基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计(7)

2.3.1 串级控制系统概述

图3是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。

R给定?f2(t)e1?f1(t)主调节器 m1??e2副调节器m2执行器副对象C2主对象C1测量与变送2液位变送器1图3 串级控制系统方框图

其控制系统方框图中各参数的含义如下所示： R-主参数的给定值； C1-被控的主参数 ； C2-副参数；

f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。 2.3.2 串级控制系统的优点

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：

1、副回路的干扰抑制作用

发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正； 2、主回路响应速度的改善

副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度； 3、鲁棒性的增强

串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性； 4、副回路控制的作用

副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。

2.3.3 串级控制系统的适用场合

与单回路回馈控制系统比较，串级控制系统有许多优点。如串级控制系统能改善对

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象的动态特性、提高系统的控制质量；能迅速克服进入副回路的二次扰动；能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。串级控制方案主要适用场合如下：

1、应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。若采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反应速度，则得到好的控制质量。

2、应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量

3、应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。

4、应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。

鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。

2.3.4 水箱液位串级系统流程分析

双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2作为被控量。水箱里液位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。双容水箱系统结构如图4所示：

图4 双容水箱系统结构

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2.3.5 水箱液位串级系统逻辑框图分析

双容水箱液位控制系统的逻辑结构如图5所示:

二次干扰给定值一次干扰??主调节器??副调节器气动阀上水箱h1中水箱h（ ）2液位 液位变送器2液位变送器1图5 系统逻辑结构图

这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。

2.4 水箱液位串级系统控制算法设计

2.4.1 控制算法选择

本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。 2.4.2 PID控制算法特点

1、技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；

2、不需求出系统的数学模型；

3、控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。

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2.4.3 PID控制算法分析

典型的PID控制结构如图6所示：

图6 PID控制结构图

1、比例部分

比例部分的数学式表达如公式（1）可见：

错

(1)

误！未找到引用源。

在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制 作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

2、积分部分

积分部分的数学式表达如公式（2）可见：

错

(2)

误！未找到引用源。

从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求

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来确定Ti。

3、微分部分

微分部分的数学式表达如公式(3)可见：

错误！未找到引用源。 (3)

实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。

微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。

所以PID调节器的数学描述如公式(4)可见:

错误！未找到引用源。[e(t)错误！未找到引用源。]

(4)

3 控制系统下位机硬件配置和程序设计

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