)TD 設(shè)置設(shè)為最小，將控制器積分Ti 設(shè)到最大，然后將K 的值由大往小逐漸改變，每改變一次K 值時(shí)，改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時(shí)觀察被控變量y 的變化情況。若y 的過渡過程呈衰減振蕩，則繼續(xù)減小K 值，若y 的過渡過程呈發(fā)散振蕩，則應(yīng)增大Kc 值，直到調(diào)至某一Kc 值，過渡過程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止，這時(shí)的過渡過程稱之為臨界振蕩過程，出現(xiàn)臨界振蕩過程的比例K 稱為臨界比例度，臨界振蕩的周期T 則稱臨界周期。臨界比例度法單方便，容易判斷，是使用非常廣泛的一種方法，適用于一般的控制系統(tǒng)之中。但是對于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用。

2）4 比1 衰減曲線法。在系統(tǒng)處于閉環(huán)情況下，將微分時(shí)間TD 設(shè)置為0，控制器積分Ti 設(shè)為最大，比例Kc 設(shè)于適當(dāng)數(shù)值，Kc 值每改變一次Kc 時(shí)，由改變給定數(shù)值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，然后使Kc 由大往小逐漸改變，同時(shí)觀察過渡過程的變化情況。如果衰減比大于4∶1，Kc應(yīng)繼續(xù)減小，直至過渡過程呈現(xiàn)4∶1 衰減時(shí)為止，當(dāng)衰減比小于4∶1 時(shí)，Kc 應(yīng)增大，4∶1 衰減振蕩時(shí)的比例Kc。

5 工程組態(tài)環(huán)境

在系統(tǒng)控制器組態(tài)里添加需要用到的輸入輸出對象以及PID 控制源，程序設(shè)計(jì)完成之后就在仿真曲線里添加需要查看的源。

仿真開始后，趨勢曲線在線實(shí)時(shí)記錄仿真情況，并記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)行過程中以運(yùn)行時(shí)間為X 軸繪出曲線，從0 時(shí)刻開始記錄，單位為秒。趨勢畫面中所有的曲線共享同一時(shí)間軸。因此，當(dāng)縮放時(shí)間軸時(shí)，所有的曲線都一起變化。趨勢畫面中的Y 軸為數(shù)據(jù)軸，每一條曲線都擁有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)軸及相應(yīng)坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)軸的顏色與曲線的顏色相同。X 軸和Y 軸坐標(biāo)均可以通過鼠標(biāo)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)縮放功能。

三級(jí)液位趨勢曲線如圖3 所示，當(dāng)加入擾動(dòng)后，可以觀察系統(tǒng)的控制效果。調(diào)節(jié)過程中，可以先將Ti 的初值設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)，開始發(fā)現(xiàn)振蕩后，可以逐漸減小Ti 值，若系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩慢慢減弱后，再反過來，慢慢增大Ti，直到系統(tǒng)振蕩消失。對于PID 的整定值，可以結(jié)合4∶1 衰減曲線法進(jìn)行設(shè)定，若衰減過程中衰減比要大于4∶1，需要根據(jù)實(shí)際情況繼續(xù)減小。

最終，經(jīng)過PID 參數(shù)整定，自動(dòng)調(diào)節(jié)后的曲線圖如圖3 所示。

圖3 整定結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對在流程行業(yè)上遇到的部分問題而言，采用PID 算法控制是系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，使生產(chǎn)得到了保障，效率得到了提高，下面就針對在系統(tǒng)運(yùn)行中參數(shù)選擇，整體而言，有以下方法供參考。

1）對于有些參數(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響，例如三級(jí)儲(chǔ)罐的熱量回收、液位、熱量回收預(yù)熱系統(tǒng)等，對于這部分參數(shù)，采取默認(rèn)值即可，這時(shí)候可考慮比例控制，甚至采用開關(guān)控制。

2）有一些需要設(shè)置又不是很重要的參數(shù)，不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，但是慣性較大，可采用比例—微分控制器。但是對于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選用比例—微分控制器。

3）對控制要求比較高，要求生產(chǎn)平穩(wěn)，可采用比例—積分控制器。

4）對于有高精度生產(chǎn)要求，希望動(dòng)態(tài)偏差較小，被控對象的時(shí)間滯后比較大的參數(shù)，控制精度要求比較高，應(yīng)當(dāng)采用比例—積分—微分控制器。