基于组态王与Matlab的三容水箱多变量虚拟控制系统

吴仲民，郑 帅，徐 刚，杨春曦

(昆明理工大学化学工程学院，云南昆明650500)

基于组态王与Matlab的三容水箱多变量虚拟控制系统

吴仲民，郑 帅，徐 刚，杨春曦∗

(昆明理工大学化学工程学院，云南昆明650500)

基于组态王和Matlab构建了一个三容水箱液位控制的虚拟仿真系统.首先利用组态王搭建了液位控制系统监控画面，其次依据现代控制理论建立其数学模型，并使用Simulink工具箱构建多变量控制系统，然后通过OPC数据通信技术建立了组态王界面和Simulink的连接，最终实现了多变量控制系统的动态监控、实时曲线查询、历史数据查询和报警等功能.实验结果表明，该虚拟仿真系统简单易操作，动态画面效果逼真，可以用于多变量控制系统的学习与培训.

虚拟仿真技术；三容水箱；多变量控制系统

在工业生产飞速发展的今天，液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等过程工业中应用极为普及[1].而三容水箱液位控制系统作为一种典型的物理模拟对象，模拟了工业现场多种复杂的液位控制系统，在实际生产中有着非常广泛的应用[2－4].在高校自动化方向的实训中，由于购置三容水箱系统价格较高，设备的安装场地和正常运行所需的保障较复杂，加上每台套操作人数有限和实验过程的调节周期较长的缺陷，给三容水箱系统的算法研究和实训带来了诸多困难[5].目前，大部分三容水箱的控制器均采用一个PID控制器完成，但是由于三容水箱是非线性大滞后系统，且三个水箱的液位存在相互耦合[6]，一个PID控制器仅能控制好单个水箱液位，不能任意改变被控变量[7].

目前，虚拟仿真软件在过程控制中有着广泛的应用[8－9]，为解决高校液位控制实训需求，同时兼顾操作逼真和低成本特性，利用组态王和Matlab软件构建了一个能在计算机上直接运行的三容水箱液位虚拟仿真控制系统[10].即采用组态王构建三容水箱系统的动态监控画面和功能操作模块，被控对象模型和能同时控制三个水箱液位的多变量控制系统由Matlab的Simulink工具箱实现，而画面与系统的信息交互由OPC接口完成.该虚拟仿真系统具有操作形象、功能齐全、开发周期短和成本较低的特点[11－12].仿真实验结果也表明该三容水箱虚拟液位控制系统具有很好的实训效果.

1 三容水箱建模

本节考虑如图1所示的一个三容水箱系统，其中高、中、低位水箱的液位分别为h1(t)，h2(t)，h3(t)，高位水箱的入口流量为Qi(t)，高、中、低位水箱的出口流量分别为Q1(t)，Q2(t)，Q3(t).该系统的控制目的是通过调节阀对入口流量的调节，使得三个水箱的液位满足控制要求.

由物料平衡定理可知每个水箱的进料量等于出料量与水箱的物料变化量之和，则可得的公式:其中:S1，S2，S3分别为上、中、下水箱的横截面积，而液位和出口流量之间的关系是非线性的，为了简化问题，并将其线性化后，液位和出口流量之间的关系定义为液阻[13].考虑出口阀门开度不变，则液阻应为一个常数.这里上、中、下水箱的液阻分别为R1，R2，R3.为便于分析，令三个液阻均为常数.通过阶跃响应方法测得R1，R2，R3.

方程组(1)可以依照现代控制相关理论整理成线性定常的状态空间模型:其中:状态向量x(t)＝[h1(t)h2(t)h3(t)]Τ；u(t)表示三容水箱系统的控制输入量；y(t)表示三水箱的液位输出向量.选定各参数为R1＝293s/m2，R2＝187s/m2，R3＝477 s/m2和S1＝S2＝0.20 m2，S3＝0.38 m2，则具体的状态空间模型为:

图1 三容水箱系统结构图Fig.1 Structure diagram of three－tank system

对该模型的能控能观性进行分析，得出该系统是能控不能观的；求解李雅普洛夫方程可判断出该系统是渐近稳定的[14].而且通过模型看出系统是单输入多输出关系.同时从状态矩阵A的取值可以看出液位h1(t)和h2(t)、h2(t)和h3(t)之间存在耦合关系，所以使用单一的控制器只能能控制其中一个水箱的液位.因此采用了三个PID控制器分别对上、中、下三水箱液位进行控制，实现同时控制三个水箱液位的目的.

2 基于KINGVIEW三容水箱液位监控界面搭建

本节是利用一种通用的工业监控软件组态王对三容水箱液位控制系统的上位机部分进行设计，其中包括组态王图形界面的设计、数据词典中应用工程中定义的变量以及系统变量的存放、组态王主界面中的管道动画连接的加入、阀门动画设置、建立历史趋势曲线画面、历史数据报表画面、实时数据报表画面、1分钟数据报表画面、报警画面等.图2为利用组态王搭建好的三容水箱液位控制系统监控画面.

图2 三容水箱液位控制系统监控画面Fig.2 Monitoring screens of three－tank level control system

由图2知，三容水箱液位监控画面分为三大模块，一是三容水箱液位动态画面展示模块，包含整个三容水箱液位控制系统虚拟过程.二是三容水箱液位实时曲线画面模块，可以清晰的看到三水箱液位波动，通过曲线可以对参数进行再调节，直至找到合适参数为止.三是功能实现模块.在其区域内能设定三水箱液位、PID控制器参数，各个按钮能实现界面之间的相互切换，游标能够实时观察各个水箱的液位准确值.

整个三容水箱液位监控画面工作过程:启动泵，设定各个水箱液位值及调节PID参数，然后在泵的作用下通过入水调节阀开关开始向水箱注水，上水箱液位开始上升，当液位达到液位给定值时阀门开度开始减小.由于存在滞后，液位还会上升，当上升到一定位置后水箱液位会在出水阀的作用下开始下降，经过一段时间的波动，液位将会稳定在给定液位处.中水箱和下水箱液位稳定情况与上述一致.而通过三水箱的进水扰动阀和泄水阀就可以观察三容水箱的克服干扰能力，以及给一个水箱加入扰动对其他水箱液位产生的影响.

3 系统模块搭建

本节主要介绍的是通过Matlab中的Simulink工具箱对控制系统进行搭建.为了构建状态反馈控制系统，可以从系统中提取出的三个水箱液位分别加上给定值、控制器、比较器、测量变送等构成负反馈回路，即可达到三容水箱系统的多变量控制.其中设定值分别为三个水箱给定的液位值，控制器选用PID控制器，三个PID控制器的输出送入加法器，用来对执行机构(上水箱入水阀)的阀门开度进行控制.据此，构建如图3的系统方框图.

图3 三容水箱系统多变量控制模块组态图Fig.3 Configuration graph of three－tank multivariate control models

4 OPC数据通讯技术

本节介绍的是OPC技术，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，而在本文中，我们利用OPC技术实现了Matlab与组态王的数据通信.MathWorks公司推出的Matlab7.0以上版本中集成了OPC工具箱Matlab OPC Toolbox，它是一个客户端软件，提供了一种服务器和客户端互访的通用机制.通过OPC工具箱构建客户端数据访问不需了解OPC服务器的内部配置和具体操作，就能连接任何一个OPC数据访问服务器，可以方便地对连接的OPC服务器数据进行读写，而借助于Matlab OPC Toolbox可以方便地实现Matlab客户端与组态王服务器端之间的数据通信[15]，流程图如图4所示.通过OPC通讯技术将控制算法和界面连接起来，并设置好相应的通信参数，即可构成构成实时监控系统.

5 虚拟仿真调试

本节主要介绍虚拟三容水箱液位控制系统的运行过程.首先，OPC技术可以实现将组态王主界面的液位给定值、PID给定值传输至Simulink构建的控制系统中，并将控制系统计算得到的仿真液位输出值返回给组态主界面，并通过命令语言实现主界面液位的实时显示.即组态王界面做数据的输入与输出操作，Simulink构建的控制系统实现实时控制，最终实现了组态王与Simulink的联调.

在启动程序、设定好参数后，虚拟仿真系统运行一段时间即可得到这段时间的实时和历史趋势曲线.实时趋势曲线方便在组态王主界面中观察液位的变化情况，而历史趋势曲线功能可以调出任意历史时刻的系统液位变化曲线.以上水箱液位为控制目标，设定其PID控制器参数分别为:比例0.60，积分系数0.01，微分0.5，其他两个PID控制器系数均为零，则曲线变化如图5所示(稳定后中间液位的曲线为上水箱液位曲线，液位最低的为中水箱液位曲线，液位最高的为下水箱液位曲线).由图5曲线易知，三容水箱系统中上水箱的液位在80s左右达到稳定值200；中水箱的液位在240s左右达到稳定，稳态值133.5；下水箱的液位在660 s左右达到稳定，稳态值为316.1.通过图5曲线可以看出，作为被控变量的上水箱液位很好地稳定在设定值处，其他两个水箱液位也能保持稳定.如果分别以中水箱或下水箱为控制目标，通过相应的PID参数设定，也可以达到类似的效果.

图4 Matlab与组态王通信流程图Fig.4 Flow chart of communication between Matlab and KingView

图5 组态王－Simulink联调曲线Fig.5 Joint debugging curve of Kingview－Simulink

图6 上水箱进水扰动曲线Fig.6 Curve about input of upper tank suffered disturbance

图7 上水箱泄水扰动曲线Fig.7 Curve about output of upper tank suffered disturbance

为验证仿真系统的抗干扰能力，这里以上水箱为例，通过在主界面上分别打开上水箱的入水扰动阀和泄水扰动阀，从图6和图7可以看到在两种扰动分别作用下的上水箱液位的波动，以及对中水箱和下水箱液位产生的影响.图6中水箱液位向上波动，且波动曲线与上水箱一致，下水箱液位微微升高.图7中水箱液位先向下波动，波动曲线与上水箱一致，下水箱液位微微下降，都与实际水箱液位情况相一致.我们也对中水箱和下水箱分别加入入水和泄水扰动，均得到各个水箱的液位都能在较短的时间内恢复至扰动前的稳态值的结论，这表明该三容水箱液位控制系统具有较好的抗干扰能力.

需要注意的是，由于三个水箱之间的耦合作用，无论如何选取三个PID控制器的参数均无法使三个水箱的液位同时达到期望值，只能做到控制其中一个液位准确达到期望值的同时放松对另外两个液位的要求.此外，三个PID控制器参数匹配最终决定被控变量的响应特性.如果PID参数设置不合理，被控变量可能会出现剧烈震荡甚至失稳.为避免该现象的发生，我们通常只设定其中一个被控变量的控制器参数设为PID调节，而其余两个被控变量只采用比例控制.

6 结语

本文以三容水箱系统为研究对象，基于组态王和Matlab构建了一个三容水箱虚拟仿真控制系统，并利用现代控制理论对三容水箱建立了状态空间模型，设计出状态反馈控制器.使得该系统在运行过程中调整PID参数时不会改变三容水箱内部三组件之间的耦合和时滞特性，却能够分别实现上、中、下水箱的液位控制(一组控制器参数只能控制一个水箱的液位).该方法对液位变化扰动都具有较好的克服能力.最后通过仿真实验印证了该虚拟仿真系统的多变量控制策略效果，进一步说明该虚拟液位仿真系统是一个界面形象、操作简便、结论可信、符合高校实训特点的有效仿真实训系统.

[1] 张雅婕，杨洁，李智.基于实验的三容水箱数学模型[J].武汉工程职业技术学院学报，2009，24(3):1－4.

[2] 叶希立，丁强，黄国辉，等.三容水箱计算机控制仿真与实验系统的研发[J].实验室研究与探索，2013(6):81－83.

[3] 陆仲达，沙丽娟.三容水箱实验系统模型的建立[J].齐齐哈尔大学学报，2007(5):67－69.

[4] 刘浩，屈宝存，赵强.广义预测算法在三容水箱液位过程控制中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2015(5):21－24. [5] 李敏，邹涛，杨马英，等.过程控制系统综合性实验设计与教学实践[J].实验技术与管理，2011，28(6):100－104.

[6] 王志新，谷云东，李洪兴.三水箱多变量液位控制实验设计[J].实验技术与管理，2007，24(1):32－36.

[7] 侯燕.三容水箱液位控制系统的研究[D].武汉:华中科技大学，2005.

[8] 胡学军，滕达，胡林文.基于Matlab的时滞对象控制算法仿真分析[J].武汉工程大学学报，2010，32(3):92－95.

[9] 王后能，宋杰.LabVIEW嵌入Matlab脚本节点的电机转速控制系统仿真[J].武汉工程大学学报，2015，37(8):69－74. [10] 李伟.三容水箱液位控制系统[J].黑龙江科技学院学报，2004，14(3):160－163.

[11] 徐联贵，梁岚珍.基于OPC技术的Matlab与组态王通信模块设计[J].工业控制计算机，2007，20(3):26－27.

[12] 李安伏，崔亚量.基于OPC的Matlab与组态王的数据通信[J].电力自动化设备，2007，27(7):113－115.

[13] 黄爱元，邵根富，黄国辉.三容水箱液位控制系统建模与仿真[J].实验室研究与探索，2016，35(1):76－79.

[14] 俞立.现代控制理论[M].北京:清华大学出版社，2009.

[15] 冯鹏辉，谭兮，刘国营.三容水箱液位控制系统的设计与仿真[J].湖南工业大学学报，2011，25(6):51－55.

责任编辑:时 凌

Multivariate Virtual Control Systems Design of Three－holding Tank Based on Kingview and Matlab

WU Zhongmin，ZHENG Shuai，XU Gang，YANG Chunxi∗
(School of Chemical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

The virtual level simulation system of three－holding tank is constructed based on Kingview and Matlab in the paper.Firstly，monitoring screens of levelcontrol system is designed by Kingview.Secondly，its mathematical modelis constructed through moderncontrol theory and then related multivariate control systems are also built using Simulink toolbox of Matlab.Moreover，the communicationbetween monitoring screens and the multivariate control systems is linked via OPC technology.And then，several functions of multivariate control systems are realized including dynamic monitoring，real－time curve，the inquiry of historical data and alarming etc.Finally，the simulation results show that the virtualsimulation system can be appliedto the study of multivariate control algorithm and related training because of its simpleoperation and vivid dynamic effects.

virtual simulation technology；three－holding tank；multivariate control systems

TP273

A

1008－8423(2017)01－0088－04

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.020

2016－07－20.

云南省教育厅科学研究项目(2013Z128)；昆明理工大学教学改革项目(1096836105；201410674222).

吴仲民(1993－)，男，主要从事智能控制的研究；∗

杨春曦(1976－)，男(苗族)，博士，教授，主要从事网络控制系统和过程控制的研究.