2008年8月第14卷第3期安庆师范学院学报(自然科学版)Journal of Anqing Teachers College (Natural Science Edition )Aug.2008Vol.14No.3基于MCGS 组态软件的PID 液位控制吴文进,张　杰(安庆师范学院物理与电气工程学院,安徽安庆246133) 摘　要:以T HJ -2高级过程控制实验装置为基础,采用串级PID 控制方法设计建立了双容水箱的数学模型,构成了以上水箱液位为副参数、下水箱液位为主参数的液位串级控制系统,在组态软件MCGS 中进行了实现,实验测试结果表明,系统实现了对过程参数的无稳态误差控制,具有良好的稳态性能和动态性能。

关键词:液位;串级控制;PID 控制;组态软件中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1007-4260(2008)03-0050-04图1　双容水箱 0　引言液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题,例如在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制。

通过液位的检测与控制,可以了解容器中的原料 半成品或成品的数量,以便调节容器内的输入输出物料的平衡,保证生产过程中各环节的物料搭配得当[1]。

通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程,即时显示容器的液位,保证产品的质量和数量。

本文将以T HJ -2高级过程控制实验装置为基础,采用串级PID 控制方法来设计液位控制方案,并利用MC GS 组态软件来实现计算机监控,使控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。

1　被控对象建模图1是两个串联单容水箱构成的双容水箱,其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化△u ,而输出量为第二个水箱的液位增量△h 2。

文献[2,3]中详细推出了双容水箱的传递函数:G (S )=△H 2(S )△U (S )=K T 1T 2S2+(T 1+T 2)S +1=K 13K 2(T 1s +1)(T 2s +1)(1)其中K 1和K 2为两个水箱的传递系数。

设计中通过实验方法测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。

使用MA TL AB 软件对实验数据进行处理,根据最小二乘法原理对响应曲线进行最佳拟合,得到其多项式的表达式,在MA TL AB 的Workspace 中可以查看到上水箱的响应曲线拟合函数为:y =-0.0000000019246t 4+0.0000024978t 3-0.0011930t 2+0.25874t +0.14011(2)下水箱的响应曲线拟合函数为:y =-0.000000000009974t 4+0.000000049862t 3-0.00010593t 2+0.10967t -0.29475(3)对于上水箱,t 一次项的系数为0.25874,即函数在零点处(t =0)的切线斜率为k =0.25874。

利用切线法,算出传递函数,其开环传递函数为:3收稿日期:2007-09-14作者简介:吴文进,男,安徽安庆人,安庆师范学院物理与电气工程学院讲师,硕士。

图2　串级控制系统框图图3　液位控制系统硬件结构图G 1(S )=2.39899.8975s +1(4)对于下水箱,t 的一次项的系数为0.10967,即函数在零点处的切线斜率为k =0.10967,利用切线法,算出传递函数,其开环传递函数为:G 2(S )=6.083477.1302s +1(5)最终得出控制系统的模型为:G (S )=H 2(s )△U (S )=2.398×6.083(99.8975s +1)(477.1302s +1)(6)2　系统控制方案设计本系统控制结构如图2所示,主水箱(下水箱)液位具有较大的延迟,进水箱(上水箱)液位具有明显的导前作用,从而构成了以上水箱为副参数,下水箱为主参数的串级控制系统[4-5]。

系统中的副回路可以很快的消除作用于内回路中的各种扰动,当有扰动n 1(t )作用于副对象(上水箱)时,副调节器能在扰动影响主控参数之前动作,及时克服进入副回路扰动;当扰动n 2(t )作用于主对象(下水箱)时,由于副回路的存在也使系统的响应加快,消除扰动的影响,使主回路控制作用加强。

根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型,选择控制器的控制规律如下[6]:主调节器选择比例积分微分控制规律(PID ),对下水箱液位进行调节;副调节器选择比例控制律(P ),对上水箱液位进行调节,并辅助主调节器对系统进行控制,整个回路构成双闭环负反馈系统(如图2)。

在双容水箱液位控制系统中,被控对象的液位变化是连续的,在远程数据采集系统中计算机利用的是离散的信号,所以要对模拟PID 控制器进行离散化处理。

在模拟控制系统中PID 控制规律的表达式为:U (t )=K p e (t )+1T i ∫t 0e (t )d t +T d de (t )dt (7)将积分与微分项分别改写为差分方程得:∫e (t )d t ≈∑k i =0Te (i ),de (t )d t ≈e (k )-e (k -1)T (8)式中T 为采样周期,k 为采样序号,e (k -1)和e (k )为第k -1和第k 次采样所得偏差信号,由此得到数字PID 控制器算式为:u (k )=K p e (k )+T T i ∑k i =0e (i )+T d e (k )-e (k -1)T (9)其中u (k )为第k 时刻的控制输出[7-8]。

3　基于组态软件的液位控制系统实现3.1　系统硬件结构液位控制系统硬件结构如图3所示。

上水箱和下水箱的液位信号分别由两压力传感器检测,检测到的液位信号经液位变送器转换成4-20mA 的电流信号,再通过A/D 将采集到的模拟信号转换成数字信号,该数字信号经RS485总线传送给上位机,上位机采集到的数字信号在组态软件中由PID 控制器进行处理得出控制信号,控制信号经RS485送给D/A 转换器,最后转换得到的模拟信号驱动调节阀工作。

3.2　组态软件设计在完成系统的硬件结构设计后,就可以用MC GS ・15・第3期 吴文进,张杰:基于MCGS 组态软件的PID 液位控制图4　计算机控制界面组态结构图图5　下水箱液位阶跃响应曲线组态软件对该系统进行组态,具体组态过程如下:(1)用户窗口组态:主要用于设置工程中的人机交互界面,如系统的主控界面、曲线图、动画等。

(2)主控窗口组态:是工程的主窗口或主框架。

“用户窗口”组态完成之后,在“主控窗口”中,通过对系统菜单和参数的定义与设置来调度、管理这些用户窗口的打开或关闭。

(3)实时数据库组态:是工程各个部分数据交换与处理中心,它将MC GS 工程的各个部分连成有机的整体。

按照系统设计的实际需要,在MC GS的“实时数据库窗口”中对系统所创建的数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性进行定义和设置。

(4)设备构件组态:是连接和驱动外部设备的工作环境。

在通道连接窗口中,将A/D 、D/A 通道和实时数据库中的数据对象对应连接起来。

(5)运行策略组态:完成工程运行流程的控制。

该系统采用PID 控制算法,根据系统的控制算法及要完成的特定流程和操作处理,在MC GS 的“运行策略”窗口中,对系统的“启动策略”、“循环策略”、“存盘策略”等分别进行组态和设置[9]。

完成组态后的液位控制系统的运行主控窗口如图4所示。

4　实验测试根据系统原理图完成硬件电路接线工作,完成MC GS 软件的调试运行工作。

三相380V/10A 交流电源向三相磁力泵供电,单相220/5A 交流电源向电动调节阀供电。

压力变送器输出的4～20mA 标准电流信号(上下水箱液位检测信号)串联250Ω电阻,转变为1～5V 的标准电压信号,分别送入智能采集模块ICP -7017的第一输入通道A/I0和第二输入通道A/I1,再经A/D 转化将液位信号送到计算机。

智能采集模块ICP -7024接受计算机离散控制信号,经D/A 转换为模拟信号,其第二输出通道的A/O1与24V 开关电源以及电动调节阀信号输入端口相串联,从而输出的4～20mA 标准电流信号(上下水箱液位控制信号)送给电动调节阀,控制其开度。

采用两步整定法整定PID 调节器参数:(1)在工况稳定 主回路闭合,主副调节器都在纯比例作用的条件下,主调节器的比例度置于100%,用单回路控制系统的阻尼振荡法整定,求取副调节器比例度和操作周期。

(2)将副调节器的比例度置于(1)中所求得的数值上,把副回路作为主回路的一个环节,用同样的方法整定主回路,求取主回路的比例度和操作周期。

(3)根据以上求得的数据,按单回路系统阻尼振荡法整定公式计算主副调节器的比例度 积分时间和微分时间的数值。

(4)按先副后主 先比例后积分 适当加入微分的整定程序,设置主副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当调整,直到系统质量达到最佳为止[10]。

主副调节器参数整定结果如下:主调节器比例系数P =55,积分时间I =45,微分时间D=10;副调节器比例系数P =36。

在远程数据采集系统中,下水箱液位设定值为100mm ,得到下水箱液位输出响应曲线如图5所示。

实时响应曲线显示该液位控制系统具有良好的稳态性能和动态性能,实现了对过程参数的无稳态误差控制,同时具有鲁棒性强的特点。

5　结论设计是在实验室以T HJ -2高级过程控制实验装置为基础进行的,通过对双容水箱建模,构成以上水箱为副参数,下水箱为主参数的液位串级控制系统,利用MC GS 组态软件来实现计算机监控,为工业现场中的液位控制提供了理论依据和实用的控制方法。

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