基于PID参数自整定的液位控制系统设计及其实现_常建东

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Ku,再用 Z⁃N 公式计算 PID 参数。根据实例要求,选择副 控采样时间 0.4 s,主控采样时间 0.1 s。继电幅值的选
取依据自整定方框图(如图 4 所示),经非线性系统描述
函数法理论计算和多次仿真选择合适的继电特性幅值,
进而得到合适的主控 PID 参数,进行自整定。
2 PID 参数自整定控制器
CHANG Jiandong1,HU Endian1,2,ZHAO Wenxian2,ZHANG Dong1
(1. College of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China; 2. School of Electrical and Information Engineering,Beifang University of Nationlities,Yinchuan 750021,China)
图 6 自动程序流程图
注:曲线 1 为整定前响应曲线;曲线 2~4 为整定后响应曲线
图 7 整定前后响应曲线
由图 7 可知:曲线 1,3 知自整定后响应曲线稳定后 基 本 没 有 波 动 ,系 统 对 液 位 的 控 制 更 精 确 ,系 统 达 到 稳 态的时间更短,响应加快。曲线 2~4 对应的继电特性幅 值分别为 15 mm,30 mm,60 mm。曲线 2 对应的继电幅 值偏大导致系统超调量比较大,系统振荡加剧;曲线 4 对 应 的 继 电 幅 值 偏 小 ,系 统 达 到 稳 态 时 间 延 长 ,且 系 统 有 余差;曲线 3 由于继电特性幅值选择合理,能够较合理 的满足系统要求。显然,PID 参数自整定具有较快的响 应速度,较小的超调量、更快达到稳态、更强的抗干扰能 力等优点,可以实现对储油罐系统液位的最佳控制。
注:图中圆点为原数据点;曲线为拟合曲线; 直线为拟合后曲线最大斜率处的切线
图 3 储油罐阶跃响应曲线
图 1 双容系统图
液位串级控制系统如图 2 所示,控制储油罐液位是 系 统 设 计 的 核 心 问 题 ,所 以 选 择 主 控 对 象 为 储 油 罐 ,副 控对象为储油箱。设计目的是提高主参数的控制质量, 因 此 ,副 调 节 器 按 单 回 路 系 统 方 法 整 定 后 ,将 副 回 路 作 为 主 回 路 的 一 个 环 节 ,按 单 回 路 控 制 系 统 的 整 定 方 法 , 整定主调节器的参数。
收稿日期:2015⁃07⁃30
关于液位的控制系统设计许多学者开展了这方面 的工作。林屹设计了一种模糊自校正 PID 控制器,并成 功应用在双容水箱液位控制问题上[7]。李晓理采用多模 型控制思想设计控制律设计了水箱液位的跟踪模型,避 免 液 位 达 到 上 限 。 [8] 丁 芳 在 常 规 PID 控 制 算 法 的 基 础 上,根据专家以及工作者的经验,设计以一种智能 PID 的液位控制方法 。 [9] 赵丹丹采用 PLC 为主控制器,变频 器为执行器,MCGS 监控软件为人机交互界面,设计了 一套液位在线自调整控制系统[5]。
Abstract:Since the PID parameters of dual⁃loop circuit in the existing liquid⁃level control system are difficult to adjust,a liquid⁃level regulation and control system based on MCGS and PLC was designed by taking the relay feedback to support PID pa⁃ rameters self⁃tuning control strategy,and takes cascade PID parameters self⁃turning as the control strategy. The transfer function is obtained by analysis of the step response of the oil storage tank. On this basis,the controlled member is discretized to estab⁃ lish the PID parameters self⁃tuning control system,and monitored in real⁃time on MCGS platform successfully. The control per⁃ formances before and after self⁃tuning are compared,it is found that the PID parameters self⁃tuning has the advantages of faster response speed,smaller overshoot and stronger anti⁃interference ability. The optimum control to the liquid⁃level of the oil storage tank system is realized. The simulation results show that the PID parameters self⁃tuning control technology can effectively control the liquid level of the oil storage tank system,and greatly ensure the safety of oil transportation system.
示 。 其 中 :曲 线 1 为 手 动 整 定 系 统 基 本 稳 定 后 响 应 曲 线;曲线 2~4 分别表示三种整定方式整定后响应曲线。
副控
表 1 自整定前后 PID 参数
比例增益 P
手动整定 20
自整定后 20
比例增益 P
3
主控
积分常数 I
20
5.69 26.731
图 5 自整定流程图
(2)在编程过程中,如何使系统产生等幅振荡和精 确 的 求 取 等 幅 振 荡 幅 值 、周 期 是 编 程 的 难 点 ,通 过 反 复 的 实 验 仿 真 和 验 证 ,并 在 实 际 系 统 上 运 行 ,运 行 结 果 表 明系统运行效果良好,自动程序流程如图 6 所示。
式中:p1 = -4.984 × 10-11;p2 =1.249 × 10-7;p3 = -0.000 122 1; p4 = 0.055 92;p5 = -0.537 5。
为了提高原系统储油罐的液位控制精度,增设一个 储油箱,双容控制系统方案见图 1。通过压力传感器对 容 器 的 液 位 物 理 信 号 进 行 采 集 ,并 转 换 为 微 弱 的 电 信 号 ,再 经 变 送 器 放 大 作 用 转 化 为 标 准 的 电 压 信 号 ,最 后 经 A/D 转换送入 PLC 中,数据在 PLC 中经过一些算法处 理后,输出 4~20 mA 的电流信号驱动相应的电磁阀,达 到液位控制的目的。
此基础上对控制对象进行离散化并建立了 PID 参数自整定控制系统,在 MCGS 平台成功实验了实时监控。比较自整定前后
的控制性能,得到 PID 参数自整定具有较快的响应速度,较小的超调量、更快达到稳态、更强的抗干扰能力等优点,可以实现
对储油罐系统液位的最佳控制。仿真结果表明 PID 参数自整定控制技术能够有效地调节储油罐系统的液位控制,极大地保
程 如 图 5 所 示 。 采 用 西 门 子 编 程 软 件 STEP 7 ⁃Micro/ WIN 以梯形图语言形式进行程序编写,程序总体上分为 手动整定和自整定两部分。在结构上主要由主程序、子 程序组成,主程序主要实现诊断、PID 参数设定,子程序
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现代电子技术
2016 年第 39 卷
调用、报警等功能。子程序分为手动程序和自动程序两 部分。手动程序主要实现参数初始化、模拟量输入输出 和 PID 整定功能;在手动程序的基础上,自动程序主要 还 实 现 了 参 数 初 始 化 、系 统 等 幅 振 荡 的 产 生 、等 幅 振 荡 曲线周期和幅值的测量、控制算法和被控对象程序。
经 过 多 次 仿 真 ,以 式(1)所 示 四 次 多 项 式 对 曲 线 进
行拟合,如图 3 所示。
f (t) = p1 ⋅ t4 + p2 ⋅ t3 + p3 ⋅ t2 + p4 ⋅ t + p5
(1)
图 4 自整定方框图
2.3 自整定实现过程及编程 (1)根据自整定原理及方法,对自整定过程编写流
2016 年 3 月 1 日 第 39 卷第 5 期
152 doi:10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.05.037
现代电子技术 Modern Electronics Technique
Mar. 2016 Vol. 39 No. 5
基于 PID 参数自整定的液位控制系统设计及其实现
本文对某单位现在液位控制系统改进的基础上,将 PID 串级控制与上、下线控制 PLC、可视化平台 MCGS 进 行结合,设计了串级 PID 参数自整定液位控制系统,并
第5期
常建东,等:基于 PID 参数自整定的液位控制系统设计及其实现
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通过工程实例研究串级控制系统在提高控制质量方面 的效果。
1 液位串级 PID 控制系统方案设计
Keywords:liquid level;cascade control;PID parameters;self⁃tuning
0引言
在 工 业 实 际 生 产 中 ,液 位 是 过 程 控 制 系 统 的 重 要 被 控量,在石油、化工、水处理等行业广泛应用 。 [1⁃3] 通过液 位的检测来控制容器中的原料的数量,以便调节容器内 物 料 的平衡,保证生产过程中各环节的物料搭配得当[4⁃5]。 目前液位的控制多采用人工整定 PID 控制策略,其存在 操 作 繁 琐 、整 定 结 果 误 差 较 大 ,难 以 适 应 运 行 环 境 的 变 化 等 缺 陷[6],严 重 的 情 况 下 会 造 成 生 产 事 故 ,所 以 设 计 一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实 际意义。
2.1 数学控制模型的建立
数学模型的建立采用阶跃响应曲线法。在 MCGS
监 控 软 件 组 建 人 机 对 话 窗 口 ,改 变 调 节 阀 开 度 ,实 现 对
被控对象的阶跃信号输入,记录阶跃响应曲线。为了精
确计算模型,使用 Matlab 软件对实验数据进行处理,利
用 Curve Fitting Tool 工具对响应曲线进行最佳拟合。
图 2 串级控制系统图
根 据 曲 线 采 用 切 线 作 图 法 ,得 到 储 油 罐 传 递 函
数为:
G1(s)
=
0.15 30s + 1
同理求得储油箱传递函数为:
G 2 (s)
=
0.15 30s + 1
2.2 调节器控制规律及自整定方法的选择
系统对两个回路的要求有所不同。主回路要求精
度高,主调节器的控制规律选取 PI 或 PID 控制规律,对
常建东 1,虎恩典 , 1,2 赵文贤 2,张 东 1
(1.宁夏大学 机械工程学院,宁夏 银川 750021;2.北方民族大学 电信学院,宁夏 银川 750021)
摘 要:针对现有液位调控系统中双回路 PID 参数调节困难的问题,通过将继电反馈作为支撑 PID 参数自整定方法,设
计了一套基于 MCGS 和 PLC 的液位调控系统用串级 PID 参数自整定控制策略。通过分析储油罐阶跃响应得到传递函数,在
储 油 罐 液 位 进 行 调 节 ;副 回 路 要 求 控 制 的 快 速 性 ,可 以
有余差,选取 P 控制规律,从而对储油箱液位进行调节。
由于继电反馈的自整定法避免了 Z⁃N 法整定时间
长、临界稳定等问题,且保留其简单性,目前已成为 PID
自动整定方法中应用最多的一种;因此设计中采用继电
反馈的自动整定法,利用这种方法先求出液位;串级控制;PID 参数;自整定
中图分类号:TN876⁃34;TP273
文献标识码:A
文章编号:1004⁃373X(2016)05⁃0152⁃03
Design and implementation of liquid⁃level control system based on PID parameters self⁃tuning
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