基于PID 算法實現三級儲罐液位控制*

劉魏晉，胡 琛，唐 洋，李樹杰，陳俊杰

（1.武漢交通職業學院，湖北 武漢 430000；2.湖北交投科技發展有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，隨著互聯網的高速發展，自動化生產水平發展迅速，各行各業的信息化智能化正日臻成熟。然而，在實際工業生產過程中經常會出現擾動因素，這都會影響到最終的實際產量，導致效率降低。因此需要按照生產要求進行預期操作，比如：溫度的變化，壓力變化等。溫度控制系統中的側溫和控溫是兩個重要因素，而且在工業生產中也占據著相當大的比例[1]。儲罐的液位控制是工業生產中乃至日常生活中常見的控制，在實際生產過程中常出現不同的變化，如液位過低達不到需求量，壓力變化導致比例失調等，最終都會影響控制效果。

三級液位中的一級液位為臥式儲罐，二級和三級液位代表立式儲罐；PID 算法控制系統的主要問題是基于PID 參數的整定,由于多數系統在不同程度存在非線性、參數時變性和模型的不確定性,為了使PID 控制更精確,即采用模糊PID 控制。PID 控制器簡單易懂，在使用過程中無需精確的系統模型等必要條件，因而成為應用最為廣泛的控制器[2]；余差就是在系統實現平衡的時候，系統實際的輸出和給定值（期望值）之間存在差值，變化量經比例調節達到平穩時，不能加復到給定值的偏差。一般整定情況下，余差屬于穩態誤差。過渡過程結束后，設定值與新穩態值之差[3]；對于污水處理系統而言，其控制對象除了有開關量，還包括模擬量，除了開環控制，還涉及到閉環控制；系統運行過程中，有很多參數需要進行檢測與控制，系統的總控計算機，利用監控軟件對整個處理廠的設備予以實時監控并跟隨系統運行調節不同的功能[4]。

1 系統搭建

三級液位流程工程圖如圖1 所示，工藝水由FV101調節流量，進入一級臥式儲罐V101，當V101 液位達到一定的工藝指標后，工藝水由FV104 調節流量進入二級立式儲罐V102；V101 液位控制策略可以選擇V101 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。當V102 液位達到一定的工藝指標后，啟動離心泵P101，工藝水由FV105 調節流量進入三級立式儲罐V103；V102 液位控制策略可以選擇V102 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。當V103 液位達到一定的工藝指標后，工藝水由FV106 調節流量排至界區，V103 液位控制策略可以選擇V103 工藝水入口流量或者出口流量作為控制變量。

圖1 控制系統搭建圖

2 控制要求

實現三級液位系統運行、液位串級控制以及流量比值控制。運行時間25min，實現V101 出口流量(FT104)與V102 入口流量(FT102)的雙閉環比值控制，要求1∶1。其中FT102 的控制回路為主，FT104 的控制回路為副，即FT104 流量隨FT102 流量變化而變化。

結束時，V101 液位控制在30%(允許上下1%之內的波動)，且穩定保持180s 以上。V101 出口流量(FT104)控制在1.2kg/s(允許上下0.1kg 之內的波動)，且穩定保持180s以上。V102 入口流量(FT102)控制在1.2kg/s(允許上下0.1kg 之內的波動)，且穩定保持180s 以上。

3 控制方案設計

圖2 串級控制

由于在實驗過程中，最初采用的是單回路控制，但這種控制效果并不是很好，而且對控制要求有一定的局限性，用以控制要求較高的場合，效果就會很差，本例采用串級控制，系統由主回路和副回路的搭建，串級系統的副環具有抗干擾能力強，動作速度快，在單回路的基礎上更穩定，設計的思路是：如果在設計中把對主變量影響最嚴重、變化最頻繁的干擾包含在副環內，就可以很好的充分利用副環快速抗干擾性能，將干擾的影響控制在最低限度。這樣，干擾對主控變量的影響就會大打折扣，從而使控制質量獲得很好的提高。如圖2 所示。

4 控制規律的選擇

對于任何閉環控制系統，首要任務就是確保其穩定、快讀、準確。而PID 整定的主要目的就是為了實現這一目標。當增大比例參數P，可以使系統的反應變快，但是對于穩定在一個需求數值的效果卻差強人意。雖然能在一定程度上克服擾動，但會有余差出現，同時，過大的比例系數會使系統存在較大的超調量，并伴隨著震蕩，從而破壞其穩定性。而積分可以在比例調節的基礎上消除余差，對穩定后存在累計誤差的系統進行調整，減小穩態誤差。對于微分控制而言，具有容量滯后的控制通道，當將微分控制引入后，針對提高系統的動態性能指標具有顯著的效果，可以使系統超調量減小，增加其穩定性，減小其動態誤差。

據此，要實現整個工程系統的控制，在調整時，我們需要在三個參數之間進行權衡與調整。因此，常用的兩種控制策略如下：

1）臨界比例度法。在系統閉環情況下，激勵信號為階躍信號，將調節控制器設置為純比例作用下，緩慢去調節控制器，按照從小到大的規律逐漸調節其大小。即，比例Kc 設為適當數值，微分常數TD 設置設為最小，將控制器積分Ti 設到最大，然后將K 的值由大往小逐漸改變，每改變一次K 值時，改變給定值給系統施加一階躍干擾，同時觀察被控變量y 的變化情況。若y 的過渡過程呈衰減振蕩，則繼續減小K 值，若y 的過渡過程呈發散振蕩，則應增大Kc 值，直到調至某一Kc 值，過渡過程出現不衰減的等幅振蕩為止，這時的過渡過程稱之為臨界振蕩過程，出現臨界振蕩過程的比例K 稱為臨界比例度，臨界振蕩的周期T 則稱臨界周期。臨界比例度法單方便，容易判斷，是使用非常廣泛的一種方法，適用于一般的控制系統之中。但是對于臨界比例度很小的系統不適用。

2）4 比1 衰減曲線法。在系統處于閉環情況下，將微分時間TD 設置為0，控制器積分Ti 設為最大，比例Kc 設于適當數值，Kc 值每改變一次Kc 時，由改變給定數值給系統施加一階躍干擾，然后使Kc 由大往小逐漸改變，同時觀察過渡過程的變化情況。如果衰減比大于4∶1，Kc應繼續減小，直至過渡過程呈現4∶1 衰減時為止，當衰減比小于4∶1 時，Kc 應增大，4∶1 衰減振蕩時的比例Kc。

5 工程組態環境

在系統控制器組態里添加需要用到的輸入輸出對象以及PID 控制源，程序設計完成之后就在仿真曲線里添加需要查看的源。

仿真開始后，趨勢曲線在線實時記錄仿真情況，并記錄實時數據，運行過程中以運行時間為X 軸繪出曲線，從0 時刻開始記錄，單位為秒。趨勢畫面中所有的曲線共享同一時間軸。因此，當縮放時間軸時，所有的曲線都一起變化。趨勢畫面中的Y 軸為數據軸，每一條曲線都擁有各自獨立的數據軸及相應坐標系，數據軸的顏色與曲線的顏色相同。X 軸和Y 軸坐標均可以通過鼠標拖動實現縮放功能。

三級液位趨勢曲線如圖3 所示，當加入擾動后，可以觀察系統的控制效果。調節過程中，可以先將Ti 的初值設定一個較大的積分時間常數，開始發現振蕩后，可以逐漸減小Ti 值，若系統出現振蕩慢慢減弱后，再反過來，慢慢增大Ti，直到系統振蕩消失。對于PID 的整定值，可以結合4∶1 衰減曲線法進行設定，若衰減過程中衰減比要大于4∶1，需要根據實際情況繼續減小。

最終，經過PID 參數整定，自動調節后的曲線圖如圖3 所示。

圖3 整定結果

6 結論

本文針對在流程行業上遇到的部分問題而言，采用PID 算法控制是系統運行更加穩定，使生產得到了保障，效率得到了提高，下面就針對在系統運行中參數選擇，整體而言，有以下方法供參考。

1）對于有些參數對系統運行不會產生影響，例如三級儲罐的熱量回收、液位、熱量回收預熱系統等，對于這部分參數，采取默認值即可，這時候可考慮比例控制，甚至采用開關控制。

2）有一些需要設置又不是很重要的參數，不希望動態偏差較大，但是慣性較大，可采用比例—微分控制器。但是對于系統噪聲較大的參數，例如流量，則不能選用比例—微分控制器。

3）對控制要求比較高，要求生產平穩，可采用比例—積分控制器。

4）對于有高精度生產要求，希望動態偏差較小，被控對象的時間滯后比較大的參數，控制精度要求比較高，應當采用比例—積分—微分控制器。