基于Matlab雙容液位系統(tǒng)控制方法研究

竇艷艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京分院，江蘇南京，210019）

0 引言

液位及流量控制的問(wèn)題在人們?nèi)粘Ｉ钪?、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中非常常見(jiàn)，比如日常城市生活用水的供給、污水處理、飲料加工生產(chǎn)、化工生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域的加工生產(chǎn)流程中，都會(huì)涉及到蓄液池，其液位既不能太滿也不能過(guò)低，需要在一定范圍內(nèi)[1]。因此，本文研究對(duì)水箱液位的控制方法，使得水箱內(nèi)液位更快更穩(wěn)定的保持期望值顯得十分有意義。

PID控制是傳統(tǒng)工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，即比例、積分、微分控制，在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便。當(dāng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不確定時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)需要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，此時(shí)采用PID控制方法最為便利。工業(yè)過(guò)程控制中的被控對(duì)象很多都具有純滯后特性?？刂评碚撝械募儨筮^(guò)程特征方程含有純滯后環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，滯后時(shí)間越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差。針對(duì)滯后主導(dǎo)的過(guò)程，PID控制器的微分項(xiàng)具有較好的控制效果，但無(wú)法控制純延遲環(huán)節(jié)主導(dǎo)的過(guò)程。Smith曾提出一種純滯后補(bǔ)償型的模型，能夠極大的改進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)，該方法具體操作方式為：將一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)并聯(lián)到PID控制器上，把純滯后環(huán)節(jié)放至控制回路的外部，從而達(dá)到預(yù)期效果，此補(bǔ)償環(huán)節(jié)被稱作Smith預(yù)估器[2]。串級(jí)控制系統(tǒng)在復(fù)雜控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，當(dāng)對(duì)被控變量的誤差范圍要求盡可能的小時(shí)，簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)滿足要不了要求時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制系統(tǒng)[3]。

1 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)

如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)包含鍋爐、儲(chǔ)水箱、三個(gè)水箱、兩臺(tái)水泵、大功率加熱管、板式換熱器、硬件聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)、滯后時(shí)間具有可調(diào)性的滯后系統(tǒng)等。傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng)由一個(gè)壓力變送器、五個(gè)溫度傳感器、兩個(gè)渦輪流量計(jì)或電磁流量計(jì)、一到三個(gè)液位傳感器、一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、兩個(gè)液位開(kāi)關(guān)、一至兩個(gè)電磁閥組成。現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)分為兩條支路。第一條支路包含1#水泵、鍋爐、換熱器等設(shè)備，可以將水注入到鍋爐和三只水箱中。第二條支路包含2#水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器以及三個(gè)水箱，可以液體流入換熱器對(duì)其冷卻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

圖1 A3000 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下面對(duì)分別用單回路PID控制方法、基于Smith預(yù)估器的PID控制方法、串級(jí)PID控制方法對(duì)該對(duì)象進(jìn)行仿真模擬，并分析這些控制方法對(duì)于雙容水箱對(duì)象的控制的優(yōu)劣之處。

2 雙容液位系統(tǒng)控制方法比較研究

■2.1 單回路PID控制仿真模型

首先運(yùn)行MATLAB，然后啟動(dòng)Simulink。用simulink構(gòu)建單回路PID控制系統(tǒng)的仿真框圖如圖2所示。

圖2 單回路PID控制仿真框圖

系統(tǒng)模型的創(chuàng)建工作結(jié)束，然后設(shè)置正確的系統(tǒng)模塊參數(shù)與系統(tǒng)仿真參數(shù)。此處PID參數(shù)用的是穩(wěn)定邊界法調(diào)節(jié)整定的，分別設(shè)為7,0.14,1。

■2.2 基于Smith預(yù)估器的PID控制仿真模型

由于單回路PID控制方法對(duì)于二階大延遲系統(tǒng)的控制效果并不理想，這里又提出了一種基于Smith預(yù)估器的PID控制方法。Smith預(yù)估補(bǔ)償控制是克服純滯后的一個(gè)有效的控制方法，它能夠預(yù)估在基本擾動(dòng)下過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，接著通過(guò)預(yù)估器對(duì)其補(bǔ)償，將被調(diào)量（被延遲的）超前反映到調(diào)節(jié)器中，從而讓調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，通過(guò)該方法可以超調(diào)量顯著減小，調(diào)節(jié)時(shí)間也進(jìn)一步縮短。這里PID參數(shù)和單回路PID仿真電路圖中的相同為7,0.14,1，便于比較結(jié)果。圖3為基于Smith預(yù)估器的PID控制仿真框圖。

圖3 基于Smith預(yù)估器的PID控制仿真框圖

■2.3 串級(jí)PID控制仿真模型

根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路設(shè)計(jì)原則，中水箱靈敏性比下水箱好，故此處選擇中水箱為副對(duì)象，下水箱為主對(duì)象。仿真框圖如圖4所示。

圖4 串級(jí)PID控制仿真框圖

調(diào)節(jié)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，先調(diào)副調(diào)節(jié)器粗調(diào)，這里副回路PID參數(shù)為3,0.1,0，再調(diào)主調(diào)節(jié)器細(xì)調(diào)，這里主回路PID參數(shù)為5,0.1,0.05。

■2.4 三種PID控制方法對(duì)比分析

為了清楚地觀察以上三種PID控制對(duì)雙容水箱系統(tǒng)液位控制的優(yōu)劣，下面來(lái)分析三者的輸出波形圖，波形對(duì)比圖如圖5所示，這里在每個(gè)仿真圖中添加step在700s時(shí)輸出0.5（即50%）的擾動(dòng)值。

圖5 三種PID控制方法仿真結(jié)果對(duì)比（帶擾動(dòng)）

根據(jù)上面對(duì)比圖分別對(duì)其動(dòng)態(tài)特性做了計(jì)算，如表1所示。

表1 三種PID控制動(dòng)態(tài)特性對(duì)比

從圖5和表1中可以明顯的看出，單回路PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩種控制方法的調(diào)節(jié)時(shí)間，說(shuō)明基于Smith預(yù)估器的PID控制方法和串級(jí)PID控制方法能比較好的解決大延遲二階對(duì)象的延遲問(wèn)題。從圖5中還能看出基于Smith預(yù)估器的PID控制方法的超調(diào)量明顯比另外兩種控制方法的要小，而串級(jí)PID控制方法的峰值時(shí)間、上升時(shí)間、延遲時(shí)間都要優(yōu)于另外兩種控制方法。串級(jí)控制方法對(duì)擾動(dòng)有很小的波動(dòng)，抑制擾動(dòng)的調(diào)節(jié)時(shí)間也很短，顯示了串級(jí)控制方法能抑制擾動(dòng)的特點(diǎn)。

所以對(duì)于控制雙容水箱液位系統(tǒng)等大延遲二階對(duì)象系統(tǒng)時(shí)，基于Smith預(yù)估器的PID控制方法和串級(jí)PID控制方法都是比較有效的。

3 結(jié)束語(yǔ)

雙容水箱液位控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位等相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)控制，研究過(guò)程控制規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)具有非線性、慣性大、時(shí)滯長(zhǎng)等過(guò)程控制動(dòng)態(tài)過(guò)程，無(wú)法精確描述，通過(guò)調(diào)節(jié)普通PID控制器參數(shù)難以很好的解決這些矛盾。本文的主要對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)分別采用單回路PID控制、基于Smith預(yù)估器的PID控制、串級(jí)PID控制方案進(jìn)行仿真和對(duì)比分析，研究該系統(tǒng)的運(yùn)行特性。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜的今天，復(fù)雜系統(tǒng)的控制難題將會(huì)逐步得到解決，而實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能化將成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)。