白仲國(guó)

榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000

串級(jí)控制在雙容液位系統(tǒng)的應(yīng)用研究

白仲國(guó)

榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000

本文首先介紹了雙容液位系統(tǒng)，通過試驗(yàn)建

立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。然后設(shè)計(jì)了控制器并應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果令人滿意。最后，用“組態(tài)王”做上位組態(tài)軟件，用西門子S7-200可編程序控制器（PLC）作為下位控制器，驗(yàn)證了串級(jí)控制方法的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。

雙容液位系統(tǒng)；串級(jí)控制；監(jiān)控組態(tài)

DoubleF luid Position；CascaCdoe ntrol；monitoring configuration

引言

本文中設(shè)計(jì)了一種可以模擬多種對(duì)象特性的雙容水箱系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻是最基本的過程控制系統(tǒng)，是各種高級(jí)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有很好的代表性和工業(yè)應(yīng)用背景。文中設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)串級(jí)控制控制系統(tǒng)是雙容系統(tǒng)精確控制的一種行之有效的控制方法。

1 雙容液位系統(tǒng)簡(jiǎn)介及數(shù)學(xué)模型

1.1 雙容液位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雙容液位系統(tǒng)是一個(gè)兩級(jí)液位串連系統(tǒng)，如圖1所示。通過上水泵給上水箱供水，用電磁閥VA1控制水流量Q1；通過電磁閥VA2控制上、下水箱之間的水流量Q2；通過電磁閥VA3控制下水箱的出水量Q3；通過液位計(jì)LT1、LT2采集水位信號(hào)作為反饋信號(hào)；通過電磁閥的開度反饋信號(hào)來確定閥的實(shí)時(shí)開度；最終通過控制器控制各閥的開度，調(diào)節(jié)兩個(gè)水箱的水位，實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。

圖1 雙容液位系統(tǒng)流程示意圖

1.2 雙容液位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是研究事物性質(zhì)的一種抽象工具，它是描述實(shí)際系統(tǒng)各個(gè)物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常用的數(shù)學(xué)表達(dá)式有代數(shù)方程、微分方程和差分方程等。數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用極為廣泛，它是分析、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)、控制和故障診斷實(shí)際系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]。

在雙容液位控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是控制好上、下水箱中的液位，所以兩個(gè)水箱就是控制對(duì)象，需要對(duì)兩個(gè)水箱進(jìn)行建模，從而設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的各種性能，以便達(dá)到更好的控制效果。

本文中以對(duì)應(yīng)閥門開度為輸入量、液位為輸出量，通過給被控對(duì)象輸入端加M序列，采集數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再應(yīng)用最小二乘法在MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱(System Identification Toolbox)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模?？傻玫絻蓚€(gè)水箱的傳遞函數(shù)如式(1)和(2)所示。

上水箱數(shù)學(xué)模型：

2 串級(jí)控制原理及控制器設(shè)計(jì)

2.1 串級(jí)控制原理

串級(jí)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于它把兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)以一定的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)在一起，從而使工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)達(dá)到更好的控制效果的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

從圖2中可以看出，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由兩個(gè)串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包含主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性更強(qiáng)、且可以迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)控制質(zhì)量。

2.2 控制器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真

在雙容水箱控制系統(tǒng)中，選擇下水箱液位作為系統(tǒng)的主控對(duì)象，上水箱液位作為系統(tǒng)的副對(duì)象，分別針對(duì)主、副對(duì)象設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，輔助主調(diào)節(jié)器對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。

影響液位的兩個(gè)量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量都可以改變液位的高低。

主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，所以選擇主對(duì)象為下水箱，副對(duì)象為上水箱。

PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

PID參數(shù)整定方法主要有理論計(jì)算法和工程整定法，本文采用工程整定法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，通過試驗(yàn)得出主、副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)分別為：

主調(diào)節(jié)器（PID）參數(shù)：Kp=4.3；Ti=476.2；Td=6；

副調(diào)節(jié)器（P）參數(shù)：Kp=25；

根據(jù)上述整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)，利用MATLAB中的仿真集成環(huán)境Simulink進(jìn)行仿真，直接用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后應(yīng)用Simulink中提供的功能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)仿真框圖

圖3中包含兩個(gè)控制系統(tǒng)，其中一個(gè)為雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)，另一個(gè)為不包含副調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的控制系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)有著相同的輸入，相同的PID參數(shù)。給定值為階躍信號(hào)，大小為30%的水位，運(yùn)行仿真程序后，得出曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

將圖4中的圖形進(jìn)一步放大后可以讀出，單閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的峰值為42.95%，雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)輸出的峰值為30.1%。可以計(jì)算得

單閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量：

雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量：

另外，可以讀出

單閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為TS單=480s；

雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為TS雙=120s。

從超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)來看，雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。兩個(gè)控制器的設(shè)計(jì)可以滿足系統(tǒng)控制要求的，可以使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行結(jié)果

本文中，雙容液位控制系統(tǒng)上位組態(tài)軟件采用“組態(tài)王”軟件，下位機(jī)采用西門子S7-200可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）。

在控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中，組態(tài)王把PLC看作外部設(shè)備，利用PC/PPI電纜將計(jì)算機(jī)（組態(tài)王）和S7-200 PLC連接起來，PC/PPI電纜連接計(jì)算機(jī)的一端為RS-232接口，連接PLC的一端為RS-485接口（S7-200編程電纜內(nèi)置RS232C/RS485轉(zhuǎn)換，帶RTS開關(guān)，光電隔離，用于S7-200與PC或DTE設(shè)備之間的連接），再根據(jù)設(shè)備配置向?qū)瓿蛇B接過程。在運(yùn)行期間，組態(tài)王通過驅(qū)動(dòng)程序和PLC交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，既保證了運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，同時(shí)也可以使系統(tǒng)能夠達(dá)到很大的規(guī)模。

計(jì)算機(jī)（組態(tài)王）和S7-200 PLC連接步驟如下：

（1）通過PC/PPI電纜上的DIP開關(guān)，選擇計(jì)算機(jī)（組態(tài)王）與PLC通訊的波特率；

（2）把PC/PPI電纜的RS-232端連接到計(jì)算機(jī)的串行通訊口（COM口）；

（3）把PC/PPI電纜的RS-485端連接到PLC的通訊口0或通訊口1。

在經(jīng)過調(diào)試，上位機(jī)與PLC之間通信成功后，編寫PLC控制程序和上位組態(tài)畫面及后臺(tái)程序。

編寫PLC程序前，首先確定整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)，列出I/O分配表，統(tǒng)籌規(guī)劃好PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，既不能浪費(fèi)，又要留有一定的裕量供后期擴(kuò)展。根據(jù)控制需求編寫好PLC程序后，下載到PLC中，在切斷所有輸出點(diǎn)接線的情況下運(yùn)行，以免由于程序錯(cuò)誤造成誤操作，輸出點(diǎn)的狀態(tài)可以根據(jù)PLC上的指示燈來觀察，必要的時(shí)候可以根據(jù)輸入量的不同，用試驗(yàn)電源、電阻等作為輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試；在反復(fù)測(cè)試，程序功能完全實(shí)現(xiàn)的情況下，再連接所有設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

上位組態(tài)畫面設(shè)計(jì)是力求功能齊全、美觀大方。首先在組態(tài)王工程管理器中新建一個(gè)工程，在工程瀏覽器中完成程序語言的設(shè)計(jì)、變量定義管理、連接設(shè)備的配置、開放式接口的配置、系統(tǒng)參數(shù)的配置等工作；在畫面開發(fā)系統(tǒng)中完成畫面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫連接、程序編寫等工作；所有工作完成后，在組態(tài)王TouchView運(yùn)行系統(tǒng)中運(yùn)行。通過上述工作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、可隨時(shí)倒出、打印運(yùn)行報(bào)表、觀測(cè)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史記錄曲線，需要的時(shí)候還可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊等操作。運(yùn)行中的雙容液位系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 運(yùn)行中的組態(tài)畫面

4 結(jié)語

本文中給出了雙容液位系統(tǒng)的串級(jí)控制方法，設(shè)計(jì)了主、副控制器，整定了控制器參數(shù)。然后用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并最終用“組態(tài)王+PLC”的方式實(shí)現(xiàn)了雙容液位系統(tǒng)的串級(jí)控制，控制效果很好，達(dá)到了預(yù)期的控制要求。

[1]劉宏才.系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)[M].冶金工業(yè)出版社，1994

[2]組態(tài)王6.0使用手冊(cè).北京亞控科技發(fā)展有限公司，2001

[3]邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.5

[4]Troy A. Hertog. AdvancedT echnologFy or Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)

The Design and Research of Cascade Control in Double Fluid Position Control System

Bai Zhongguo
Yulin ShenHua Energy Company, Yulin Shaanxi, 719000, China

This paper introducets he doublef luid positi on system at first. Then design modelineg xperiment to obtaint he mathematimcs odelos f doublefl uid positions ystem. Meanwhilde, esignt he controll ers and testify the feasibility and validity of the controlleras nd the network by simulationA. t last, programb y using Kingviewa nd siemenSs 7-200 PLC to run the doublfel uid positiocn ontrol system. The feasibilitya nd validity of the cascade control scheme has been proved. The results o f simulation and experiment are satisfying.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.106

白仲國(guó)（1969-），男（漢族），陜西省榆林市人，榆林神華能源有限責(zé)任公司，機(jī)電動(dòng)力部，經(jīng)理助理。