基于XDPS的三容液位實(shí)訓(xùn)裝置模糊控制的實(shí)現(xiàn)＊

呂曉娟，李玉娜，許海園

基于XDPS的三容液位實(shí)訓(xùn)裝置模糊控制的實(shí)現(xiàn)＊

呂曉娟，李玉娜，許海園

（鄭州電力高等專科學(xué)校 動(dòng)力工程系，河南 鄭州 450004）

以三容液位過程控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為模型，設(shè)計(jì)了基于XDPS的模糊控制算法。經(jīng)模糊算法得到的控制量控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使下水箱的水位達(dá)到給定值，并通過組態(tài)、圖形生成及圖形顯示功能實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模糊控制器能精確控制三容液箱的水位，有效改善了系統(tǒng)的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性，獲得了良好的控制效果。

XDPS；三容液位；模糊控制；控制方案

模糊控制（Fuzzy Control）作為先進(jìn)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、波動(dòng)小、過渡平穩(wěn)、魯棒性強(qiáng)。THJ-4型過程控制對象是天煌科教實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的一款多功能物理模擬對象，為復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供了平臺。本實(shí)驗(yàn)針對該過程控制對象的三容液位控制過程，設(shè)計(jì)一種Fuzzy-PI復(fù)合控制方法，并基于XDPS（XinHua Distributed Processing System）控制方案組態(tài)、監(jiān)控畫面圖形生成及動(dòng)畫連接，最后進(jìn)行畫面監(jiān)控聯(lián)機(jī)運(yùn)行、調(diào)試，實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

三容液位過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成為工程師站人機(jī)接口PC機(jī)、總線、DPU、端子板、卡件、恒壓磁力泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、三容水箱、儲水箱。上水箱、中水箱、下水箱串聯(lián)構(gòu)成三容水箱，每個(gè)水箱的高度均為200 mm，以上水箱的入口流量作為控制變量，以下水箱的水位為被控量。水箱底部安裝有KYB擴(kuò)散硅壓力變送器對水位進(jìn)行檢測和變送。AI端子板和卡件實(shí)現(xiàn)下水箱水位測量變送信號的輸入，經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入DPU，在DPU的組態(tài)程序中計(jì)算水位與給定值的偏差，經(jīng)模糊算法得到控制量，控制量經(jīng)AO、DO卡件和端子板輸出作用到恒壓磁力驅(qū)動(dòng)泵、QSTP-18K型智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和ZS-15H電磁閥。DPU和工程師站PC機(jī)通過A、B數(shù)據(jù)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，因此可通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)水位的監(jiān)測和在線控制。

2 三容液位過程的數(shù)學(xué)模型

三容液位過程可看作三個(gè)單容水箱的串聯(lián)，即三個(gè)單容有自平衡能力對象的串聯(lián)。在不考慮時(shí)滯的情況下，三容液位對象的傳遞函數(shù)為：

式（1）中：3（）為系統(tǒng)的被控量，即下水箱液位；0（）為系統(tǒng)的控制量，即上水箱的入水流量；為放大倍數(shù)；1，2，3分別為上水箱、中水箱以及下水箱的時(shí)間常數(shù)。

考慮到將采用Fuzzy-PI復(fù)合串級控制方法，所以將三容對象分為導(dǎo)前區(qū)01（）和惰性區(qū)02（），其中上水箱為導(dǎo)前區(qū)，中水箱和下水箱串聯(lián)作為惰性區(qū)，則：

式（2）中：1（）為上水箱的出水流量。

首先，進(jìn)行上水箱對象特性測試，改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度可以改變0的大小，作為階躍輸入信號，1為輸出變量，1（∞）為過程響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值。過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)1，得導(dǎo)前區(qū)數(shù)學(xué)模型為：

最終確定惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為：

由上述公式可得三容液位對象數(shù)學(xué)模型為：

3 Fuzzy-PI復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)采用在基本模糊控制器基礎(chǔ)上再構(gòu)造一個(gè)PI并聯(lián)通道的Fuzzy-PI復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。利用模糊控制器抑制干擾，保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，同時(shí)又保留了串級控制系統(tǒng)抑制內(nèi)擾的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有良好的控制精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。Fuzzy-PI復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，01（）為導(dǎo)前區(qū)對象，02（）為惰性區(qū)對象，T1（）為主調(diào)節(jié)器，T2（）為副調(diào)節(jié)器，c（）為模糊控制器，Zf為執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥，1（）和2（）為測量變送器，3（）為被控量，0（）為給定值，（）為偏差量。

圖1 Fuzzy-PI復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)

系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)是基于XDPS工程師站PC機(jī)的圖形生成軟件（Maker）制作的。Maker為用戶提供模擬觀察對象的模擬基圖目標(biāo)，輔之以趨勢圖、-、報(bào)警和動(dòng)態(tài)位圖等特殊目標(biāo)，并可將圖中各種目標(biāo)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接，生成的文件可通過與Maker對應(yīng)的圖形顯示軟件（Show）顯示出來，觀察到真實(shí)世界的形象動(dòng)態(tài)顯示。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)工藝和監(jiān)控要求，運(yùn)用圖形生成軟件Maker繪制三容水箱液位控制工藝流程圖，包括被控對象的工藝管線、現(xiàn)場安裝的各種變送器、執(zhí)行器等設(shè)備。先啟動(dòng)XDPS總控軟件Netwin.exe，然后，在Netwin中以ENG以上身份登錄，按“圖形生成”按鈕啟動(dòng)Maker.exe。接下來的繪制方法類同于Windows中的畫圖軟件操作方法。在繪制好的基圖目標(biāo)基礎(chǔ)上，建立動(dòng)畫連接。選中基圖目標(biāo)后雙擊，彈出動(dòng)畫連接編輯動(dòng)畫對話框。通過該對話框上的按鈕可以增加、修改、刪除、移動(dòng)所選目標(biāo)的動(dòng)畫連接，編輯結(jié)束后按“關(guān)閉”按鈕。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

點(diǎn)擊“DPU組態(tài)”進(jìn)入組態(tài)界面，點(diǎn)擊LK進(jìn)行在線連接；先選中在線DPU號，再用“讀入組態(tài)文件”菜單命令讀入離線組態(tài)好的組態(tài)文件，然后，用“下裝”菜單命令下裝。下裝后，組態(tài)軟件中的數(shù)據(jù)與DPU一致，軟件進(jìn)入在線顯示狀態(tài)。點(diǎn)擊“圖形顯示”進(jìn)入三容水箱液位控制流程圖操作界面。先對電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電，手動(dòng)給出一定的開度，再對電磁閥1-8、恒壓磁力驅(qū)動(dòng)泵上電。點(diǎn)擊“AUTO”，在彈出的手操器上設(shè)置水位給定值、調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)切為自動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)將液位從低液位升高到給定值。通過單點(diǎn)調(diào)入功能，調(diào)出下水箱液位的實(shí)時(shí)趨勢圖。

6 結(jié)束語

本文在研究模糊控制應(yīng)用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于XDPS的三容液位模糊控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了Fuzzy-PI復(fù)合控制方案，在Maker環(huán)境中開發(fā)了監(jiān)控軟件，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的在線運(yùn)行調(diào)試。在線調(diào)整明顯優(yōu)于常規(guī)PID調(diào)節(jié)器。實(shí)驗(yàn)表明本文方法有效改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，魯棒性較好。

［1］孫建平.LABVIEW中模糊PID的實(shí)現(xiàn)及在XDPS中的應(yīng)用［J］.儀表儀器用戶，2016（2）：40，41-43.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.006

2095－6835（2019）13－0014－02

呂曉娟（1980—），女，河南信陽人，碩士，副教授，研究方向?yàn)闊峁た刂苾x表及系統(tǒng)。

編號：ZEPCKY2019-27

〔編輯：張思楠〕