基于PLC的智能泳池液位控制系統(tǒng)設(shè)計*

陳佳薈，賽秀杰，袁治倩，澤朗準(zhǔn)

（1.西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；3.西北民族大學(xué) 實驗教學(xué)部，甘肅 蘭州 730030）

自20世紀(jì)50年代以來，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，帶動了智能行業(yè)的驚人成就，特別是在工業(yè)過程控制中更是無不涉及智能技術(shù)。智能泳池控制是工業(yè)過程控制中的一種典型的非線性、大時延、容量滯后的過程控制系統(tǒng)，研究智能泳池液位控制的數(shù)學(xué)模型和控制策略具有重要的理論意義及實際應(yīng)用價值。基于PLC（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的智能泳池液位控制系統(tǒng)，控制對象為工業(yè)過程控制中常見的水箱水位，通過設(shè)計比例-積分-微分控制（Proportion-Integral-Differential Control，簡稱PID控制）和模糊PID控制算法，實現(xiàn)對高階、非線性、大時延的智能泳池液位系統(tǒng)進行有效控制。本設(shè)計主要從智能泳池控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、模糊PID控制算法、基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計、LabVIEW監(jiān)控實驗平臺設(shè)計、系統(tǒng)仿真分析等方面對系統(tǒng)進行全面的設(shè)計和分析。智能泳池控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究手段是采用機理分析對系統(tǒng)建模，建模過程嘗試用微分方程和傳遞函數(shù)進行模型表達。控制算法部分主要是通過閱讀國內(nèi)外相關(guān)論文，結(jié)合本科學(xué)習(xí)期間學(xué)習(xí)的相關(guān)理論課程進行分析設(shè)計。

1 三容水箱系統(tǒng)分析與模型建立

1.1 模型介紹

對于智能泳池控制系統(tǒng)來說，當(dāng)某種形式的擾動作用于對象時，就會引起系統(tǒng)的輸出量發(fā)生相應(yīng)的變化，這種變化可以用數(shù)學(xué)表達式中的微分方程或傳遞函數(shù)進行描述，稱為被控對象的數(shù)學(xué)模型，它用于表征對象的特性，特別是動態(tài)特性。

智能泳池控制系統(tǒng)的實際模型的動態(tài)特性具有非線性特點，這將使對象的數(shù)學(xué)模型及分析處理過程變得復(fù)雜。本文所研究的智能泳池控制系統(tǒng)是有自平衡能力的對象，即當(dāng)智能泳池控制系統(tǒng)受到外部干擾時，平衡狀態(tài)被破壞后，不需要外加任何控制作用，僅靠對象自身的特性重新達到新的平衡狀態(tài)的能力。

1.2 智能泳池控制數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

圖1中，閥門R1、R2、R3為全開狀態(tài)，閥門R0的開度可控，且流入R0的量為系統(tǒng)的輸入，以水箱T3的液位高度h3作為系統(tǒng)輸出，即構(gòu)成單輸入單輸出的三階系統(tǒng)對象。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

式中，K為三容水箱系統(tǒng)的放大參數(shù)，T1、T2、T3分別為上、中、下水箱的時間常數(shù)。

圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點是受到擾動后，被控量的變化速度開始變化比較緩慢，而要經(jīng)過一段延遲時間以后響應(yīng)速度才能達到最大。

1.3 時域法辨識智能泳池模型參數(shù)

上文通過機理分析方法建立了智能泳池控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為了進一步探討控制對象的控制方案，還需要確定系統(tǒng)的詳細參數(shù)，現(xiàn)假設(shè)模型相關(guān)參數(shù)定義如下：

（1）水箱中液體流動性好，粘滯力可忽略不計；

（2）三容水箱控制閥門的動作延時可忽略，且忽略閥門工作的非線性因素；

（3）系統(tǒng)中所有閥門的液阻恒定且相等。

由于此系統(tǒng)的實際參數(shù)模型與具體的實驗設(shè)備有關(guān)，為了方便研究模型參數(shù)定義如下：

（1）電磁閥的工作狀態(tài)只有開或關(guān)兩種，對應(yīng)繼電器線圈的得電或失電；

（2）閥門R1、R2、R3的液阻均為R=300s/m2。

為了簡便計算，模型采用等容環(huán)節(jié)的串聯(lián)來近似，因此：

若階躍響應(yīng)時取K=10，系統(tǒng)的純滯后和容量滯后時間取τ=10s，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

為了探究模型參數(shù)是否具有合理性，用MATLAB/SIMULINK工具箱搭建開環(huán)系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。

圖2模型中，開環(huán)系統(tǒng)的輸入為單位階躍信號，示波器輸出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示，根據(jù)得到的階躍響應(yīng)曲線可知，此三容水箱模型具有自平衡能力，但是當(dāng)系統(tǒng)自然穩(wěn)定時系統(tǒng)的液位為10m，遠遠超過了設(shè)定水箱的高度1m，因此為了達到設(shè)計要求需要在三容水箱系統(tǒng)中加入控制器，使得系統(tǒng)的輸出液位保持在0～1m之間的任意設(shè)定值。

圖2 智能泳池開環(huán)系統(tǒng)的仿真框圖

圖3 智能泳池開環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線

2 智能泳池液位控制系統(tǒng)的控制算法研究

智能泳池液位控制系統(tǒng)由一個檢測轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成，系統(tǒng)可以簡化為由廣義對象和控制器兩部分組成，如圖4所示。

圖4 智能泳池液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于PLC的智能泳池液位控制系統(tǒng)設(shè)計

智能泳池控制系統(tǒng)是控制中的一種典型被控對象，第2章主要研究泳池智能液位控制系統(tǒng)的PID和模糊PID液位控制算法，并對所設(shè)計的控制算法進行分析和驗證。在工業(yè)現(xiàn)場，一般采用PLC作為系統(tǒng)的控制器，因此，為了進一步完善對象的液位控制系統(tǒng)，本章將討論智能泳池液位控制系統(tǒng)的硬件模型、設(shè)計控制系統(tǒng)的主電路、PLC的外部接線電路和PLC程序流程圖。

智能泳池液位控制系統(tǒng)由控制對象、執(zhí)行機構(gòu)、檢測機構(gòu)和控制器等部分組成。控制對象由三個等容的水箱呈階梯式串聯(lián)組成，執(zhí)行機構(gòu)由水泵和電磁閥門組成，檢測機構(gòu)主要由各水箱的液位傳感器組成，PLC是系統(tǒng)的控制核心，三容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 智能泳池液位控制系統(tǒng)示意圖

如圖5所示，閥門R1、R2、R3為手動控制閥，手動閥門R1、R2、R3分別是水箱T1、T2、T3的泄水閥；閥門DF為電動調(diào)節(jié)閥門，由電動調(diào)節(jié)機構(gòu)和閥門組成，開度可控；閥門F1、F2、F3為電磁閥，由電磁線圈和閥門組成，其開關(guān)狀態(tài)由電磁機構(gòu)控制。閥門DF、F1、F2、F3的工作狀態(tài)由PLC的輸出信號控制，其中DF的開度大小體現(xiàn)控制器對三容水箱系統(tǒng)的控制輸入，F(xiàn)1、F2、F3為控制系統(tǒng)的擾動輸入；Q1、Q2、Q3、Q4分別表示DF、R1、R2、R3閥門的液體流出量，QD1、QD2、QD3分別表示F1、F2、F3閥門的液體流出量；T1、T2、T3分別表示三個等容的水箱，每個水箱上安裝有液位傳感器LT用于檢測水箱液位；圖5中粗實線表示液體管道，細實線表示傳輸信號的電纜線路。

三容水箱液位控制系統(tǒng)的工作原理如下：在系統(tǒng)投入工作前，先手動將閥門R1、R2、R3置于全開的狀態(tài)，待三個水箱存留液體放干后再啟動系統(tǒng)，防止系統(tǒng)存在初始干擾。當(dāng)電磁閥F1、F2、F3一個或多個打開時，表示系統(tǒng)加入了階躍擾動輸入，將會給系統(tǒng)增加擾動輸入量，因此電磁閥F1、F2、F3是用于驗證系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)測試系統(tǒng)在擾動作用下的控制效果時，需要將這幾個電磁閥全部或部分打開。

4 結(jié)束語

基于PLC的智能泳池液位控制系統(tǒng)，以三容水箱為被控對象，PLC為控制器核心，控制器分別采用PID和模糊PID為系統(tǒng)的主要控制算法，執(zhí)行器為電磁閥、驅(qū)動控制閥、檢測元件和變送器用于檢測水箱水位變化，三容水箱在工作時按照設(shè)計要求在擾動出現(xiàn)后必須通過控制方案將水箱的水位重新保持在一定高度。

設(shè)計主要對控制對象的數(shù)學(xué)模型、液位定值控制策略、控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計、LabVIEW上位機實驗仿真系統(tǒng)等進行了探討和研究，具體內(nèi)容如下：

控制系統(tǒng)的PID控制：PID算法重點在于參數(shù)整定，PID控制器的參數(shù)整定主要采用經(jīng)驗法和模糊推理的方法，設(shè)計過程中先通過經(jīng)驗法對常規(guī)的PID進行參數(shù)整定，并驗證控制效果，再用較為先進的模糊圖例和推理方式進行PID參數(shù)整定，并通過仿真驗證控制效果。