用工控机实现的多变量过程控制综合实验系统

时间:2019-05-31 11:47       来源: 正直新闻网

1 引言

 多变量过程控制综合实验系统[1]是陕西省首批批准资助的省级重点实验室的建设项目之一,该项目是建设一个实现液位、压力、流量等控制算法研究的平台。建成后,可提供工业控制系统各种对象模拟、各种算法实验研究的开发平台,给实验和开发新系统奠定基础。

2 多变量过程控制综合实验系统使用工控机的优点

  2.1 试验系统主要特点

  为达到对各种对象、算法进行研究的目的,试验系统必须具备以下几个特点:

  (1) 被控对象可以组合,形成结构不同的新对象;

  (2) 可以模拟实际的一个高阶或复杂的对象;

  (3) 对各种对象实施控制,且能用可能的算法研究其控制特性;

  (4) 算法可以灵活选择,且容易修改;

  (5) 且易操作实现。

  上述的(1)、(2)是由4个尺寸不等的容器、12个手阀及管路组成。为实现对其控制还使用了6个调节阀、3个水泵、8个电容式压力变送器。通过相互组合、连接可实现单容对象、双容对象、三容对象及其相应的控制系统。还可实现对高阶对象、复杂对象的模拟。

  对(3)、(4)、(5)可由现成的调节器或用计算机实现。调节器是一种工业应用的控制器。其中已集成了较多的能用于一般对象的控制策略。使用时可选择其中一种即可。它操作简便,对于固定的对象是较好的选择。而使用计算机,则控制策略(算法)要由自己开发。但带来的是可以大大提高控制方式的灵活性。正如前述,该系统可提供或模拟多种对象。对于有些对象,调节器可能满足不了要求。而用计算机的话,可完全按照要求随时自行开发软件。所以,本系统中我们选择工业控制计算机。

  2.2 选择工业控制计算机的优势

  程序自主开发,能灵活满足综合实验系统要求;

  (1) 可利用为工控机配套的一些硬件设备,如采集卡等,这些卡件的使用大大缩短了开发周期;

  (2) 电磁兼容性好,即对现场干扰、电磁辐射有强的防护作用;

  (3) 对于开发者来说,可积累工业现场使用工控机的经验,有利于培养人才。



3 多变量过程控制综合实验系统实现方案

  为达到较高质量的控制性能,一般的工业控制系统都使用闭环。所以,将现场的被控量由传感器反馈到控制系统的输入端。这里将各传感器的输出送到工业控制计算机中的数据采集卡上,作为输入。经处理再由输出通道,输出给放大器放大,在驱动电动调节阀对被控量进行调节。方案如图1所示:

图1 多变量过程控制系统框图

  图1中,工业控制计算机是其核心,主要接受来自采集卡的转换数据,按照预先规定的控制策略,进行处理。并且系统的控制调节命令由此发出。系统的数据如控制参数、工作状态、系统状态、给定与实际输出的百分数比显示。

  pcl-711b接收1151来的液位(压力)信号,进行模数转换,再将数字量送给计算机进行处理。pcl-711b是一个具有12位8路模拟量输入通道的采集卡,并配有采集数据的函数。使用方便。

  pcl-726,进行数字量到模拟量的转换,然后将模拟量送给电动调节阀经信号放大驱动阀门动作,调节容器的进水量,以达到调节液位目的。pcl-726具有12位分辨率6路模拟输出通道。也配有数据输出函数方便实用。

  1151gp电容变送器可测量液体、气体、蒸汽的压力。量程为0~1.3~7.5kpa,输出4~20ma,电源电压24vdc。本文实例中,是使用它将液体的压力转换成液体高度(液位信号)进行输出。

4 实例

  前已述及,本实验系统可模拟组合出多种所需的对象。这里就无自衡双容液位对象的串级控制作以简单介绍。

  4.1 对象构成

  该对象由一个高位和一个低位容器组成,高位容器将液体通过管路送入低位容器,低位容器中的液体通过一个泵抽出,这样就形成了无自衡对象。对于该对象来说,如果用简单pid控制方案,则很难实现有效控制。这里将高位容器作为副对象,低位作为主对象形成串级控制策略。这样可方便的实现控制。

  4.2 系统参数设定

  串级控制系统各参数选择和整定如下:

  (1)依据采样定理和串级控制系统主副环采样周期选择原则,选择采样周期:主环为500ms,副环为1/5的主环采样周期,即100ms;

  (2)依据串级控制系统的参数整定方法,副控制器用p,其值为20,主控制器用pid,其参数分别为k=48.5,ti=6800ms,td=200ms。这样系统性能指标满足了稳定工作的要求。

  4.3 软件设计

  pcl-711b和pcl-726采集卡提供了c和visual basic两种语言编程的函数,我们使用了vb设计系统软件。软件设计时考虑了采样周期和pid实现。采样周期实现时用了vb定时器,一个定时器为副环采集数据定时,另一个为主环数据采集定时。主环主程序片断如下:

private sub timer1_temer()
dim result
result=w_711b_ad_set_channel(6)
result=w_711b_ad_aquire(ad_data) %采集数据
textiv.text=(data1*10)/4096#+(-5#)
textdy.text=(textiv.text-1)*10+1
e(2)=e(1)
e(1)=e(0)
e(0)=(((textyg.text/10.375+1#)-(-5#))*4096/10)-ad_data 计算本次偏差
da_data=da_data+(a0*e(0)-a1*e(1)+a2*e(2)) %pid输出计算
result2=w_726_initial(cardnumber2,h220) %%%%初始化
result2= w_726_da(da_data) %%%经数模转换后输出作副环给定

  4.4 运行结果

图2 串级控制系统阶跃响应

  图2所示为串级控制系统的响应曲线。由此可知,系统的动态指标为:调节时间ts=130s,纯滞后=23s,超调量p=12%。峰值时间tp=53s。由此参数来看,系统响应的时间、滞后时间都比较长。为使系统的技术指标更好,我们可以设计更好的控制器结构和参数。

5 结束语

  本文针对多变量过程控制综合实验系统,阐述了用工控机实施控制的优点,并用其实现了一个双容液位的串级控制,控制效果符合要求,给后续的系统控制策略设计、算法实现奠定了基础。

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