在MATLAB中實(shí)現(xiàn)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程怡安 王忠慶

【摘要】本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過(guò)程特性設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。最后，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。

【關(guān)鍵詞】液位;串級(jí)控制系統(tǒng);MATLAB

1.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、環(huán)保、水處理、冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(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[1]。

在液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將以THJ-2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開(kāi)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級(jí)PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2.串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

2.1 主回路的設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過(guò)程可以按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問(wèn)題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問(wèn)題[2]。

2.2 副回路的設(shè)計(jì)

由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過(guò)主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。

歸納如下。

（1）在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。

（2）將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。

（3）副被控過(guò)程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。

（4）要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。

（5）在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。

在這里要注意（2）和（3）存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過(guò)大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧（2）和（3）的綜合[3]。

3.串級(jí)液位控制系統(tǒng)的仿真

在本雙容控制系統(tǒng)中，主被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為，副被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為，并采用PI控制規(guī)律對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究[4]。

副控制器采用P作用，主控制器采用PID作用，整定串級(jí)控制器的參數(shù)為最佳值。串級(jí)液位控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3.1所示。

KP=0.45，Ki=0.00005

圖3.2 串級(jí)液位控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

對(duì)于串級(jí)液位控制系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖所示。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為260s。

KP=0.45，Ki=0.015

圖3.4 擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線

4.結(jié)論

從串級(jí)回路系統(tǒng)階躍響應(yīng)、一次、二次擾動(dòng)作用下的輸出響應(yīng)圖中可以看出，采用串級(jí)控制且系統(tǒng)的階躍響應(yīng)達(dá)到要求時(shí)，系統(tǒng)對(duì)一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)的抑制也能達(dá)到很好的效果。

圖3.5 設(shè)定值與擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出曲線

但是值得注意的是，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜，所用儀表也較多，費(fèi)用增加，參數(shù)整定和調(diào)試也費(fèi)時(shí)。所以，串級(jí)控制系統(tǒng)并沒(méi)有必要去取代所有的單回路控制系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)遵循一個(gè)原則：凡是使用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足過(guò)程控制要求時(shí)，就沒(méi)有必要再采用串級(jí)控制系統(tǒng)[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]黃忠霖，黃京.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3]黨林立，孫曉群.數(shù)學(xué)建模簡(jiǎn)明教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[4]薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]曹夢(mèng)龍，安世奇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.