基于MCGS的AI调节仪三容水箱液位定值控制系统研究

丁 涛, 王 芳

(1.延安大学化工学院, 陕西 延安 716000;2.延安大学能源与环境学院, 陕西 延安 716000)

0 引 言

在工业现场过程控制中，液位作为工业过程4大参数之一，经常被作为被控变量的一个重要模拟量参数,例如在溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制.对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量,甚至影响到生产设备的安全运行.

本文以THJ-3高级过程控制实验装置为基础,采用AI智能调节仪表的PID控制算法来设计液位控制方案,并利用MCGS组态软件来实现计算机监控,使控制系统具有良好的稳态性能和动态性能.

MCGS(Monitor and Control Generated System)组态软件作为上位机监控组态软件,MCGS5.1提供了解决实际工程问题的方案和开发平台，并能够完成现场的数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能.

1 三容水箱液位定值控制系统方案设计与硬件介绍

基于MCGS组态软件的智能仪表液位控制系统采用由主控、副控两个回路组成的串级控制系统.

此控制系统中，主控回路中的智能调节仪表为主调节仪表(即主调节器)，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量；副控回路中的调节仪表为副调节仪表(即副调节器)，控制对象为上水箱与中水箱，中水箱的液位为系统的副控制量；主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动系统，副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的.

1.1 控制系统硬件组成

此串级控制系统的方框图如图1所示，由主、副控制器、电动阀、3个被控对象和2个传感器构成.

1.1.1 液位传感器

此系统采用了工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿.采用标准二线制传输方式，工作时需提供24 V直流电源，输出为4～20 mA DC.

1.1.2 电动调节阀

采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节,型号为：QSVP-16K,其具有精度高、技术先进、体积小、质量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高等优点.电源为单相220 V，控制信号为4～20 mA DC或1～5 V DC，输出为4～20 mA DC的阀位信号.

图1 三容水箱液位定值控制系统方框图

1.1.3 智能调节仪表

控制系统采用了上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，使用其中SA-12智能调节仪控制挂件，其为AI-808型.AI-808型仪表为PID控制型，输出为4～20 mA DC信号.AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控.

此液位串级控制系统中仪表参数设置如下：Ctrl=1，控制方式选为AI人工智能调节/PID调节；Sn=33(主)，1～5 V DC电压输入；Sn=32(副)，0.2～1 V DC电压输入；DIL=0，输入下限显示值；DIH=50，输入上限值；OPI=4，输出为4～20 mA的线性电流；CF=0(主调节器)，内部给定，反作用调节；CF=8(副调节器)，外内部给定，反作用调节；Addr=1(主)，通讯地址；Addr=2(副)，通讯地址.P、I、D参数根据实验进行调整.

2 控制系统的数学模型与控制算法

三容水箱的数学模型[1]为：

(1)

式中K1，K2，K3为三容水箱的放大系数；T1，T2，T3分别为3个水箱的时间常数.

为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制.由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊要求，因而副调节器可采用P调节器.

在三容水箱液位控制系统中，被控对象的液位变化是连续的，在远程数据采集系统中计算机利用的是离散的信号，所以要对模拟PID 控制器进行离散化处理.在模拟控制系统中PID 控制规律的表达式为：

(2)

将积分与微分项分别改写为数字形式差分方程，由此得到数字PID控制器算式为：

(3)

式中T为采样周期，k为采样序号，e(k-1)和e(k)为第k-1和第k次采样时刻的控制偏差量，其中u(k)为第k采样时刻调节器的输出数字量[1，2].

3 基于组态软件的液位控制系统的实现

3.1 控制信号传输原理及硬件结构

本实验采用了两套压力传感器和两套智能调节仪，如图1控制系统的方框图所示，串级控制系统分为主控回路(控制下水箱液位)与副控回路(控制中水箱液位).在副控回路中，测量中水箱液位的液位传感器2把采集到的液位信号经A/D转换后，变为0.2～1 V DC传输给副调节器，副调节器及时对上水箱与中水箱的扰动进行调节，提高了系统的响应时间，减少对主控变量的影响；在主控回路中，测量下水箱液位的液位传感器1把采集到的液位信号1～5 V DC电压信号传输给主调节器，主调节器将其变为4～20 mA电流信号，传输给副调节器作为副调节器的给定信号，该数字信号经RS485总线传送给上位机，上位机采集到的数字信号在组态软件中由PID控制器进行处理得出控制信号，控制信号经RS485送给D/A转换器，最后转换得到的模拟信号驱动调节阀工作，硬件结构如图2所示.

图2 控制系统硬件结构图

3.2 组态监控

如图3所示为基于MCGS的串级控制系统的下水箱液位控制界面.主控PID参数如下：比例系数P=50，积分时间I=20，微分时间D=10；副控PID参数如下：比例系数P=40，积分时间I与微分时间D皆为零.

图3 基于MCGS组态的监控界面

图4为下水箱在阶跃干扰下最终达到设定值SV=10 cm的响应曲线.

图4 下水箱液位阶跃响应曲线

4 结束语

基于MCGS组态监控的PID控制可以取得良好的动、静态特性，在系统的仿真过程中，控制器参数切换为硬切换，会对执行器造成冲击，为消除此缺点，进一步考虑引入模糊控制来实现参数的软切换[3-6].

参考文献

[1] 王 毅,张早校主编.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社, 2007.

[2] 刘金琨. 先进PID控制MALAB仿真(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2004:2-7.

[3] 李洪兴, 王加银, 苗志宏. 模糊控制系统的建模[J].中国科学(A辑),2002,32(9): 772-781.

[4] 李洪兴, 王加银, 苗志宏. 模糊控制系统的建模中的边缘线性化方法[J].自然科学进展,2003, 13(5): 466-472.

[5] 俞海珍, 史旭华, 徐建瑜.模糊自适应PID 控制在过程控制实验系统上的应用[J].实验技术与管理,2010,27(1):69-72.

[6] 林 屹,叶小岭.模糊自校正PID 液位串级控制系统设计与仿真[J].实验室研究与探索,2010,29(3):17-20.