高興泉,王子碩,祝 強(qiáng),趙 強(qiáng)

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

一些典型的液位(或物位)控制問(wèn)題如工業(yè)鍋爐汽包水位控制、結(jié)晶器液位控制等問(wèn)題都可以抽象成水箱液位的控制問(wèn)題[1,2].而且水箱液位系統(tǒng)還是非常典型的非線性系統(tǒng)，其液位的控制算法研究及應(yīng)用對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制具有較好的借鑒意義[3-7].

本文以雙容水箱液位系統(tǒng)為例，介紹了一種基于Quanser公司生產(chǎn)的Q4數(shù)據(jù)采集卡的液位控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)[8].該平臺(tái)中，真實(shí)的雙容水箱液位系統(tǒng)和Matlab/Simulink仿真軟件搭建的控制器通過(guò)Q4數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通信，形成控制回路.利用Simulink積木式的編程方式，可以非常方便地開(kāi)發(fā)各種先進(jìn)的控制算法或修正控制器的一些參數(shù).另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，控制器的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來(lái)，所以它能夠廣泛用于實(shí)際產(chǎn)品的修改定型、產(chǎn)品改型和出廠檢驗(yàn)等方面，從而大大縮減控制系統(tǒng)的研發(fā)周期.

1 雙容水箱簡(jiǎn)介

雙容水箱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 雙容水箱結(jié)構(gòu)示意圖

雙容水箱由兩個(gè)圓柱體的有機(jī)玻璃容器組成，分別為T(mén)1水箱和T2水箱.電磁泵從底部的儲(chǔ)水箱抽水后注入水箱T1，水箱T1和T2之間是連通的，部分水從水箱T2底部的漏水孔流入儲(chǔ)水箱，形成了水的循環(huán)流動(dòng).雙容水箱液位的控制問(wèn)題是實(shí)時(shí)根據(jù)兩個(gè)水箱液位的變化調(diào)整泵的流量，使水箱T2的液位保持在一定值或根據(jù)需要按照一定規(guī)律變化.

2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)構(gòu)成

2.1 仿真平臺(tái)總框圖

仿真平臺(tái)總框圖如圖2所示.雙容水箱液位控制系統(tǒng)工作時(shí)，兩個(gè)液位傳感器(壓力傳感器)采集兩個(gè)水箱的液位信號(hào)(4～20 mA電流信號(hào))，通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成Q4數(shù)據(jù)采集卡可接收的1～5 V電壓信號(hào)，并送入Simulink搭建的控制器中，控制器通過(guò)一定的控制算法計(jì)算出水泵工作的PWM信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)水泵，從而控制水箱的液位[9,10].圖3為整個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖.

圖2 雙容水箱液位控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)總框圖

圖3 雙容水箱半實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

圖中，①為控制器(SIMULINK)，②為Q4數(shù)據(jù)采集卡，③為水泵驅(qū)動(dòng)電路，④為電氣轉(zhuǎn)換單元，⑤為24 V電源，⑥為液位傳感器，⑦為儲(chǔ)水箱，⑧為水泵，⑨為水箱.

2.2 Q4數(shù)據(jù)采集卡及系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真

本平臺(tái)采用了加拿大Quanser公司生產(chǎn)的Q4數(shù)據(jù)采集卡達(dá)到雙容水箱系統(tǒng)和控制器通信的目的.Q4采集卡是一個(gè)通用的高性能實(shí)時(shí)測(cè)量的控制板卡，可由MATLAB/Simulink直接驅(qū)動(dòng)，它帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出(ADC)、電機(jī)編碼輸入(ENC)、PWM等多種常用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口，能夠把多種受控對(duì)象與Simulink中的控制器直接相連，構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng).需要注意的是，Q4采集卡的輸入輸出信號(hào)需要和外圍硬件電氣信號(hào)相匹配，才能實(shí)現(xiàn)通信的目的.另外，平臺(tái)中的QuaRC軟件可以保證控制器計(jì)算和運(yùn)行的實(shí)時(shí)性.QuaRC是Quanser下一代多功能快速控制開(kāi)發(fā)環(huán)境，無(wú)縫集成Simulink.QuaRC可以從Simulink設(shè)計(jì)的控制器中，自動(dòng)生成實(shí)時(shí)代碼，并且可以應(yīng)用于Windows XP，Windows，Vista或QNX操作系統(tǒng)之中.在該開(kāi)發(fā)環(huán)境中，控制參數(shù)可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接調(diào)節(jié)，達(dá)到快速測(cè)試的目的.

2.3 液位檢測(cè)及壓力傳感器的標(biāo)定

半實(shí)物仿真平臺(tái)選用上海奇正信息電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為PT330J.N0.5K.7.3的壓力傳感器作為兩個(gè)水箱的液位檢測(cè)元件.該壓力傳感器量程是0～5 kpa，(對(duì)應(yīng)液位高度0～50 cm)，接線為二線制，輸出是4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào).值得注意的是，Q4采集卡只能接收-10 V至10 V的模擬電壓信號(hào)，所以要通過(guò)電氣轉(zhuǎn)換單元，將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成Q4卡可以接收的電壓信號(hào)，因此設(shè)計(jì)電氣轉(zhuǎn)換單元電路如圖4所示.根據(jù)得到的電壓和液位高度的變化范圍，在Simulink中建立電壓液位轉(zhuǎn)換模塊，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)水箱液位變化的目的.

圖4 4～20 mA電流到1～5 V電壓轉(zhuǎn)換電路

2.4 水泵的驅(qū)動(dòng)

水泵采用南京信可電子有限公司生產(chǎn)的WS246型水泵，該水泵工作電壓為24 V，揚(yáng)程為3 m，可以通過(guò)PMW信號(hào)調(diào)節(jié)其占空比來(lái)調(diào)節(jié)泵流量，最終達(dá)到控制液位的目的.而Q4采集卡只能輸出0～5 V的PWM信號(hào)，經(jīng)如圖5所示放大電路最終轉(zhuǎn)換為24 V PWM信號(hào)才能驅(qū)動(dòng)水泵.

圖5 水泵驅(qū)動(dòng)電路

3 控制器搭建及參數(shù)整定

計(jì)算機(jī)中安裝完QuaRC軟件后，在多功能快速實(shí)時(shí)控制開(kāi)發(fā)環(huán)境下，可選擇SIMULINK相應(yīng)組件搭建控制器，并根據(jù)采集的液位信息實(shí)時(shí)計(jì)算出水泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào).設(shè)水箱T2的液位期望值為3 cm，建立好的單閉環(huán)PI控制器仿真模型如圖6所示.首先選擇并配置初始化模塊“HIL Initialize”，采集卡類(lèi)型為Q4.然后配置模擬量輸入模塊，通過(guò)模擬量輸入通道1和通道3讀取經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換電路送來(lái)的電壓信號(hào)，經(jīng)濾波器濾波后根據(jù)電壓和液位的線性關(guān)系計(jì)算兩個(gè)水箱的液位值[11].期望值和讀取的液位值經(jīng)比較后得到跟蹤誤差送至PI控制器，經(jīng)運(yùn)算后得到驅(qū)動(dòng)水泵的PWM信號(hào)，再通過(guò)Q4數(shù)據(jù)采集卡PWM輸出端口將信號(hào)送出，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)水泵.當(dāng)然也可以根據(jù)需要選擇合適的控制器[12].控制器仿真模型搭建完畢以后，選擇外部運(yùn)行模式經(jīng)編譯連接等過(guò)程生成實(shí)時(shí)運(yùn)行的代碼，在保證外部硬件連接正確后，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以正常運(yùn)行.

圖6 雙容水箱單閉環(huán)PI控制器

可以通過(guò)調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)Kp和Ki達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)的控制目的.圖7為Kp=1，Ki=1時(shí)水箱液位和水泵電壓響應(yīng)曲線.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，雙容水箱液位響應(yīng)曲線振蕩劇烈，這可能是由于比例系數(shù)或積分系數(shù)過(guò)大引起的.經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，振蕩的主要原因就是積分作用較強(qiáng).為了減小振蕩，同時(shí)保證閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通過(guò)減小積分系數(shù)Ki和適當(dāng)增加參數(shù)Kp的值，可以達(dá)到改善控制效果的目的.圖8所示為當(dāng)控制器比例系數(shù)Kp為2、積分時(shí)間常數(shù)Ki為0.025時(shí)，雙容水箱液位和水泵電壓響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線.

時(shí)間t/s

時(shí)間t/s

時(shí)間t/s圖7 Kp=1，Ki=1時(shí)雙容水箱液位和水泵電壓響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線

時(shí)間t/s

時(shí)間t/s

時(shí)間t/s圖8 Kp=2，Ki=0.025時(shí)雙容水箱液位和水泵電壓響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)加快，同時(shí)動(dòng)態(tài)特性更平穩(wěn)了.

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于Quanser數(shù)據(jù)采集卡的雙容水箱液位控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真平臺(tái).該平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好，是很好的用于先進(jìn)控制算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的平臺(tái).通過(guò)控制器的實(shí)時(shí)仿真模型，配合實(shí)際的物理系統(tǒng)，能夠有效驗(yàn)證控制器的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果可以有效指導(dǎo)實(shí)際控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)及相應(yīng)參數(shù)調(diào)整過(guò)程，從而大大縮減控制系統(tǒng)的研發(fā)周期，提高研發(fā)效率.