用工控机实现的多变量过程控制综合实验系统

1 引言

多变量过程控制综合实验系统[1]是陕西省首批批准的省级重点实验室建设项目之一，是实现液位、压力、流量等控制算法研究的平台。建成后，可为工业控制系统的各种对象模拟和算法实验研究提供开发平台，为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 试验系统的主要特点

试验系统必须具备以下特点：

(1) 被控对象可以组合形成不同结构的新对象；

(2) 可以模拟高级或复杂的实际对象；

(3) 用可能的算法控制各种对象，研究其控制特性；

(4) 可灵活选择算法，易于修改；

(5) 而且操作方便。

上述(1)和(2)由4个不同尺寸的容器、12个手阀和管道组成。6个调节阀、3个泵和8个电容节阀、3个泵和8个电容式压力变送器。单容对象、双容对象、三容对象及其相应的控制系统可以通过相互组合和连接实现。还可以模拟高级对象和复杂对象。

对(3)、(4)、(5)可由现成的调节器或计算机实现。调节器是工业应用的控制器。一般对象的控制策略已经集成。使用时可选择其中一种。操作简单，是固定对象的更好选择。使用计算机时，应自行开发控制策略（算法）。但它能大大提高控制模式的灵活性。正如上述，该系统可以提供或模拟各种对象。调节器可能不能满足某些对象的要求。如果使用计算机，软件可以根据要求随时开发。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

自主开发程序，能灵活满足综合实验系统的要求；

(1) 一些硬件设备，如采集卡等，可用于工控机，大大缩短了开发周期；

(2) 良好的电磁兼容性，即对现场干扰和电磁辐射有很强的保护作用；

(3) 对于开发者来说，可以积累工业现场使用工控机的经验，有利于人才培养。

3 综合实验系统实现多变量过程控制

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中，工业控制计算机是其核心，主要接受采集卡的转换数据，并按照预先规定的控制策略进行处理。由此发出了系统的控制调整命令。显示了控制参数、工作状态、系统状态、给定和实际输出的百分比。

pcl-711b接收1151液位(压力)信号，转换模数，然后将数字量送到计算机进行处理。pcl-711b它是一种具有12位8路模拟输入通道的采集卡，并配有采集数据的函数。使用方便。

pcl-726.将数字量转换为模拟量，然后通过信号放大将模拟量发送给电动调节阀驱动阀，调节容器进水量，达到调节液位的目的。pcl-726具有12位分辨率6路模拟输出通道。还配备了方便实用的数据输出函数。

1151gp液体、气体可以测量液体、气体和蒸汽的压力。量程为0~1.3～7.5kpa，输出4～20ma，电源电压24vdc。本文的例子是将液体压力转换为液体高度(液位信号)进行输出。

4 实例

正如前面提到的，本实验系统可以模拟和组合各种所需对象。本文简要介绍了无自衡双容液位对象的串级控制。

4.1 对象构成

对象由高位和低位容器组成。高位容器通过管道将液体送入低位容器，低位容器中的液体通过泵抽出，形成无自衡对象。对于这个对象，如果使用简单pid控制方案难以实现有效控制。以高容器为副对象，以低容器为主对象，形成串级控制策略。这可以很容易地实现控制。

4.2 设置系统参数

串级控制系统各参数的选择和整定如下：

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

(2)副控制器采用串级控制系统参数整定方法p，其值为20，主控制器使用pid，其参数分别为k=48.5，ti=6800ms，td=200ms。系统性能指标满足稳定工作的要求。

4.3 软件设计

pcl-711b和pcl-726采集卡提供c和visual basic我们使用了两种语言编程函数vb设计系统软件。软件设计考虑采样周期和pid实现采样周期的实现vb定时器，一个定时器是副环数据采集定时，另一个是主环数据采集定时。主环主程序片段如下：

private sub timer1_temer()

dim result

result=w_711b_ad_set_channel(6)

result=w_711b_ad_aquire(ad_data) ‘%收集数据

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 (-5#)*4096/10)-ad_data 计算此偏差

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，输出副环给定

4.4 运行结果

图2显示了串级控制系统的响应曲线。因此，系统的动态指标是：调整时间ts=130s,纯滞后τ=23s，超调量σp=12%。峰值时间tp=53s。从这个参数来看，系统响应长，滞后时间长。为了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

本文阐述了量过程控制综合实验系统，本文阐述了工业控制机实施控制的优点，实现了双容量液位串控制，满足要求，为后续系统控制策略设计和算法实现奠定了基础。