基于Lab VIEW的雙容水箱液位控制系統研究

孫明革 張嘉誠

(吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林132022)

目前，高校中關于液位過程控制所用到的裝置，多數是成套采購的教學實驗水箱設備，為實驗人員提供了比較成熟的實驗環境和平臺，在這種情況下，學生只能通過固定模式的實驗掌握控制方法[1]，但是并不能深入了解實驗設備控制程序的編寫思想。為讓實驗人員能夠清晰完整的了解水箱液位控制全過程，我自主開發了一套雙容水箱系統，用于本課題的研究以及他人的學習。開發過程包括結構設計、硬件選型、電路設計、實物組裝調試、軟件仿真、程序設計、過程控制、干擾實驗、遠程監控實驗，并且有繼續改造升級的空間。本文著重介紹LabVIEW的編程過程、PID參數整定以及對模型輸出數據的分析。

1 雙容水箱液位控制系統簡述

整體系統構成圖如圖1所示。三個檢測機構和兩個執行機構由NI USB-6009數據采集卡負責收集與發送信號，送入LabVIEW中通過程序進行處理，部分處理數據送到MATLAB中做仿真處理。雙容水箱采用上下式結構，設計供水方式由無刷直流水泵將水從儲水箱中抽出，經由電磁流量計測流量，通過電動調節閥調節開度，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，再流回儲水箱。上水箱與下水箱之間僅有一根出水管連接，無其他干擾阻礙液體流速，表現為二階特性。因依靠勢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，液體流經管道的流量越大，因此兩個水箱采用串聯上下式結構目的是排除干擾，依靠重力和壓力使系統響應迅速。

圖1 整體系統構成圖

2 仿真實驗

將開環實驗得出的數據捆綁后送入MATLAB中，通過遺傳算法辨識系統，辨識的參數包含增益K、時間常數T1、T2。根據操作過程，系統輸入幅值為80，迭代次數為20次。通過遺傳算法運算后，求得雙容水箱液位系統參數分別為：K=2.471 、T1=279.2553、T2=275.5242 。因此求得模型的傳遞函數為：

由目標液位和實際液位組成的仿真曲線圖，如圖2所示。由圖可知，曲線第一次到達波峰的高度為13.8 cm，第二次到達波峰的時間為10.8 cm，求得衰減比為4.75 :1，仿真實驗效果理想。

圖2 仿真曲線

3 模型輸出實驗

如圖3所示為模擬信號采集程序的循環部分，首先創建一個AI采集任務，將任務的電壓范圍設置為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），通道返回值單位選擇電壓[2]。采樣時鐘設置采樣模式選擇連續采樣，采樣時鐘選擇板載時鐘，采樣速率設置為1000ms。在啟動任務之后放置一個While循環，內部連接DAQmx讀取，設置為模擬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軸數值。在創建波形控件中，設置時間間隔為1秒，即為每秒采集一次，將X值和Y值送至波形圖中顯示，構成橫軸為時間縱軸為液位高度的曲線[3]。在循環中添加條件結構用于存儲數據，當需要存儲曲線的背景數據時，點擊save按鈕，便自動生成表格，文件中時間與液位值一一對應。同時，按照存儲路徑存儲在對應文件夾內，文件名格式為“年，月，日，小時，分鐘，秒.date.csv”。

圖3 信號采集程序

將PID程序放到While循環中，每隔一秒執行一次[4]。將過程數據逐次替換，按名稱捆綁，捆綁后送至子VI，做變量輸出范圍的限制。設定值SP、調節值OP、過程值PV，一同捆綁成數組送入波形圖中顯示為實時變化的歷史曲線[5]。因考慮到對閥開度值手動調節和自動調節，在程序中設置條件循環結構，當自動調節時，條件循環為真，SP、PV值送入PID運算程序中，對其進行PID參數的設定，并對輸出的電動閥開度進行限幅，由于PID程序輸出范圍為-100%～100%，而實際開度應為40%～70%，經換算，此處限幅范圍應為-20%～40%。基于LabVIEW的PID參數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時的過程曲線，由圖可知，第一次到達穩態值時橫坐標t=24.4 ，實際時刻為第244S。第一次到達波峰時液位高度為13.1 cm，穩態值為10cm，由此可以計算出超調量為31%，較前面兩次實驗有了一定改善。第二次到達波峰時液位高度為10.7 cm，衰減比為4.4 ：1。整條曲線震蕩減輕的趨勢明顯，在第2987s時達到并保持穩態平衡狀態，穩態值為10.01 cm，誤差為0.1 mm。綜上所述，該組參數較為理想。

圖5 P=3、I=3的過程曲線

在仿真實驗中，P取值為3，I取值為0.0055 ，對應積分時間為180s，在模型輸出實驗中，P取值為3，I取值為3，此處積分時間單位為min，若將積分時間換算成以s為單位則為180s。由此可知，仿真實驗與模型輸出實驗的PID參數取值相同，所獲得的曲線衰減比近似，證明水箱系統研發設計較為成功。