基于Matlab双容液位系统控制方法研究

窦艳艳

（江苏联合职业技术学院 南京分院，江苏南京，210019）

0 引言

液位及流量控制的问题在人们日常生活中、工业生产等领域中非常常见，比如日常城市生活用水的供给、污水处理、饮料加工生产、化工生产等各个领域的加工生产流程中，都会涉及到蓄液池，其液位既不能太满也不能过低，需要在一定范围内[1]。因此，本文研究对水箱液位的控制方法，使得水箱内液位更快更稳定的保持期望值显得十分有意义。

PID控制是传统工业控制的主要技术之一，即比例、积分、微分控制，在实际工程中应用最为广泛，其结构精简、稳定性好、可靠性强、调节简便。当被控对象的数学模型不确定时，系统控制器的结构以及参数需要依靠工程师的经验进行现场调试，此时采用PID控制方法最为便利。工业过程控制中的被控对象很多都具有纯滞后特性。控制理论中的纯滞后过程特征方程含有纯滞后环节，会对系统的稳定性产生较大的影响，滞后时间越大，系统的稳定性越差。针对滞后主导的过程，PID控制器的微分项具有较好的控制效果，但无法控制纯延迟环节主导的过程。Smith曾提出一种纯滞后补偿型的模型，能够极大的改进系统的响应，该方法具体操作方式为：将一个补偿环节并联到PID控制器上，把纯滞后环节放至控制回路的外部，从而达到预期效果，此补偿环节被称作Smith预估器[2]。串级控制系统在复杂控制系统中应用较为广泛，当对被控变量的误差范围要求尽可能的小时，简单的控制系统满足要不了要求时，可考虑采用串级控制系统[3]。

1 现场系统

如图1所示，现场系统包含锅炉、储水箱、三个水箱、两台水泵、大功率加热管、板式换热器、硬件联锁保护系统、滞后时间具有可调性的滞后系统等。传感器和执行器系统由一个压力变送器、五个温度传感器、两个涡轮流量计或电磁流量计、一到三个液位传感器、一个电动调节阀、两个液位开关、一至两个电磁阀组成。现场系统分为两条支路。第一条支路包含1#水泵、锅炉、换热器等设备，可以将水注入到锅炉和三只水箱中。第二条支路包含2#水泵、电动调节阀、压力传感器以及三个水箱，可以液体流入换热器对其冷却。通过实验测定，双容水箱系统的数学模型为：

图1 A3000 现场系统结构

下面对分别用单回路PID控制方法、基于Smith预估器的PID控制方法、串级PID控制方法对该对象进行仿真模拟，并分析这些控制方法对于双容水箱对象的控制的优劣之处。

2 双容液位系统控制方法比较研究

■2.1 单回路PID控制仿真模型

首先运行MATLAB，然后启动Simulink。用simulink构建单回路PID控制系统的仿真框图如图2所示。

图2 单回路PID控制仿真框图

系统模型的创建工作结束，然后设置正确的系统模块参数与系统仿真参数。此处PID参数用的是稳定边界法调节整定的，分别设为7,0.14,1。

■2.2 基于Smith预估器的PID控制仿真模型

由于单回路PID控制方法对于二阶大延迟系统的控制效果并不理想，这里又提出了一种基于Smith预估器的PID控制方法。Smith预估补偿控制是克服纯滞后的一个有效的控制方法，它能够预估在基本扰动下过程的动态特性，接着通过预估器对其补偿，将被调量（被延迟的）超前反映到调节器中，从而让调节器提前动作，通过该方法可以超调量显著减小，调节时间也进一步缩短。这里PID参数和单回路PID仿真电路图中的相同为7,0.14,1，便于比较结果。图3为基于Smith预估器的PID控制仿真框图。

图3 基于Smith预估器的PID控制仿真框图

■2.3 串级PID控制仿真模型

根据串级控制系统主、副回路设计原则，中水箱灵敏性比下水箱好，故此处选择中水箱为副对象，下水箱为主对象。仿真框图如图4所示。

图4 串级PID控制仿真框图

调节主、副调节器的参数，先调副调节器粗调，这里副回路PID参数为3,0.1,0，再调主调节器细调，这里主回路PID参数为5,0.1,0.05。

■2.4 三种PID控制方法对比分析

为了清楚地观察以上三种PID控制对双容水箱系统液位控制的优劣，下面来分析三者的输出波形图，波形对比图如图5所示，这里在每个仿真图中添加step在700s时输出0.5（即50%）的扰动值。

图5 三种PID控制方法仿真结果对比（带扰动）

根据上面对比图分别对其动态特性做了计算，如表1所示。

表1 三种PID控制动态特性对比

从图5和表1中可以明显的看出，单回路PID控制的调节时间很长，远远大于另外两种控制方法的调节时间，说明基于Smith预估器的PID控制方法和串级PID控制方法能比较好的解决大延迟二阶对象的延迟问题。从图5中还能看出基于Smith预估器的PID控制方法的超调量明显比另外两种控制方法的要小，而串级PID控制方法的峰值时间、上升时间、延迟时间都要优于另外两种控制方法。串级控制方法对扰动有很小的波动，抑制扰动的调节时间也很短，显示了串级控制方法能抑制扰动的特点。

所以对于控制双容水箱液位系统等大延迟二阶对象系统时，基于Smith预估器的PID控制方法和串级PID控制方法都是比较有效的。

3 结束语

双容水箱液位控制系统是通过对现代工业生产过程中的液位等相关参数监测控制，研究过程控制规律的实验装置，该系统具有非线性、惯性大、时滞长等过程控制动态过程，无法精确描述，通过调节普通PID控制器参数难以很好的解决这些矛盾。本文的主要对双容水箱液位系统分别采用单回路PID控制、基于Smith预估器的PID控制、串级PID控制方案进行仿真和对比分析，研究该系统的运行特性。随着控制技术的发展，在工业技术越来越复杂的今天，复杂系统的控制难题将会逐步得到解决，而实现机器智能化将成为其发展的必然趋势。