双容水箱液位串级控制系统的设计

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双容水箱液位串级控制系统的设计

口孙婷

【内容摘要】针对４Ｅｚｒ－生产过程中对多容量液位被控对象的控制需求，设计了双容水箱液位控制实验装置。该实验装置采用

Ａ３０００过程控制装置，采用串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱液位的控制，并且通过Ｍａｆｌａｂ对系统进行仿真，通过组态王将设计好的系统在设备上进行调试。实验结果表明，串级控制的内回路能够有效地克服二次扰动的影响，可以加大主控制器的增益，从而对控制难度大的二阶对象进行有效控制。

【关键词】双容水箱；串级控制；Ｍａｆｌａｂ仿真；组态王

【作者简介】孙婷（１９８５一），女，宁夏工商职业技术学院助教；研究方向：化工仪表及自动化

过程控制系统是利用过程监测装置、变送器、控制仪表和执行器等对整个生产过程进行检测与控制，以达到所需控制目的。过程控制系统的被控量为温度、压力、流量、液位、成分等，它涉及冶金、机械、石油、化工、轻工、建材等领域，因而过程控制在国民经济中占有极其重要的地位…。

经典控制理论主要研究单变量、常系数、线性系统数学模型，经常使用传递函数为基础的频域分析法；现代控制理论主要研究多输人多输出线性系统数学模型，经常使用微分方程或状态方程为基础的时域分析方法。传统控制方法多是解决线性、时不变性等相对简单的被控系统的控制问题旧－。

组态王软件是近年来使用较广泛也很受欢迎的一种上层组态软件，其人机界面友好，使用方法简单，通过“监控和加斜角板；阴角楼板加斜筋；连体建筑加强连接部位。

（三）加强屋面的整体性。屋面结构是非常关键和重要的内容，对于高层钢筋混凝土结构建筑更是如此，一旦屋面遭遇损害，就可能会导致结构发生散架的情况，那么整个结构的整体性就会丧失，所以屋面的整体性务必要加强。对高层钢筋混凝土结构房屋而言，要确保大于或等于１４０—１５０毫米的屋面板厚度，还要配之以双向双层钢筋网，保持大于或等于０．２５％一０．３０％的配筋率。

（四）加强构件间的可靠连接。建立在构件之间的连接，如果遇到地震时被破坏掉，那么结构的整体性就丧失了，所以，结构构件间的连接是一定要加强的，从而确保连接处的强度比构件强度更高。要尽可能全部采用全现浇钢筋混凝土结构，装配式结构要尽可能不用或者少用；要加强框架节点之间的连接，还有梁与柱、楼板与梁、楼板与剪力墙之间的连接和锚固。

四、提高结构的竖向整体刚度

地基发生并不均匀的沉陷情况，这就比较容易使结构的竖向整体刚度遭受破坏，产生不利的影响。对于高层钢筋混凝土结构更是如此，因为不同种类的结构体系都是静定结构，存在比较高的赘余度，会很敏感构件的竖向变位情况，所以应该重视地基基础的设计。高层建筑采用的地基不可以是条基或者是单独的基础，所以应该采用筏基或箱基，且要带地下室，也可以采用桩筏和桩箱的联合基础；基础持力层

数据采集系统”能够大大缩短开发时间，保证工程的质量。液位控制被广泛应用于石油、化工、医药、航空等各个领域，对液位的控制直接影响到产品的产量和质量，甚至影响设备的安全运行。本文通过Ａ３０００过程控制系统设计串联双容水箱液位控制系统，在仿真的基础上，将设计好的控制系统在Ａ３０００控制装置进行实际的液位控制实验。通过西门子

ＳＩＭＡＴＩＣＳ７—３００

ＰＬＣ系统及组态王软件，设计出了Ｓ７—３００

ＰＬＣ常规ＰＩＤ控制算法，最终得到较为理想的参数。

一、工艺简述

Ａ３０００过程控制系统包括现场系统和控制系统两部分。现场系统主要包括上、中、下３个水箱，１个大贮水箱，１个锅炉，１个工业用板式换热器，１套滞后时间可以调整的滞后系应进行可靠的选择，也要进行可靠的地基处理；基地边缘的最小压力Ｐｋｍｉｎ应该不小于０，在基底是不允许有零应力区出现的；关于水平构件和竖向构件之间的连接要加强。

五、抗震计算中地震动参数的调整

建筑抗震不利地段上计算高层钢筋混凝土房屋抗震。调整地震动参数主要涵盖了两方面的内容：一是加长了场地特征周期Ｔｇ；二是增加了地震影响系数的最大值Ａｍａｘ。

当场地的土质是液化土、软弱土和大厚度黄土的时候，就需要提高场地的类别划分，具体到Ⅲ类或Ⅳ类，关于场地的特征周期Ｔｇ也应该加长，差不多到０．４５—０．７５ｓ。反应谱曲线发生移动，主要是朝着增大周期的方向，这就使地震作用增强了。

当场地的地质条件为一些特殊地形，诸如比较高耸的山地、条状突出的山嘴或是非岩质的河岸等，这时需要保证“地震影响系最大值Ａｍａｘ应乘以不大于１．６的增大系数。”口１

【参考文献】

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Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆ＳｃｉｅｎｃｅＴｒｉｂｕｎｅ

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万方数据

圃豳豳圈２０１

４年第１３卷第１４期

统，２个水泵，２个流量计，１个电动调节阀∞ｊ。

本文的研究对象是由中水箱和下水箱组成的竖直串联双容水箱，串级液位控制系统的结构图如图ｌ所示，由上水箱、下水箱、控制器、液位变送器和手动阀组成。其工作原理是通过控制流人上水箱进水量的大小，来控制下水箱液位的高度。

本文的控制目标是：水箱的液位变化范围为０—１００ｍｍ，设计一个合适的控制器，使下水箱的液位能够快速准确地稳定在设定值，稳态误差不超过２．５ｍｍ，当系统发生扰动时，被控液位能够快速回到设定值上。

进水扰动

阀１

图１

串级双容水箱液位控制系统

图１为上下两个水箱组成的串级控制系统，串级控制系统是由两个控制器串联连接组成复杂控制系统。其中主控制器的输出作为副控制器的设定值，副控制器的输出控制调节阀。在控制过程中，副回路起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。图２为串级控制系统的方框图。

－－－ｄ．扰动

一次扰动

图２串级控制系统的方框图

串级控制系统由于副回路的引入，改善了被控过程的动态特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，具有一定的自适应能力，较强的鲁棒性，因此串级控制系统有很好地满足控制要求。

二、串联双容水箱数学模型的推导

双容水箱系统如图３所示，由两个水箱Ａ和Ｂ串联而成，水流先流入水箱Ａ经过阀Ｒ１流入水箱Ｂ中，再通过阀Ｒ２流出。流人量Ｑｉ通过变频器控制泵加以调节，流出量Ｑｏ根据需要由用户进行调节。水箱Ａ和水箱Ｂ的液位分别为Ｈ１和Ｈ２，根据物料平衡，最终得到双容水箱的传递函数为：

Ｈ（ｓ）

ｙＫ。Ｒｌ

Ｕ（ｓ）一ＴｌＴ２ｓ２＋（Ｔｌ＋Ｔ２）ｓ＋ｌ

将上下水箱面积及阀门水阻带入到式中可得串级控制系统的传递函数为：

Ｇ（ｓ）２丽赢聿丽

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Ｑ

Ｈ

图３双容水箱系统结构图

三、ＰＩＤ控制系统的仿真

ＰＩＤ调节器是按照系统偏差的比例、积分及微分规律进行控制的调节器，ＰＩＤ调节器是目前各种控制系统中应用最广泛的一种调节器。在很多工业生产过程中，由于系统中的参数的多变性，系统的数学模型难以建立，因此不采用现代控制理论的控制方法来解决问题，而是采用ＰＩＤ调节方式。由于ＰＩＤ控制应用广泛，并且在长期控制过程中人们积累了丰富的经验，并且能够达到有效的控制结果，因此人们在控制系统中通常使用ＰＩＤ控制方式。ＰＩＤ调节器的结构简单，且参数容易调节，算法也相对较成熟。

ＭＡＴＬＡＢ语言是以强大的数值计算见长的，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是

ＭＡＴＬＡＢ的重要软件包，用于对动态系统仿真，它适用于连续系统和离散系统。它采用系统模块直观地描述系统典型环节，因此可以十分方便地建立系统模型而不需要编程实现。例如常规的ＰＩＤ控制就可以通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立模型来实现‘４１。

在串级液位控制系统中，为了使内环有较好的随动性能，因此串级控制系统的内环用比例控制，外环采用常规ＰＤ

控制和模糊控制。在ＭＡＴＬＡＢ环境下，我们可以不借助经验公式，直接根据仿真曲线来选择ＰＤ参数。根据系统的性能指标和一些基本的整定参数的经验，选择不同的ＰＤ参数进行仿真，最终确定满意的参数。

图４串级液位控制系统仿真图

ＳｔｅｐＲｅｓｐｏｎｓｅ

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图５调节参数系统阶跃响应曲线

按照上述ＰＩＤ控制在串级系统中的控制方法，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立如图４的ＰＩＤ液位控制系统仿真图型。通过对参数的不断调试，最终得到较为理想的一条响应曲线，如图５所示。

ｌｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆ＳｃｉｅｎｃｅＴｒｉｈｕｎｅ

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运行后，得到系统阶跃响应曲线，通过比较可以看出，其中一组参数得到的响应曲线比较理想，主调节参数ＫＰ＝０．５，ＫＩ＝０．００３，ＫＤ＝ｌ，副调节参数ＫＰ２＝５，得到的响应曲线其超调量为１１％，在２％误差带的调节时间为４２３ｓ，稳态误差约为２ｍｍ。

四、串级控制系统在组态王中的实现

采用Ａ３０００过程控制系统为实验平台，以上下水箱为控制对象，下水箱液位为被控量组成串级控制系统。控制器为西门子公司生产的ＳＩＭＡＴＩＣ

Ｓ７—３００

不需要对内存变量进行转换。但是需要注意，内存变量的定义需要考虑实际控制过程中的范围，以避免对控制器的输出值大小造成影响。

双容水箱液位控制系统与上位机的通讯通过采用西门子牛顿７０００模块来实现，需在上位机中定义模块的通信通道。组态王提供了牛顿７０００系列模块的设备驱动程序，只需要按照如下配置向导就可以完成串Ｅｌ设备的配置，从而实现上位机与西门子模块间的通信＂］。

当系统开始运行之后，被控对象的特性也随之被确定，要得到理想的参数就要经过反复不断调整参数，使系统能够在最佳状态下工作。调整参数用经验凑试法来进行，根据不同的参数对系统的影响，通过相应曲线来确定参数的调整，最终得到理想的参数。

ＰＬＣ，编程工具采用

ＳＴＥＰ７，并通过组态王软件进行控制过程的监控。液位变送器ＢＰ８００采用工业用的扩散硅压力变送器，调节阀采用智能型电动调节阀。ＰＩＤ控制算法流程图如图６所示，

采样液位值ＨＩ

山

采用ＰＩＤ常规控制算法时，水箱液位从０上升到５０，经过反复调试，最终得到一组较为理想的参数：Ｔｉｃ＝１０ｍｓ，Ｋｐ＝６，Ｔｉ＝２００ｓ，Ｔｄ＝ｌＯｓ。得到如图８的响应曲线，由图中可以观察出，超调量为１５．６％，上升时间约为６９ｓ，调节时间约为１８０ｓ。

计算偏差ｅ＝ＳＰ－Ｈ１

山

计算比例值Ｕｐ＝Ｋｐ＊（ｅ２－－ｅ１）

山

计算积分值Ｕｉ＝Ｋｉ＊ｅ２

山

计算微分值Ｕｄ＝Ｋｄ＊（ｅ２—２ｅｌ—ｃｏ）

山

Ｕ１＝ＵＯ＋Ｕｐ＋Ｕｉ＋Ｕｄ

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圈６ＰＩＤ控制算法流程图

图８

｝’Ｉ＂液位控制系统的响应曲线

主监控画面显示了整个控制系统的各种重要设备，并将其按照工艺流程组合起来，使其能够按照参数的变化运行起来，能够对控制过程的开始和停止实施控制，并且能够对整个控制过程进行实时监控。主监控画面如图７所示，

五、结语

双容液位控制系统的下水箱液位受上水液位的影响很大，当系统中出现干扰时，尽管阀门开度作了相应的变化，但通过上水箱的控制通道，难以迅速控制下水箱的液位。串级控制就是设想将上水箱的液位作为一个中间变量，当干扰发生时，上水箱液位将先于下水箱液位变化，将此变化的信号反馈到另一控制器，先行改变调节阀开度，增加或减少进水量，将会使控制动作提前而改善下水箱液位的控制质量。对串级控制系统进行分析，可以发现内回路具有快速粗调的作用，外回路则起细调作用。内回路能够有效地克服二次扰动的影响，可以加大主控制器的增益，提高系统工作频率，改善控制品质。

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图一借态王主监控画面

支路２

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在实际的液位控制系统中，需要在组态王中定义多个内存变量来完成控制算法的实现，由于内存变量不需要对下位机输出数据，仅作为组态王内部实现算法的中问变量，所以

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