王钊

【摘 要】双容液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它充分利用了计算机控制技术和自动控制技术，实现了对水箱液位的控制。本文首先综合被控对象、调节阀、测量装置的数学模型，分析出系统的广义对象传递函数;其次，利用计算机解出等效一阶惯性纯滞后系统的数学表达式并且用动态参数整定法整定出控制器的PID参数，设计数字积分分离PID控制程序;最后实时监测系统输出值，并据此调节PID控制参数。

【关键词】双容液位;过程控制;计算机控制;自动控制;数字积分分离PID

一、双容液位控制系统

过控中液位控制就是对某一个水箱容器的流量（即流入量和流出量）进行控制的控制系统。它可以让容器中的液体高度保持在人们所需求的数值位置上。液体位置的高低在程序中是非常重要的参数。在我们学过的蒸汽锅炉运行时，常需保正液体位置的稳定，以取得较为高效的生产率。而双容水箱液位控制系统采用计算机进行控制，水箱二的液位设定在一定的高度，通过水箱1，水箱2的输出信号到computer（计算机），之后进行相应的P、I、D运算，随后信号进入调节阀，然后电动调节阀控制1号（水泵）的出水量，进而控制2号（水箱）的液体位置。

二、PID控制参数与参数整定

PID控制器参数整定的方法分为两大类：

理论计算整定法。它依据相关数学模型，利用理论计算确定参数。测定过程中，数学模型是通过计算让人们得到相关系统的类型以及特性。当然，单单通过建立数模并计算参数并不牢靠。我们仍需通过工程，实验，进行调整和修改。同时这这种方法的工作量也很大，所以在工程多半不推荐使用。

工程整定方法，它需求工程经验，而直接在过控实验中进行一系列参数整定，过程简单，方便操作。是在生活中被人们利用的最多的方式。正所谓实践是检验真理的唯一方法，这一点在这里也适用，只需不复杂的实验，就能或得合适的结果，因而较为实用也不足为奇。

在这里，我们选择积分分离PID控制算法，因为在一般（比例...微分）控制中，对于液体位置这种变化周期十分缓慢来说，这一现象更为严重。为此，采用积分分离是必不可少的，所以e（k）（偏差）较大时，取消I（积分）作用;反之I（积分）作用。

三、控制参数与被控参数整定

3.1  被控参数整定过程

首先我们要将广义被控对象等效为一阶惯性纯滞后，根据要求为二阶惯性环节（被控），其传函为：

测量装置和调节阀的特性为：

根据这两个可得广义对象的传递函数为：

因此等效的一阶惯性纯滞后系统为：

对于系统中的未知参数量在本设计中利用两点法处理求K、T、τ，根据单位阶跃响应曲线将其等效为一阶

惯性纯滞后运用两点法，为了方便计算，可取

用MATLAB仿真可以得到两点（12.8，0.39），（19，0.63）带入下边公式。

可得：T=12.4;τ=6.6

则该一阶惯性纯滞后為

为了验证其等效参数是否有误，我们又在其原对象的阶跃响应曲线中取了两个测试点

取测试点：

利用上步求得的T、τ，

可求得：

由此可知，测试点数据在误差允许范围内，因此所等效的参数大致符合。对此我们需要分析其等效模型的适用性，根据上述所得的等效的一阶惯性纯滞后系统：

利用Matlab把它们两个的阶跃响应曲线画出来，观察其拟合精度。

由MATLAB仿真得到拟合法前后系统阶跃响应曲线对比图可知，两点法的拟合程度较好，用一阶惯性纯滞后去代替原先的广义对象传递函数，其误差不大，可以使用其等效的模型法代替水箱的广义传递函数。

所以如果其阶跃响应之间拟合度不好，我们就不能使用一阶惯环加纯延迟去近似广义被控对象，即不能使用动态参数法去工程整定（比例...微分）的参数。

所有的系统整定方法都有着自己的有点缺点。都有自己的使用说明书，需要我们认真了解，并去确定谁与谁较为合适。

3.2控制参数整定

我们运用运用特性参数法（动态），采用非常实用双C科恩（Cohen）—库恩（Coon）整定公式：

由此可以计算得出：

又由：

可得

所以使用 C—C法可以得到的参数的值为

3.3凑试法

根据我对过程控制技术的认知，每种整定方法都会有着属于自己的适用范围，因此我们要善于针对特点与要求，选择合适的我们需要的方法整定方法。在这样的过程中得出的参数都需要通过自己去一步一步的试验，重复调整理解，直到符合需求。

在利用动态特性参数法整定出Kp、KI 及Kd，再利用凑试法进行现场试验，反复调整，直到取到满意的效果为止。

首先是P（比例），将Kp的数值逐渐增大，并注意系统响应，当响应快，超调小的响应曲线出现的时候。然后再加入I（积分），先将积分时间设到一个比较大的值，然后将已经整理好的比例系数略为浓缩，然后减小I（积分）的时间，使得系统自保持良好的动态性能下，静差大致得到清除，直到出现合适的结果。

最后经过反复凑试和比较，得出了比较理想的参数如下：

四、总结与展望

对于双容液位计算机控制系统的设计步骤，我总结为：

1）需先求出广义传函，求等效惯性纯滞后（一阶）系统;

2）整定出控制器的PID参数;

3）将被控对象进行带零阶保持器的数字化处理后，设计数字积分分离PID控制程序;

4）最终调节PID参数达到自己所追求的稳定的系统控制要求。

对于整体的计算过程可以参考过程控制书上的公式，能提高计算出正确数据效率，只是程序的设计过程比较难，需要自己查阅一些资料，随着程序设计出来后，并理解资料里公式作用，符号的意义，过程的由来，为什么要这么做，可以使大家对于双容液位计算机控制系统的设计有着近一步的认识。