常建東 虎恩典 趙文賢 張東

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有液位調(diào)控系統(tǒng)中雙回路PID參數(shù)調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題，通過(guò)將繼電反饋?zhàn)鳛橹蜳ID參數(shù)自整定方法，設(shè)計(jì)了一套基于MCGS和PLC的液位調(diào)控系統(tǒng)用串級(jí)PID參數(shù)自整定控制策略。通過(guò)分析儲(chǔ)油罐階躍響應(yīng)得到傳遞函數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行離散化并建立了PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)，在MCGS平臺(tái)成功實(shí)驗(yàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。比較自整定前后的控制性能，得到PID參數(shù)自整定具有較快的響應(yīng)速度，較小的超調(diào)量、更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)、更強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐系統(tǒng)液位的最佳控制。仿真結(jié)果表明PID參數(shù)自整定控制技術(shù)能夠有效地調(diào)節(jié)儲(chǔ)油罐系統(tǒng)的液位控制，極大地保證輸油系統(tǒng)的安全。

關(guān)鍵詞： 液位； 串級(jí)控制； PID參數(shù)； 自整定

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0152?03

0 引 言

在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑水處理等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1?3]。通過(guò)液位的檢測(cè)來(lái)控制容器中的原料的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)物料的平衡，保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)[4?5]。目前液位的控制多采用人工整定PID控制策略，其存在操作繁瑣、整定結(jié)果誤差較大，難以適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境的變化等缺陷[6]，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。

關(guān)于液位的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)許多學(xué)者開展了這方面的工作。林屹設(shè)計(jì)了一種模糊自校正PID控制器，并成功應(yīng)用在雙容水箱液位控制問(wèn)題上[7]。李曉理采用多模型控制思想設(shè)計(jì)控制律設(shè)計(jì)了水箱液位的跟蹤模型，避免液位達(dá)到上限[8]。丁芳在常規(guī)PID控制算法的基礎(chǔ)上， 根據(jù)專家以及工作者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)以一種智能PID 的液位控制方法[9]。趙丹丹采用PLC為主控制器，變頻器為執(zhí)行器，MCGS監(jiān)控軟件為人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)了一套液位在線自調(diào)整控制系統(tǒng)[5]。

本文對(duì)某單位現(xiàn)在液位控制系統(tǒng)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將PID串級(jí)控制與上、下線控制PLC、可視化平臺(tái)MCGS進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)了串級(jí)PID參數(shù)自整定液位控制系統(tǒng)，并通過(guò)工程實(shí)例研究串級(jí)控制系統(tǒng)在提高控制質(zhì)量方面的效果。

1 液位串級(jí)PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了提高原系統(tǒng)儲(chǔ)油罐的液位控制精度，增設(shè)一個(gè)儲(chǔ)油箱，雙容控制系統(tǒng)方案見(jiàn)圖1。通過(guò)壓力傳感器對(duì)容器的液位物理信號(hào)進(jìn)行采集，并轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，再經(jīng)變送器放大作用轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入PLC中，數(shù)據(jù)在PLC中經(jīng)過(guò)一些算法處理后，輸出4～20 mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥，達(dá)到液位控制的目的。

液位串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示，控制儲(chǔ)油罐液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，所以選擇主控對(duì)象為儲(chǔ)油罐，副控對(duì)象為儲(chǔ)油箱。設(shè)計(jì)目的是提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，因此，副調(diào)節(jié)器按單回路系統(tǒng)方法整定后，將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

2.2 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及自整定方法的選擇

系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)回路的要求有所不同。主回路要求精度高，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律選取PI或PID控制規(guī)律，對(duì)儲(chǔ)油罐液位進(jìn)行調(diào)節(jié)；副回路要求控制的快速性，可以有余差，選取P控制規(guī)律，從而對(duì)儲(chǔ)油箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于繼電反饋的自整定法避免了Z?N法整定時(shí)間長(zhǎng)、臨界穩(wěn)定等問(wèn)題，且保留其簡(jiǎn)單性，目前已成為PID自動(dòng)整定方法中應(yīng)用最多的一種；因此設(shè)計(jì)中采用繼電反饋的自動(dòng)整定法，利用這種方法先求出臨界控制系數(shù)[Ku，]再用Z?N公式計(jì)算PID參數(shù)。根據(jù)實(shí)例要求，選擇副控采樣時(shí)間0.4 s，主控采樣時(shí)間0.1 s。繼電幅值的選取依據(jù)自整定方框圖（如圖4所示），經(jīng)非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法理論計(jì)算和多次仿真選擇合適的繼電特性幅值，進(jìn)而得到合適的主控PID參數(shù)，進(jìn)行自整定。

2.3 自整定實(shí)現(xiàn)過(guò)程及編程

（1） 根據(jù)自整定原理及方法，對(duì)自整定過(guò)程編寫流程如圖5所示。采用西門子編程軟件STEP 7?Micro/WIN以梯形圖語(yǔ)言形式進(jìn)行程序編寫，程序總體上分為手動(dòng)整定和自整定兩部分。在結(jié)構(gòu)上主要由主程序、子程序組成，主程序主要實(shí)現(xiàn)診斷、PID參數(shù)設(shè)定，子程序調(diào)用、報(bào)警等功能。子程序分為手動(dòng)程序和自動(dòng)程序兩部分。手動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)初始化、模擬量輸入輸出和PID整定功能；在手動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，自動(dòng)程序主要還實(shí)現(xiàn)了參數(shù)初始化、系統(tǒng)等幅振蕩的產(chǎn)生、等幅振蕩曲線周期和幅值的測(cè)量、控制算法和被控對(duì)象程序。

（2） 在編程過(guò)程中，如何使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩和精確的求取等幅振蕩幅值、周期是編程的難點(diǎn)，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)仿真和驗(yàn)證，并在實(shí)際系統(tǒng)上運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，自動(dòng)程序流程如圖6所示。

針對(duì)等幅振蕩的周期和幅值的測(cè)量和計(jì)算，幅值可以從系統(tǒng)響應(yīng)曲線直接測(cè)量。而周期[Tu]的測(cè)量，由于采樣周期等因素的影響對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)曲線周期的測(cè)量存在誤差，所以不直接測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)曲線的周期，而是采用測(cè)量輸出曲線的周期使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)Matlab中的Simulink工具仿真最終選擇主控、副控PID參數(shù)見(jiàn)表1。整定前后系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖7所示。其中：曲線1為手動(dòng)整定系統(tǒng)基本穩(wěn)定后響應(yīng)曲線；曲線2～4分別表示三種整定方式整定后響應(yīng)曲線。

由圖7可知：曲線1，3知自整定后響應(yīng)曲線穩(wěn)定后基本沒(méi)有波動(dòng)，系統(tǒng)對(duì)液位的控制更精確，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短，響應(yīng)加快。曲線2～4對(duì)應(yīng)的繼電特性幅值分別為15 mm，30 mm，60 mm。曲線2對(duì)應(yīng)的繼電幅值偏大導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量比較大，系統(tǒng)振蕩加?。磺€4對(duì)應(yīng)的繼電幅值偏小，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間延長(zhǎng)，且系統(tǒng)有余差；曲線3由于繼電特性幅值選擇合理，能夠較合理的滿足系統(tǒng)要求。顯然，PID參數(shù)自整定具有較快的響應(yīng)速度，較小的超調(diào)量、更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)、更強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐系統(tǒng)液位的最佳控制。

4 MCGS監(jiān)控平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)MCGS組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面，見(jiàn)圖8，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)控及顯示﹑PI/PID控制器界面設(shè)計(jì)﹑數(shù)據(jù)瀏覽﹑實(shí)時(shí)曲線及歷史曲線的監(jiān)測(cè)、手動(dòng)/自動(dòng)整定控制操作和給定值及繼電特性幅值輸入設(shè)置等。

當(dāng)設(shè)定值設(shè)置好，系統(tǒng)將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)串級(jí)控制，在右邊設(shè)置了直觀的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，顯示檢測(cè)值和設(shè)定值的狀態(tài)，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)12 h，6 h，1 h，30 min，15 min，5 min，1 min的時(shí)間段的曲線顯示。圖11可見(jiàn)隨著時(shí)間的變化，下水箱液位穩(wěn)定在5 m。驗(yàn)證了PID參數(shù)自整定應(yīng)用在液位控制上的合理性，能夠夠提高液位的控制精度，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件作為人機(jī)交互界面，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)控制策略，實(shí)現(xiàn)了串級(jí)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。

針對(duì)雙回路PID自整定在面板上難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了雙回路PID自整定，對(duì)軟件開發(fā)有重要意義。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)繼電幅值可以使PID自整定結(jié)果更加理想。改進(jìn)后的系統(tǒng)已在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性明顯提高，生產(chǎn)效率也得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 周妮娜.基于雙模糊控制器的水箱液位控制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）：140?141.

[2] 喬茂偉，韋永斌.基于PSO的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID在液位控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，2012（9）：43?47.

[3] 周榮強(qiáng)，羅真.雙容水箱液位DMC?PID串級(jí)控制仿真研究[J].自動(dòng)化儀表，2011（10）：63?65.

[4] 常靜，房澤平，楊益.基于虛擬儀器和PCI?6014的液位過(guò)程控制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（9）：65?67.

[5] 趙丹丹，鄒志云，于蒙，等.基于PLC和變頻器的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2013（8）：895?898.

[6] 吳興純，楊燕云，吳瑞武，等.基于模糊PID控制算法的自動(dòng)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2011（12）：1654?1657.

[7] 林屹，葉小嶺.模糊自校正PID液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010（3）：17?20.

[8] 李曉理，石隴輝，丁大偉.水箱液位系統(tǒng)多模型控制方法[J].控制理論與應(yīng)用，2011（3）：370?374.

[9] 丁芳，李艷芳，費(fèi)玉龍.智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（16）：103?105.