APP下载

三容水箱分段PID控制算法设计与仿真

2018-08-24程锦发李兴红向茜

科学与财富 2018年24期
关键词:过程控制

程锦发 李兴红 向茜

摘要:随着工业4.0标准的出现,国内外工业自动化控制系统发展势头空前迅猛。在实际工程中,许多的工业控制对象都可以抽象成三容水箱进行仿真或者实验研究。而对三容水箱的控制策略常见的有PID控制、模糊PID控制及遗传算法控制。由于三容水箱具有非线性、时间延迟等特点,常规的PID控制方法往往控制精度低、响应速度慢、甚至容易引起振荡超调。本文根据水箱流量的近似分段特性,对三容水箱进行分段线性化处理,并设计分段的PID控制策略,实现更为优质的液位控制效果。为实验教学方便,笔者在MATLAB/Simulink平台上设计了液位仿真软件,界面友好,操作方面,可移植性强。

关键词:液位控制;分段PID控制;过程控制;三容水箱

中图分类号:TP334.2 文献标识码:A

0 引言

三容水箱系统在过程控制的研究与仿真中具有重要的工程实践意义。主要因为,首先三容水箱液位控制系统具有非线性、时间延迟及大惯性的特点。其次,对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断的研究已形成系统体系,其模型结构便于科研工作者通过仿真软件试验算法的有效性。此外,在过程控制领域,液位控制系统被公认为控制算法研究与仿真的理想模型。

本文采用的是一个三容串级式水箱液位系统,通过在每一个水箱出水口处插入阻力板,系统可以构成三阶线性或者非线性的研究对象。由于非线性阻力板使得系统具有堰型隙缝式流量计的特性,其模型过程参数和传递函数都会发生变化,对其进行有效且稳定的控制显得更为重要有意义。

本文主要的工作是建立了三容水箱系统的三阶数学模型,设计分段PID控制算法,最后在MATLAB/Simulink上实现软件仿真,验证算法的正确性和精确度。

1 三容水箱系统结构及数学模型

1.1 水箱系统结构

三容水箱系统组成如图1。开机启动时,增压泵抽出储水箱内的自来水,通过两个比例电磁阀注入容器T1和T3,容器内的水再通过XV1、XV2和XV3排入储水箱,这样就构成了一个封闭的控制回路。通过各阀门开关状态的不同组合,可组成各阶控制对象和不同的控制系统。

图1 三容水箱系统结构图

以T3号水箱为例,水箱的系统控制流程如图2所示:

图2 三容水箱系统控制流程图

I/V和V/I转换是电压电流信号之间的变换,实现4~20mA电流和0~10V电压的相互转换。再通过电气转换器将电流信号转换成0.02~0.1MPa气动信号,作为电磁阀门的控制信号。如此便构成了三容水箱液位控制系统的闭环负反馈控制回路。

1.2 数学模型

当输入流量大于输出流量,液位会逐渐上升,由于此时出水口的压力也会相应增大,当液位上升到給定值时,输入流量等于输出流量,建立平衡。水箱的数学模型其实就是输入量与液位高度之间的平衡关系。

根据物料的平衡关系,单位时间内流入的物料必然等于单位时间内流出的物料。因此得出:

其中,是液位流量,,由阻力板的性质决定,其是线性关系或者非线性关系。C是水箱液体容积,为一固值,C1=C2=C3=0.2m2。由上述方程可以得到三容水箱的状态空间方程如下:

在水箱1、2、3中分别插入一个线性的阻力板时, ,r1为阻力板1的线性水阻。实验测得 。通过拉普拉斯变换,三容水箱的线性数学模型为:

2 分段PID算法设计与仿真

2.1 分段PID设计

当在T1、T2号水箱插入线性阻力板,在T3号水箱插入非线性阻力板时,此时三容水箱便构成了非线性模型。1、2号阻力板的流量特性为:

实验测得,其中A=5mm,B=15mm,α=0.6。

3号非线性阻力板的流量特性为:

q为非线性阻力板的流量,与液位有关,在液位h为(0,30),(30,65),(65,85),(85,100)区间内的曲线可以近似为线性直线。

图3 分段线性化的近似直线

根据3号阻力板的分段流量特性,水箱被控对象的模型也应分段处理,所以得到分段后的数学模型。

再根据每一段液位所属函数设计其对应的PID参数模型,从而达到一个最优的控制目的。

表1 分段PID参数设计

2.2 MATLAB/Simulink仿真

借助于Simulink工具箱,设计仿真界面,搭建Simulink程序模型,得到实验的仿真曲线。

图4 常规PID低液位时仿真曲线

图5 分段PID低液位时仿真曲线

图6 分段PID高液位时仿真曲线

图4是应用常规固定PID参数仿真时截取的部分响应曲线,可以发现,随着液位的变化,常规PID的并不能保证一个较好的稳快准性能。无论是稳定性或者快速性,明显不足。而分段PID的控制结果显示,系统在低液位25mm 附近的动态响应为欠阻尼,上升时间约为2.5s,调节时间ts(5%)≈8.8s,最大超调量12%;在高液位80mm 附近的动态响应调节时间ts(5%)≈10s。由于分段线性化存在一定的误差,使得分段 PID 参数值不能完全与被控对象相匹配,所以控制性能与典型 I 型系统的理想性能指标有一定的偏差。

3结束语

本设计针对常规PID在大惯性、非线性系统环节控制的不足,应用了分段PID独立控制的思想,在三容水箱非线性对象上取得了较好的液位控制思想,拥有较为优秀的抗干扰性和鲁棒性。此方法还可应用于锅炉加热系统,水泥厂过程控制等,使得控制更为精确和实时。

参考文献:

[1]宋清昆,曹剑坤,韩笑,等.关于三容水箱系统水量液位优化控制研究[J].计算机仿真,2016,33(5):330-334.

[2]何潇,王子栋,刘洋,等.基于Internet的网络化三容水箱实验平台[J].南京航空航天大学学报,2011(s1):190-193.

[3]黄勤芳,覃秀凤.自适应预测控制在三容水箱液位系统中的应用[J].机械设计与制造,2017(1):83-86.

[4]李晓理,李骥,石陇辉.水箱液位系统的建模与仿真[J].系统仿真学报,2010,22(4):829-832.

作者简介:

程锦发(1990-),男,江苏盐城,助教,硕士研究生。主要研究方向:测控技术。

猜你喜欢

过程控制
慕课理念下研究生培养过程控制体系构建
公路工程通用型桥梁质量过程控制
油田企业全面预算过程控制体系研究
智能阀门定位器的工作原理及故障处理
PLC控制的特点及其在化工过程控制的运用
幼儿园互动式区域游戏环境的研究
互联网+背景下数学试验课程的探究式教学改革
动车组齿轮箱的检修技术及安全防范
施工技术质量过程控制