孫明革 張嘉誠(chéng)

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

目前，高校中關(guān)于液位過(guò)程控制所用到的裝置，多數(shù)是成套采購(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)水箱設(shè)備，為實(shí)驗(yàn)人員提供了比較成熟的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)，在這種情況下，學(xué)生只能通過(guò)固定模式的實(shí)驗(yàn)掌握控制方法[1]，但是并不能深入了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制程序的編寫思想。為讓實(shí)驗(yàn)人員能夠清晰完整的了解水箱液位控制全過(guò)程，我自主開發(fā)了一套雙容水箱系統(tǒng)，用于本課題的研究以及他人的學(xué)習(xí)。開發(fā)過(guò)程包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型、電路設(shè)計(jì)、實(shí)物組裝調(diào)試、軟件仿真、程序設(shè)計(jì)、過(guò)程控制、干擾實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，并且有繼續(xù)改造升級(jí)的空間。本文著重介紹LabVIEW的編程過(guò)程、PID參數(shù)整定以及對(duì)模型輸出數(shù)據(jù)的分析。

1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

整體系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。三個(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)收集與發(fā)送信號(hào)，送入LabVIEW中通過(guò)程序進(jìn)行處理，部分處理數(shù)據(jù)送到MATLAB中做仿真處理。雙容水箱采用上下式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)供水方式由無(wú)刷直流水泵將水從儲(chǔ)水箱中抽出，經(jīng)由電磁流量計(jì)測(cè)流量，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開度，改變給水量大小，將水送至上水箱，由下端出水管流至下水箱，再流回儲(chǔ)水箱。上水箱與下水箱之間僅有一根出水管連接，無(wú)其他干擾阻礙液體流速，表現(xiàn)為二階特性。因依靠勢(shì)能使水自然下落至下水箱，避免外界干擾因素，上水箱液位高度越高，壓力越大，液體流經(jīng)管道的流量越大，因此兩個(gè)水箱采用串聯(lián)上下式結(jié)構(gòu)目的是排除干擾，依靠重力和壓力使系統(tǒng)響應(yīng)迅速。

圖1 整體系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

將開環(huán)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)捆綁后送入MATLAB中，通過(guò)遺傳算法辨識(shí)系統(tǒng)，辨識(shí)的參數(shù)包含增益K、時(shí)間常數(shù)T1、T2。根據(jù)操作過(guò)程，系統(tǒng)輸入幅值為80，迭代次數(shù)為20次。通過(guò)遺傳算法運(yùn)算后，求得雙容水箱液位系統(tǒng)參數(shù)分別為：K=2.471 、T1=279.2553、T2=275.5242 。因此求得模型的傳遞函數(shù)為：

由目標(biāo)液位和實(shí)際液位組成的仿真曲線圖，如圖2所示。由圖可知，曲線第一次到達(dá)波峰的高度為13.8 cm，第二次到達(dá)波峰的時(shí)間為10.8 cm，求得衰減比為4.75 :1，仿真實(shí)驗(yàn)效果理想。

圖2 仿真曲線

3 模型輸出實(shí)驗(yàn)

如圖3所示為模擬信號(hào)采集程序的循環(huán)部分，首先創(chuàng)建一個(gè)AI采集任務(wù)，將任務(wù)的電壓范圍設(shè)置為0～5V，輸入接線端配置選擇RSE（單端模式），輸入通道選擇AI3（下水箱超聲波液位計(jì)），通道返回值單位選擇電壓[2]。采樣時(shí)鐘設(shè)置采樣模式選擇連續(xù)采樣，采樣時(shí)鐘選擇板載時(shí)鐘，采樣速率設(shè)置為1000ms。在啟動(dòng)任務(wù)之后放置一個(gè)While循環(huán)，內(nèi)部連接DAQmx讀取，設(shè)置為模擬1D波形N通道N采樣。將采集到的電壓值采取中值濾波，去掉尖端毛刺，使曲線光滑，將濾波后的值乘以斜率再加上截距，便得到了液位高度值，此值即為濾波器中的Y軸數(shù)值。在創(chuàng)建波形控件中，設(shè)置時(shí)間間隔為1秒，即為每秒采集一次，將X值和Y值送至波形圖中顯示，構(gòu)成橫軸為時(shí)間縱軸為液位高度的曲線[3]。在循環(huán)中添加條件結(jié)構(gòu)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要存儲(chǔ)曲線的背景數(shù)據(jù)時(shí)，點(diǎn)擊save按鈕，便自動(dòng)生成表格，文件中時(shí)間與液位值一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，按照存儲(chǔ)路徑存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)文件夾內(nèi)，文件名格式為“年，月，日，小時(shí)，分鐘，秒.date.csv”。

圖3 信號(hào)采集程序

將PID程序放到While循環(huán)中，每隔一秒執(zhí)行一次[4]。將過(guò)程數(shù)據(jù)逐次替換，按名稱捆綁，捆綁后送至子VI，做變量輸出范圍的限制。設(shè)定值SP、調(diào)節(jié)值OP、過(guò)程值PV，一同捆綁成數(shù)組送入波形圖中顯示為實(shí)時(shí)變化的歷史曲線[5]。因考慮到對(duì)閥開度值手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，在程序中設(shè)置條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，條件循環(huán)為真，SP、PV值送入PID運(yùn)算程序中，對(duì)其進(jìn)行PID參數(shù)的設(shè)定，并對(duì)輸出的電動(dòng)閥開度進(jìn)行限幅，由于PID程序輸出范圍為-100%～100%，而實(shí)際開度應(yīng)為40%～70%，經(jīng)換算，此處限幅范圍應(yīng)為-20%～40%。基于LabVIEW的PID參數(shù)整定程序判斷部分如圖4所示。

圖4 PID程序

如圖5所示為P=3、I=3時(shí)的過(guò)程曲線，由圖可知，第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值時(shí)橫坐標(biāo)t=24.4 ，實(shí)際時(shí)刻為第244S。第一次到達(dá)波峰時(shí)液位高度為13.1 cm，穩(wěn)態(tài)值為10cm，由此可以計(jì)算出超調(diào)量為31%，較前面兩次實(shí)驗(yàn)有了一定改善。第二次到達(dá)波峰時(shí)液位高度為10.7 cm，衰減比為4.4 ：1。整條曲線震蕩減輕的趨勢(shì)明顯，在第2987s時(shí)達(dá)到并保持穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)值為10.01 cm，誤差為0.1 mm。綜上所述，該組參數(shù)較為理想。

圖5 P=3、I=3的過(guò)程曲線

在仿真實(shí)驗(yàn)中，P取值為3，I取值為0.0055 ，對(duì)應(yīng)積分時(shí)間為180s，在模型輸出實(shí)驗(yàn)中，P取值為3，I取值為3，此處積分時(shí)間單位為min，若將積分時(shí)間換算成以s為單位則為180s。由此可知，仿真實(shí)驗(yàn)與模型輸出實(shí)驗(yàn)的PID參數(shù)取值相同，所獲得的曲線衰減比近似，證明水箱系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)較為成功。