基于PLC的智能泳池液位控制系統設計*

陳佳薈，賽秀杰，袁治倩，澤朗準

（1.西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學 數學與計算機科學學院，甘肅 蘭州 730030；3.西北民族大學 實驗教學部，甘肅 蘭州 730030）

自20世紀50年代以來，由于計算機技術的發展，帶動了智能行業的驚人成就，特別是在工業過程控制中更是無不涉及智能技術。智能泳池控制是工業過程控制中的一種典型的非線性、大時延、容量滯后的過程控制系統，研究智能泳池液位控制的數學模型和控制策略具有重要的理論意義及實際應用價值?；赑LC（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）的智能泳池液位控制系統，控制對象為工業過程控制中常見的水箱水位，通過設計比例-積分-微分控制（Proportion-Integral-Differential Control，簡稱PID控制）和模糊PID控制算法，實現對高階、非線性、大時延的智能泳池液位系統進行有效控制。本設計主要從智能泳池控制系統的數學模型、模糊PID控制算法、基于PLC的控制系統設計、LabVIEW監控實驗平臺設計、系統仿真分析等方面對系統進行全面的設計和分析。智能泳池控制系統數學模型的研究手段是采用機理分析對系統建模，建模過程嘗試用微分方程和傳遞函數進行模型表達?？刂扑惴ú糠种饕峭ㄟ^閱讀國內外相關論文，結合本科學習期間學習的相關理論課程進行分析設計。

1 三容水箱系統分析與模型建立

1.1 模型介紹

對于智能泳池控制系統來說，當某種形式的擾動作用于對象時，就會引起系統的輸出量發生相應的變化，這種變化可以用數學表達式中的微分方程或傳遞函數進行描述，稱為被控對象的數學模型，它用于表征對象的特性，特別是動態特性。

智能泳池控制系統的實際模型的動態特性具有非線性特點，這將使對象的數學模型及分析處理過程變得復雜。本文所研究的智能泳池控制系統是有自平衡能力的對象，即當智能泳池控制系統受到外部干擾時，平衡狀態被破壞后，不需要外加任何控制作用，僅靠對象自身的特性重新達到新的平衡狀態的能力。

1.2 智能泳池控制數學模型推導

圖1中，閥門R1、R2、R3為全開狀態，閥門R0的開度可控，且流入R0的量為系統的輸入，以水箱T3的液位高度h3作為系統輸出，即構成單輸入單輸出的三階系統對象。

圖1 結構圖

系統的傳遞函數如下：

式中，K為三容水箱系統的放大參數，T1、T2、T3分別為上、中、下水箱的時間常數。

圖1所示系統結構的特點是受到擾動后，被控量的變化速度開始變化比較緩慢，而要經過一段延遲時間以后響應速度才能達到最大。

1.3 時域法辨識智能泳池模型參數

上文通過機理分析方法建立了智能泳池控制系統的數學模型，為了進一步探討控制對象的控制方案，還需要確定系統的詳細參數，現假設模型相關參數定義如下：

（1）水箱中液體流動性好，粘滯力可忽略不計；

（2）三容水箱控制閥門的動作延時可忽略，且忽略閥門工作的非線性因素；

（3）系統中所有閥門的液阻恒定且相等。

由于此系統的實際參數模型與具體的實驗設備有關，為了方便研究模型參數定義如下：

（1）電磁閥的工作狀態只有開或關兩種，對應繼電器線圈的得電或失電；

（2）閥門R1、R2、R3的液阻均為R=300s/m2。

為了簡便計算，模型采用等容環節的串聯來近似，因此：

若階躍響應時取K=10，系統的純滯后和容量滯后時間取τ=10s，則系統的開環傳遞函數可以表示為：

為了探究模型參數是否具有合理性，用MATLAB/SIMULINK工具箱搭建開環系統的仿真模型，如圖2所示。

圖2模型中，開環系統的輸入為單位階躍信號，示波器輸出系統的階躍響應曲線如圖3所示，根據得到的階躍響應曲線可知，此三容水箱模型具有自平衡能力，但是當系統自然穩定時系統的液位為10m，遠遠超過了設定水箱的高度1m，因此為了達到設計要求需要在三容水箱系統中加入控制器，使得系統的輸出液位保持在0～1m之間的任意設定值。

圖2 智能泳池開環系統的仿真框圖

圖3 智能泳池開環系統的單位階躍響應曲線

2 智能泳池液位控制系統的控制算法研究

智能泳池液位控制系統由一個檢測轉換環節、控制器、執行器和被控對象組成，系統可以簡化為由廣義對象和控制器兩部分組成，如圖4所示。

圖4 智能泳池液位控制系統結構圖

3 基于PLC的智能泳池液位控制系統設計

智能泳池控制系統是控制中的一種典型被控對象，第2章主要研究泳池智能液位控制系統的PID和模糊PID液位控制算法，并對所設計的控制算法進行分析和驗證。在工業現場，一般采用PLC作為系統的控制器，因此，為了進一步完善對象的液位控制系統，本章將討論智能泳池液位控制系統的硬件模型、設計控制系統的主電路、PLC的外部接線電路和PLC程序流程圖。

智能泳池液位控制系統由控制對象、執行機構、檢測機構和控制器等部分組成?？刂茖ο笥扇齻€等容的水箱呈階梯式串聯組成，執行機構由水泵和電磁閥門組成，檢測機構主要由各水箱的液位傳感器組成，PLC是系統的控制核心，三容水箱液位控制系統示意圖如圖5所示。

圖5 智能泳池液位控制系統示意圖

如圖5所示，閥門R1、R2、R3為手動控制閥，手動閥門R1、R2、R3分別是水箱T1、T2、T3的泄水閥；閥門DF為電動調節閥門，由電動調節機構和閥門組成，開度可控；閥門F1、F2、F3為電磁閥，由電磁線圈和閥門組成，其開關狀態由電磁機構控制。閥門DF、F1、F2、F3的工作狀態由PLC的輸出信號控制，其中DF的開度大小體現控制器對三容水箱系統的控制輸入，F1、F2、F3為控制系統的擾動輸入；Q1、Q2、Q3、Q4分別表示DF、R1、R2、R3閥門的液體流出量，QD1、QD2、QD3分別表示F1、F2、F3閥門的液體流出量；T1、T2、T3分別表示三個等容的水箱，每個水箱上安裝有液位傳感器LT用于檢測水箱液位；圖5中粗實線表示液體管道，細實線表示傳輸信號的電纜線路。

三容水箱液位控制系統的工作原理如下：在系統投入工作前，先手動將閥門R1、R2、R3置于全開的狀態，待三個水箱存留液體放干后再啟動系統，防止系統存在初始干擾。當電磁閥F1、F2、F3一個或多個打開時，表示系統加入了階躍擾動輸入，將會給系統增加擾動輸入量，因此電磁閥F1、F2、F3是用于驗證系統的抗干擾能力，當測試系統在擾動作用下的控制效果時，需要將這幾個電磁閥全部或部分打開。

4 結束語

基于PLC的智能泳池液位控制系統，以三容水箱為被控對象，PLC為控制器核心，控制器分別采用PID和模糊PID為系統的主要控制算法，執行器為電磁閥、驅動控制閥、檢測元件和變送器用于檢測水箱水位變化，三容水箱在工作時按照設計要求在擾動出現后必須通過控制方案將水箱的水位重新保持在一定高度。

設計主要對控制對象的數學模型、液位定值控制策略、控制系統的PLC程序設計、LabVIEW上位機實驗仿真系統等進行了探討和研究，具體內容如下：

控制系統的PID控制：PID算法重點在于參數整定，PID控制器的參數整定主要采用經驗法和模糊推理的方法，設計過程中先通過經驗法對常規的PID進行參數整定，并驗證控制效果，再用較為先進的模糊圖例和推理方式進行PID參數整定，并通過仿真驗證控制效果。