基于LabVIEW的水箱平台设计及PID控制特性分析

仪表技术与传感器

Instrument󰀁Technique󰀁and󰀁Sensor2007󰀁No󰀂7󰀁

基于LabVIEW的水箱平台设计及PID控制特性分析

牛玉广1,张󰀁雷1,淮小利2

(1.华北电力大学自动化系,河北保定󰀁071003;2.河北大学电子信息工程学院,河北保定󰀁071002)

󰀁󰀁摘要:由于工业现场条件复杂、干扰多、实验难度较高,需研究复杂大机组的控制特性。文中设计了一个基于Lab󰀁VIEW的双容水箱实验平台,以求在该平台基础上,进行理论新算法的研究和验证,最终达到工程应用的移植。文中首先从设计思路入手,然后辨识求取对象数学传函,搭建PID控制模型,最后通过实验数据验证模型正确性,分析PID控制特性。

关键词:LabVIEW;双容水箱;辨识;PID控制

中图分类号:TP271;TP214󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-1841(2007)07-0025-04

DesignofDeviceforWaterTankBasedonLabVIEWand

PIDControlCharacteristicsAnalysis

NIUYu󰀁guang1,ZHANGLei1,HUAIXiao󰀁li2

(1.DepartmentofAutomatics,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China;2.CollegeofElectronicandInformationalEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

Abstract:Becauseofthecomplexconditionandlotsofdisturbance,whatmakestheexperimentationintheindustrymoredifficult,designadouble󰀁holdwatertankbasedontheLabVIEWinordertostudythecontrollingcharacteristicsofthecomplexset.Alsoexpecttousethedevicetostudyandvalidatethenewarithmeticandthentransplantthenewmethodtoapplicationontheproject.Firstlyintroducethedesignmethod,andthenidentifythemathematicalmodelandbuildthecontrolmodel,atlasttestthecorrectnessofthemodelusingtheexperimentdataandanalyzePIDcontrolcharacteristics.

Keywords:LabVIEW;double󰀁holdwatertank;identification;PIDcontrol0󰀁引言

在火电厂大机组控制中,PID控制仍然占据主流。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性能高,被广泛应用于过程控制和运动控制中,尤其是用于数学模型已知的确定性系统[1]。为了更好地进行控制策略方面的研究,在基于LabVIEW编程语言的基础上,应用其自带的PID工具包,设计了一个基于水箱的实验控制操作平台。该平台在研究实用算法、模拟现场故障、研究控制特性等方面,都有很高的实用和研究价值。1󰀁实验平台的结构设计及其原理1.1󰀁实验平台系统结构设计

该实验平台主要由硬件系统

[2]

硬件系统包括1个双容互挤型水箱,由水位、压力、流量等传感器和泵、阀等执行器组成。软件监控系统应用LabVIEW语言开发,具有收发数据、处理数据、模拟故障、网络监控等功能的操作界面。

数据采集系统从现场采集数据,通过一定协议,以USB数据通讯的方式传送给计算机用户,并把处理后的信号(0~5V电压)传送给执行器。

该平台是以双容水箱为控制对象,以水箱1的液位h1和水箱2的液位h2为控制量。随着液位、压力、流量的变化,相应的传感器会产生4~20mA的电流信号,通过转换电路转换为1

、软件监控系统

[3]

~5V的电压信号,最后由数据采集卡转换成二进制编码的数

、数据采

字编码信号,通过USB接口输入计算机端口。通过LabVIEW采集分析处理数据产生控制量,并通过数据采集卡进行数模转换,把控制量转换为1~5V的控制电压信号,最后通过功放电路控制水箱的泵开度和阀开度。1.2󰀁硬件结构设计

双容水箱结构组件有:1个泵,1个电动调节阀,若干手动阀,2个投入式液位计,1个压力传感器,2个流量计,NIUSB-

集系统3部分组成,其系统流程结构如图1所示。

图1󰀁实验平台结构系统组成

6008数据采集卡,24V变压器、端子板、富士变频器各1个,还有其他控件若干。其硬件结构如图2所示。1.3󰀁软件结构设计

此次平台设计主要是研究PID的控制特性,按照模块化的

基金项目:国家自然科学基金项目(50576022)

收稿日期:2006-12-17󰀁收修改稿日期:2007-03-08󰀁󰀁󰀁26󰀁

󰀁

InstrumentTechniqueandSensor

K=k k󰀂=

2.1.2󰀁最小二乘法

最终水位稳态值(h)

阶跃响应输入量(u)

󰀁

Jul󰀂2007󰀁

最小二乘法包括最小二乘法、递推最小二乘法、广义最小二乘法、相关两步法等。对于水箱模型的辨识,采用最小二乘法、递推最小二乘法两种方法进行模型的辨识。两种方法都是

图2󰀁水箱结构图

设计理念,应用LabVIEW软件设计了基于PID算法的监控界面。监控画面简单明了,可以实时采集、记录数据,绘制、分析曲线,这对研究和分析控制的效果有重要作用。

设计平台主要由以下几个模块组成:数据输入模块、数据输出模块、故障模拟模块、液位报警模块、PID控制模块、数据显示模块、数据存储模块、远程监控模块[4]。

数据输入模块由DAQ助手通过USB把传感器数据从采集卡实时导入计算机。数据输出模块由DAQ助手通过USB把控制数据输入采集卡并进行数模转换。故障模拟模块可以进行现场故障模拟,如恒增益、恒偏差、回滞、死区、漂移等典型故障。液位报警模块比较实际液位是否超过危险液位,分高水位报警、低水位报警。PID控制模块对研究对象实行单回路闭环PID控制。数据显示模块实时显示绘制数据变化过程曲线。数据存储模块定时把实验数据保存到Excel文档进行保存。远程监控模块实现网络化远程控制,其中包括数据库、安全方面的设计。

2󰀁模型的求取和控制结构的搭建

主要对PID控制模块的控制效果进行分析和研究。采用LabVIEW自带的PID控制模块,并且在了解模块的编写机理的基础上,对PID模块进行了改进。2.1󰀁水箱模型的求取

水箱模型的构建可以通过机理建模的方法求取,也可以采用系统辨识的方法求取。以机理建模为理论基础,用简单的阶跃响应法和最小二乘法来辨识系统的模型。2.1.1󰀁阶跃响应法

通过图3的阶跃响应曲线上的一个数据点来计算T和K.求取时间常数T的方法:在过渡曲线上,被控量达到63󰀂2%稳态值时的时间,就是时间常数T.

比例系数K的求取:水箱的输入为󰀁Q,输出为󰀁h,水箱的比例系数为k,控制泵的输入为控制信号变化率󰀁󰀂,输出为流量󰀁Q,控制泵的比例系数为k󰀂,由图4的󰀁󰀂、󰀁Q的关系曲线求出k󰀂为一个比例环节。令K=k k󰀂,即为所求环节的比例系数。

对参数模型一致性的辨识,当实际观测和计算值的累计误差的平方和达到最小值处,所得到的模型输出能最接近实际过程的输出[5]。

SISO系统动态过程的数学模型为

A(z-1)z(k)=B(z-1)u(k)+v(k)

(z-1)和B(z-1)为z-1的多项式。

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+!+anbz-B(z-1)=b1z-1+b2z-2+!+bnbz-u(1),u(0)!u(1-N)

(n)T],HL=

u(2),u(1)!u(1-N)!

nbna

(1)

式中:u(k)和z(k)为过程的输入量和输出量;v(k)为噪声;A

(2)(3)

定义zL=[z(1),z(2),!,z(L)]T, =[ (0), (1),!,

u(L),u(L-1)!u(L-N)最小二乘法的公式为

-1

=(HTHLzLLHL)

(4)(5)

1

递推最小二乘法的公式

(k)= (k-1)+K(k)[z(k)-hT(k) (k-1)]K(k)=P(k-1)h(k)[1+hT(k)P(k-1)h(k)]-P(k)=[I-K(k)h(k)]P(k-1)

数,实现系统的辨识。

以单容水箱一阶系统为例,分别应用阶跃响应法、最小二乘法、递推最小二乘法分析比较确定系统精确数学模型。

由于输入输出数据通常都含有直流成分和低频成分,用任何方法都无法消除它们对精度的影响。此外,数据中的高频成分对辨识也是不利的,文中采用一阶惯性滤波对数据进行预处理,同时采用平均值滤波和中值滤波进行辅助滤波。

如图5所示,系统能够对原始数据进行很好的滤波,并能够对滤波后数据达到很好的辨识效果。分别对5组实验数据用这3种方法进行辨识,最后确定系统模型为G(s)=12󰀂9

。

381s+1

2.2󰀁PID控制模型的构建

积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差,PID控制器的输出由积分作用的不断累加而加大,从而导致执行机构达到极限位置(例如水泵或者阀的开度最大),若控制器输出u(k)继续增大,控制器的开度不可能再增大,此时就称计算机输出控制量超出了正常运行范围,进入饱和区。一旦系统出现反向偏差,u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区越深,退出的时间越长。在这段时间,执行机构仍停留在极限位置而不能随偏差的反向立即做出相应的变化,这样系统就像失去控制一样,

(6)(7)

通过式(4)~式(7)进行矩阵运算推导,即可得到要求参

󰀁Qk󰀂=

󰀁󰀂󰀁󰀁

󰀁第7期

󰀁

牛玉广等:基于LabVIEW的水箱平台设计及PID控制特性分析

󰀁

27󰀁󰀁

造成控制性能恶化。这种现象就叫做积分饱和现象或者积分失控现象[1,6]。

分析积分饱和现象并设计出如图6所示的有抗积分饱和能力的PID闭环控制模型。

由图6可以看出系统模型构造了2个PID环节,根据PID参数的不同,可以分成3种控制情况,即无积分饱和现象、积分饱和现象、退积分饱和现象。这3种情况可以分别由2种PID模块进行仿真模拟。仿真模拟曲线如图7所示。

无积分饱和现象:就是PID的控制信号没有超出执行器的控制范围,即没有超出控制范围进入饱和区。这种情况使用简单PID模块。

积分饱和现象:PID的控制信号超出了执行器的控制范围,当液位出现反向偏差时,执行机构仍停留在极限位置,不能立即做出反应。这种情况使用S函数PID模块。

图5󰀁系统滤波与辨识曲线

图6󰀁水箱PID控制仿真模型

(a)无积分饱和现象󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(b)积分饱和现象󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(c)退积分饱和现象kp=0.1,ki=0.01󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁kp=1,ki=0.1󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁kp=1,ki=0.01

图7󰀁PID控制现象模拟仿真图

󰀁󰀁退积分饱和现象:虽然PID的控制信号超出了执行器的控制范围,但是在液位出现反向偏差时,PID控制信号已经回到执行器的控制范围内,这种情况使用简单PID模块。3󰀁水箱PID实验与仿真

列出了PI控制下的水位控制曲线和相应PI控制下的仿真曲线图(图8)。可以看出,实际水位控制曲线和基于上述PID控制模型的仿真结果大致是吻合的,控制趋势相同。通过分析比较PID参数变化规律和曲线变化趋势可以得出以下结论。

比例系数k越大,调节作用越强,会使系统响应速度越快,动态特性越好。但是随着比例环节的增大,稳态水位会有小幅度不规则振荡,比例系数太大可能导致水位剧烈振荡甚至造成系统不可控。所以需要采取适当的比例系数。

积分作用的特点和调节器的输出与偏差存在的时间有关,只要存在偏差,输出就会随时间不断增长,直到偏差消除,调节

器的输出才会不变化。因此,积分作用能消除静差,积分的作用动作缓慢,而且在偏差刚出现时,调节器作用很弱,不能及时克服扰动的影响,致使被调参数的动态偏差增大,调节过程增长。

所以要根据具体要求适当选择比例和积分系数,以求达到最好的控制效果。4󰀁结束语

基于LabVIEW语言编写设计的双容水箱实验平台,具有操作简单、可视化强、控制精确等优点。首先,叙述了实验平台软硬件方面的设计思路,方法可移植性强;之后,从系统辨识的方向,以单容水箱一阶环节为例,求取了精确的数学模型,并在该模型基础上,搭建PID控制模型;最后,通过比较不同PID控制实验数据和仿真结果的吻合程度,验证了所控制模型的正确性。

󰀁󰀁󰀁28󰀁

󰀁

InstrumentTechniqueandSensor

󰀁

Jul󰀂2007󰀁

图8󰀁PID控制水位曲线

参考文献:

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作者简介:牛玉广(1964∀),教授,主要研究领域为热工过程优化控制、

故障检测与诊断等。

(上接第24页)

数据,保障所有输入数据是最新更新的数据。而SPC3在接收

到由PROFIBUS主站传送的不同输出数据时,会产生输出标志位(同样位于中断请求字单元),CPU通过在应用循环中轮询标志位来接收主站数据。相对于特定应用的诊断信息,需要实时传递到主站;主应用程序在应用循环中判断是否有可用的诊断BUF存在,当有空闲BUF时,应用程序输入诊断信息并请求更新。对于实时性要求严格的系统,应采用中断方式进行输出数据和诊断数据处理。4󰀁结论

主要介绍了带PROFIBUS-DP接口智能氧量分析仪的硬件及软件实现方法。实验证明C8051F040单片机的性价比较高,其本身资源比较丰富,利用它容易构成高品质的智能氧量分析仪。开发过程中证明:利用SPC3等专用芯片进行PROFIBUS产品开发,能够使开发简单化,节省开发的时间和人力,用带SIEMENS的CP5611卡的工控机作为上位机对智能氧量分析仪

用程序。SPC3的初始化程序应放在具体I/O应用前面;SPC3的中断输出作为CPU的中断输入。

(1)SPC3的初始化程序󰀁在SPC3正常工作之前,必须进行初始化,以配置各种需要的寄存器。

(2)SPC3的中断处理程序󰀁中断处理程序用于完成SPC3发生的各种事件的处理,主要有新的参数报文事件,全局控制命令报文事件,进入或退出数据交换状态事件,新的配置报文事件,新的地址设置报文事件,监测到波特率事件和看门狗溢出事件。

(3)具体I/O应用程序󰀁数据输入和输出处理(输入/输出处理是相对于主站而言)以及用户诊断数据输入可以放在应用程序循环中。在一个应用循环中,由应用来刷新输入BUF中的

的通讯功能进行测试的通讯速率最高可达6Mbit/s,通讯速率设为1Mbit/s时数据传输稳定可靠。参考文献:

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作者简介:崔倩(1983∀),硕士研究生,主要从事现场总线智能仪表方面

的研究。