论文部分内容阅读
摘 要:本文介绍了如何建立三容液位系统的机理模型,并提出了一种改进的PI控制算法,最后与传统的PI控制算法进行了三容液位系统的仿真控制对比。
关键词:三容系统 PI控制 防积分饱和
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0091-01
在过程工业的生产实践中,人们通常会面临多个相互连通的储液罐的液位控制问题,它们大多以流量为控制变量,液位为受控变量,这种多容器流程系统是一种典型的多输入多输出、非线性、时变、藕合系统,是过程控制中的典型过程对象,所以对其液位控制算法的积极研究有着广阔的应用背景,对实际的工程应用有着非常重要的现实意义。三容水箱液位控制系统是模拟多容器流程控制系统的典型教学实验装置,可以模拟现代工业生产过程中的液位、流量参数测量,模拟各种控制方案实验,并观察其对象特性、研究过程控制规律,所以三容系统的控制算法可以推广到很多工业过程中去。本文介绍了三容系统的连续机理模型的建模,并提出了PI控制算法的改进算法,有效的去处了积分饱和现象,最后用Siumlink搭建出三容液位控制系统,实现了三容控制系统的仿真控制。
1 三容系统的机理建模
三容液位系统是两输入输出的控制系统,其结构示意图如图1所示。容器T1和T3、容器T3和T2顺次连通,其中控制变量是两个水泵的流量Q1,Q2(ml/s),输出变量是容器T1和容器T2的液位h1,h2(cm),容器T3作为缓冲罐,一般其液位不作为受控变量。三容实验设备的物理尺寸和水泵的机械结构决定了此系统存在控制约束()和状态约束()。根据物料平衡方程可得出三容系统物理过程的微分方程描述:
(1)
其中为容器的液位S为容器的截面积,是从容器到容器的液体流量,令为容器间连通管截面积,为流量系数,sgn为符号函数,根据流体运动方程可得:
(2)
2 改进的PI控制
从机理模型可知三容系统是一个开环稳定、动态响应比较缓慢的过程。三容系统的控制问题主要是编写控制算法,使液位输出值在较短的时间内稳定在给定状态,或跟踪给定轨迹,同时又不违背系统约束。本文主要讨论不考虑解耦合情况下的恒值控制,即Q1和h1,Q2和h2分别构成单闭环。若直接采用传统的PI控制算法,在控制的初期由于偏差的长期存在和控制变量的约束,控制器会产生积分饱和[1,2],使液位的超调较大。针对这种情况,文中采用了一种有效的防积分饱和措施:先根据设定值计算出系统的稳态输入值,当液位首次达到设定值时把积分输出直接设置到稳态输入值,之后和传统的PI算法相同(如图2）。
为了验证算法的有效性,对本文算法和传统的PI算法进行了三容液位系统的仿真控制。两种算法的PI控制参数相同:,,设定值为,,初值为零。从仿真曲线图2可知,采用本文算法可以有效的减少超调量,缩短调节时间。
3 结论
本文对典型的过程工业模型三容液位系统进行了机理分析,建立了三容液位系统的连续微分方程模型,并对三容液位系统的PI控制进行了仿真和分析,提出了改进的PI控制算法,仿真控制表明本文算法可以有效的抑制积分饱和,改善系统的动态性能。
参考文献
[1] Hodel and C. Hall. Variable-structure PID control to prevent integrator windup[J].IEEE Proceedings on Industrial Electronics, 48(2):442-451,2001.
[2] 陶永华.新型PID控制及应用(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:三容系统 PI控制 防积分饱和
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0091-01
在过程工业的生产实践中,人们通常会面临多个相互连通的储液罐的液位控制问题,它们大多以流量为控制变量,液位为受控变量,这种多容器流程系统是一种典型的多输入多输出、非线性、时变、藕合系统,是过程控制中的典型过程对象,所以对其液位控制算法的积极研究有着广阔的应用背景,对实际的工程应用有着非常重要的现实意义。三容水箱液位控制系统是模拟多容器流程控制系统的典型教学实验装置,可以模拟现代工业生产过程中的液位、流量参数测量,模拟各种控制方案实验,并观察其对象特性、研究过程控制规律,所以三容系统的控制算法可以推广到很多工业过程中去。本文介绍了三容系统的连续机理模型的建模,并提出了PI控制算法的改进算法,有效的去处了积分饱和现象,最后用Siumlink搭建出三容液位控制系统,实现了三容控制系统的仿真控制。
1 三容系统的机理建模
三容液位系统是两输入输出的控制系统,其结构示意图如图1所示。容器T1和T3、容器T3和T2顺次连通,其中控制变量是两个水泵的流量Q1,Q2(ml/s),输出变量是容器T1和容器T2的液位h1,h2(cm),容器T3作为缓冲罐,一般其液位不作为受控变量。三容实验设备的物理尺寸和水泵的机械结构决定了此系统存在控制约束()和状态约束()。根据物料平衡方程可得出三容系统物理过程的微分方程描述:
(1)
其中为容器的液位S为容器的截面积,是从容器到容器的液体流量,令为容器间连通管截面积,为流量系数,sgn为符号函数,根据流体运动方程可得:
(2)
2 改进的PI控制
从机理模型可知三容系统是一个开环稳定、动态响应比较缓慢的过程。三容系统的控制问题主要是编写控制算法,使液位输出值在较短的时间内稳定在给定状态,或跟踪给定轨迹,同时又不违背系统约束。本文主要讨论不考虑解耦合情况下的恒值控制,即Q1和h1,Q2和h2分别构成单闭环。若直接采用传统的PI控制算法,在控制的初期由于偏差的长期存在和控制变量的约束,控制器会产生积分饱和[1,2],使液位的超调较大。针对这种情况,文中采用了一种有效的防积分饱和措施:先根据设定值计算出系统的稳态输入值,当液位首次达到设定值时把积分输出直接设置到稳态输入值,之后和传统的PI算法相同(如图2）。
为了验证算法的有效性,对本文算法和传统的PI算法进行了三容液位系统的仿真控制。两种算法的PI控制参数相同:,,设定值为,,初值为零。从仿真曲线图2可知,采用本文算法可以有效的减少超调量,缩短调节时间。
3 结论
本文对典型的过程工业模型三容液位系统进行了机理分析,建立了三容液位系统的连续微分方程模型,并对三容液位系统的PI控制进行了仿真和分析,提出了改进的PI控制算法,仿真控制表明本文算法可以有效的抑制积分饱和,改善系统的动态性能。
参考文献
[1] Hodel and C. Hall. Variable-structure PID control to prevent integrator windup[J].IEEE Proceedings on Industrial Electronics, 48(2):442-451,2001.
[2] 陶永华.新型PID控制及应用(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2005.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文