基于PID參數自整定的液位控制系統設計及其實現

常建東 虎恩典 趙文賢 張東

摘 要： 針對現有液位調控系統中雙回路PID參數調節困難的問題，通過將繼電反饋作為支撐PID參數自整定方法，設計了一套基于MCGS和PLC的液位調控系統用串級PID參數自整定控制策略。通過分析儲油罐階躍響應得到傳遞函數，在此基礎上對控制對象進行離散化并建立了PID參數自整定控制系統，在MCGS平臺成功實驗了實時監控。比較自整定前后的控制性能，得到PID參數自整定具有較快的響應速度，較小的超調量、更快達到穩態、更強的抗干擾能力等優點，可以實現對儲油罐系統液位的最佳控制。仿真結果表明PID參數自整定控制技術能夠有效地調節儲油罐系統的液位控制，極大地保證輸油系統的安全。

關鍵詞： 液位； 串級控制； PID參數； 自整定

中圖分類號： TN876?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0152?03

0 引 言

在工業實際生產中，液位是過程控制系統的重要被控量，在石油﹑化工﹑水處理等行業廣泛應用[1?3]。通過液位的檢測來控制容器中的原料的數量，以便調節容器內物料的平衡，保證生產過程中各環節的物料搭配得當[4?5]。目前液位的控制多采用人工整定PID控制策略，其存在操作繁瑣、整定結果誤差較大，難以適應運行環境的變化等缺陷[6]，嚴重的情況下會造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統在工業生產中有著重要的實際意義。

關于液位的控制系統設計許多學者開展了這方面的工作。林屹設計了一種模糊自校正PID控制器，并成功應用在雙容水箱液位控制問題上[7]。李曉理采用多模型控制思想設計控制律設計了水箱液位的跟蹤模型，避免液位達到上限[8]。丁芳在常規PID控制算法的基礎上， 根據專家以及工作者的經驗，設計以一種智能PID 的液位控制方法[9]。趙丹丹采用PLC為主控制器，變頻器為執行器，MCGS監控軟件為人機交互界面，設計了一套液位在線自調整控制系統[5]。

本文對某單位現在液位控制系統改進的基礎上，將PID串級控制與上、下線控制PLC、可視化平臺MCGS進行結合，設計了串級PID參數自整定液位控制系統，并通過工程實例研究串級控制系統在提高控制質量方面的效果。

1 液位串級PID控制系統方案設計

為了提高原系統儲油罐的液位控制精度，增設一個儲油箱，雙容控制系統方案見圖1。通過壓力傳感器對容器的液位物理信號進行采集，并轉換為微弱的電信號，再經變送器放大作用轉化為標準的電壓信號，最后經A/D轉換送入PLC中，數據在PLC中經過一些算法處理后，輸出4～20 mA的電流信號驅動相應的電磁閥，達到液位控制的目的。

液位串級控制系統如圖2所示，控制儲油罐液位是系統設計的核心問題，所以選擇主控對象為儲油罐，副控對象為儲油箱。設計目的是提高主參數的控制質量，因此，副調節器按單回路系統方法整定后，將副回路作為主回路的一個環節，按單回路控制系統的整定方法，整定主調節器的參數。

2.2 調節器控制規律及自整定方法的選擇

系統對兩個回路的要求有所不同。主回路要求精度高，主調節器的控制規律選取PI或PID控制規律，對儲油罐液位進行調節；副回路要求控制的快速性，可以有余差，選取P控制規律，從而對儲油箱液位進行調節。

由于繼電反饋的自整定法避免了Z?N法整定時間長、臨界穩定等問題，且保留其簡單性，目前已成為PID自動整定方法中應用最多的一種；因此設計中采用繼電反饋的自動整定法，利用這種方法先求出臨界控制系數[Ku，]再用Z?N公式計算PID參數。根據實例要求，選擇副控采樣時間0.4 s，主控采樣時間0.1 s。繼電幅值的選取依據自整定方框圖（如圖4所示），經非線性系統描述函數法理論計算和多次仿真選擇合適的繼電特性幅值，進而得到合適的主控PID參數，進行自整定。

2.3 自整定實現過程及編程

（1） 根據自整定原理及方法，對自整定過程編寫流程如圖5所示。采用西門子編程軟件STEP 7?Micro/WIN以梯形圖語言形式進行程序編寫，程序總體上分為手動整定和自整定兩部分。在結構上主要由主程序、子程序組成，主程序主要實現診斷、PID參數設定，子程序調用、報警等功能。子程序分為手動程序和自動程序兩部分。手動程序主要實現參數初始化、模擬量輸入輸出和PID整定功能；在手動程序的基礎上，自動程序主要還實現了參數初始化、系統等幅振蕩的產生、等幅振蕩曲線周期和幅值的測量、控制算法和被控對象程序。

（2） 在編程過程中，如何使系統產生等幅振蕩和精確的求取等幅振蕩幅值、周期是編程的難點，通過反復的實驗仿真和驗證，并在實際系統上運行，運行結果表明系統運行效果良好，自動程序流程如圖6所示。

針對等幅振蕩的周期和幅值的測量和計算，幅值可以從系統響應曲線直接測量。而周期[Tu]的測量，由于采樣周期等因素的影響對系統響應曲線周期的測量存在誤差，所以不直接測量系統響應曲線的周期，而是采用測量輸出曲線的周期使測量結果更加準確。

3 仿真結果分析

經過Matlab中的Simulink工具仿真最終選擇主控、副控PID參數見表1。整定前后系統響應曲線如圖7所示。其中：曲線1為手動整定系統基本穩定后響應曲線；曲線2～4分別表示三種整定方式整定后響應曲線。

由圖7可知：曲線1，3知自整定后響應曲線穩定后基本沒有波動，系統對液位的控制更精確，系統達到穩態的時間更短，響應加快。曲線2～4對應的繼電特性幅值分別為15 mm，30 mm，60 mm。曲線2對應的繼電幅值偏大導致系統超調量比較大，系統振蕩加劇；曲線4對應的繼電幅值偏小，系統達到穩態時間延長，且系統有余差；曲線3由于繼電特性幅值選擇合理，能夠較合理的滿足系統要求。顯然，PID參數自整定具有較快的響應速度，較小的超調量、更快達到穩態、更強的抗干擾能力等優點，可以實現對儲油罐系統液位的最佳控制。

4 MCGS監控平臺實驗

通過MCGS組態軟件在控制計算機上構建一個人機交互界面，見圖8，實現對液位進行監控及顯示﹑PI/PID控制器界面設計﹑數據瀏覽﹑實時曲線及歷史曲線的監測、手動/自動整定控制操作和給定值及繼電特性幅值輸入設置等。

當設定值設置好，系統將進入運行狀態，實現兩級串級控制，在右邊設置了直觀的實時趨勢曲線，顯示檢測值和設定值的狀態，可以分別實現對12 h，6 h，1 h，30 min，15 min，5 min，1 min的時間段的曲線顯示。圖11可見隨著時間的變化，下水箱液位穩定在5 m。驗證了PID參數自整定應用在液位控制上的合理性，能夠夠提高液位的控制精度，滿足生產要求。

5 結 語

本系統采用MCGS組態軟件作為人機交互界面，通過PLC實現控制策略，實現了串級控制系統的自動化。

針對雙回路PID自整定在面板上難以實現的問題，通過編程實現了雙回路PID自整定，對軟件開發有重要意義。經過反復的實驗發現，通過調節繼電幅值可以使PID自整定結果更加理想。改進后的系統已在實際現場成功運行，運行結果表明，系統運行良好，系統穩定性、準確性明顯提高，生產效率也得到提高。

參考文獻

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[6] 吳興純，楊燕云，吳瑞武，等.基于模糊PID控制算法的自動澆注系統設計[J].鑄造技術，2011（12）：1654?1657.

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[8] 李曉理，石隴輝，丁大偉.水箱液位系統多模型控制方法[J].控制理論與應用，2011（3）：370?374.

[9] 丁芳，李艷芳，費玉龍.智能PID算法在液位控制系統中的應用[J].微計算機信息，2006（16）：103?105.