双容液位系统的PI加前馈控制_孟德华

1、吉 林 化 工 学 院 学 报JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYVol .29 No. 5May.2012第29卷第5期2012年5月文章编号:1007-2853( 2012) 05-0073-03双容液位系统的PI加前馈控制孟德华1，王英辉2(1.吉林机电工程学校，吉林吉林132022; 2.吉林省省直机关事务管理局启龙实业开发中心，吉林长春130055)摘要：针对双容液位系统，首先确定了其液位控制的串级控制方案，然后讨论了主副回路的常规PI控 制、积分分离的PI控制此基础上，为了能够适应参考输入信号的剧烈变化并及时提供相应的控制动 作，研

2、究了系统的PI加前馈控制仿真实验结果表明，积分分离的PI加前馈控制方法控制效果良好. 关 键 词：双容系统;串级控制;PI控制;前馈控制中图分类号：TN8文献标志码：A?1994-2014 Chinii AcademicEkctronic PuhlLshing Hcuse. Al rights reserved, http:w.inki.neL吉 林 化 工 学 院 学 报JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY?1994-2014 Chinii AcademicEkctronic PuhlLshing Hcuse. Al rights reser

3、ved, http:w.inki.neL吉 林 化 工 学 院 学 报JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY双容液位系统是一种 非线性、强耦合、多变量 和大滞后的复杂系统，是进行控制理论与控制工 程教学、实验和研究的理 想平台，具有强大的实验 功能，可验证各种新型算法的有效性，它的液位控 制研究对其他多容器流程系统的液位控制具有较 高的参考价值：1-" 本文首先根据系统的特性和控 制要求确立了串级控制方案，即选取容器2的液 位控制回路为主回路，容器1的液位控制回路为 副回路，进而讨论了主副回路的PI控制和积分分 离的PI控制.在此基础上

4、为了尽快地跟踪参考输 入的变化又提出了一种PI加前馈的控制方法最 后的仿真实验结果表明，本文所采用的方法达到 了理想的控制性能要求.1双容系统及其数学模型图1为本文研究的双 容液位系统 的示意图. 该系统主要 由上下串行排列的两个盛水容器组 成.一个水泵从实验装置底部的蓄水槽里抽水将 水注入容器1()，容器1的水再通过其底部的 漏水孔漏入容器2( T2)，同样容器2的底部也有 漏水孔，水从该漏水孔漏入蓄水槽，整个形成一个 闭合的回路双容液位控制系统的控制问题如何 调整泵的流量是容器2的液位能够尽快地达到在 预先期望的液位值，或按一定的规律变化.=1图1双容系统结构示意图根据物量平衡原理，可以用

5、以下非线性微分 方程描述该系统：dmKpVp Ao!槡2gh1"dT =At1，dh2 二 Am 槡2gn A。?槡2gh2"dT =At1，其中:h1和h2分别表示容器1和容器2的液位；p 表示泵的驱动电压其他各参数的意义和具体值， 如表1所示.?1994-2014 Chinii AcademicEkctronic PuhlLshing Hcuse. Al rights reserved, http:w.inki.neL吉 林 化 工 学 院 学 报JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY?1994-2014 Chinii A

6、cademicEkctronic PuhlLshing Hcuse. Al rights reserved, http:w.inki.neL吉 林 化 工 学 院 学 报JOURNALOFJILININSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGY收稿日期：2012-04-17作者简介：孟德华(1975-)，女，吉林双辽人，吉林机电工程学校讲师，主要从事自动化控制及设计应用方面的研究.?1994-2014 Chinii AcademicEkctronic PuhlLshing Hcuse. Al rights reserved, http:w.inki.neL74吉林化工学院学报201

7、2 年74吉林化工学院学报2012 年的双容系统PI控制效果图，如图4所示符号表示的物理量及单位数值Ao1容器1出水孔的截面积/cm20 .635At1容器1的横截面积/cm4 .445Kp泵的流量系数/( cm3 sT)3.3Ac2容器2出水孔的截面积/cm20.47625At2容器2的横截面积/cm24 .445g2重力加速度/cm/s981表1各参数的意义和具体数值门 m 2030-10 SO 602双容液位控制系统的PI控制74吉林化工学院学报2012 年r)io时间/s图3 双容系统的PI控制2-20155曲 50 和2.1串级控制方案的确定由于容器2的液位是双容液位系统控制的主 要

8、目标，而该系统的扰动主要是 泵流量的波动，它 直接影响容器1的液位为了及时克服干扰的影 响，同时考虑容器2的液位仅是通过耦合作用由 容器1中唯一影响的，所以确定对该系统进行串 级控制，即将容器2液位控制回路为作为主控制 回路，容器1液位控制回路为副控制器容器2液 位控制器的输出值即为容器1液位控制回路的设 置值串级控制方案的方框图，如图2 所示.74吉林化工学院学报2012 年图2双容系统串级控制方案2.2 双容系统的PI控制对主副回路的控制均采用PI控制规律用试 探法，确定具有理想控制性能的控制器参数，其中 主控制器PI参数为：比例系数Kp2 =17,心=5, 副控制器PI参数为：比例系数K

9、p1 =7 2 ,心=91 这里假设系统的初始液位都为0山2=15 cm是期 望的容器2的液位值图3是系统状态运行曲线.从图3可以看出采用的控制方案能够使系统 达到控制目的，但系统的输出即容器2的液位值 有较大的超调，调节时间过长考虑到单纯的PI 控制里的积分作用在误差较大的时候会使控制器 累计很大的控制量，容易产生积分饱和作用，从而 引起较大的超调为了解决这一问题，可以对主控 制器积分环节加以改进，加入积分分离，即当 误差大于一定阈值时积分作用取消，只是单纯的 P控制，反之误差小于一定阈值时再加入积分作 用在相同仿真条件下，取阈值为2，得到改进后时间/s图4 考虑积分分离后的双容系统PI控制

10、与图3相对比可以明显看出，容器2的液位 控制效果得到很大改善，超调量大大减小.2.3 双容液位控制系统的PI加前馈控制对于多流程液位系统 来说，跟踪按一定规律 变化(如方波、正弦等)的期望值的能力也是非常 受关注的单纯的反馈控制虽然控制精度可以保 证，但往往对于设定 值有突然变化情况控制效果 并不理想一种常见的方式是按输入进行补偿，即 前馈控制方案，如图5 所示.图5 双容液位控制系统的PI加前馈控制结构图在本系统中，在积分分离的PI控制基础上，加 入简单的静态前馈补偿方案即前馈控制器选用比 例控制规律，假设系统初始状态为hi(0) = 10 cm, h2 =14 cm,双容系统的PI附加前馈

11、控制跟踪一 方波信号的控制效果，如图6所示.74吉林化工学院学报2012 年74吉林化工学院学报2012 年7192014 ChircunHlJUSsJ第5期孟德华，等：双容液位系统 的PI加前馈 控制75时间/s图6 加入前馈控制前后的双容液位PI控制由于前馈补偿能够尽快地感受到设定值的变 化并把该信息及时地传递给执行机构，从而迅速 作出相应的控制动作，因此控制系统调节时间比 单纯的反馈控制来说要明显加快，且超调量大大 减小因此PI加前馈控制方案即保证了控制的精 度又提高了系统的反应速度.3结 论本文首先根据双容液位系统的特性，选取串 接控制方案来控制其液位，并分别采取了 pi控制、 积分分

12、离的pi控制以及pi加前馈控制的控制方 案，通过比较分析不难发现：积分分离可以使控制 系统的超调大大减小，前馈控制可以提前测量到 控制量的变化，所以会在第一时间内将 信息变化 反馈到控制系统，从而缩短调节时间，改善控制 效果.参考文献:1 孟亚男，高兴泉，高玉坤，等反馈线性化方法在双 容系统中的仿真应用J计算机仿真，2010,27(4) : 367-370 2 高兴泉，刘淳，马苗苗，等基于非线性静态反馈解 耦的三容系统PI控制控制工程，2004,11(4):352-355 3 李元春计算机控制系统岡北京：高等教育岀版 社,2009 王树青，戴连奎，于玲过程控制工程M 北京： 化学工业出版社,2

13、008 第5期孟德华，等：双容液位系统 的PI加前馈 控制75第5期孟德华，等：双容液位系统 的PI加前馈 控制75PI plus feedforward control of double container level system1 2MENG De-hua ,WANG Ying-hui(1. Jilin Insititue of Mechanical & Electrical Engineering, Jilin City 132022, China; 2. Qilong Business Development Center, GovernmentOffices Admini

14、stration directly under Jinlin Province, ChangchunCity 130055)Abstract : The cascadecontrol scheme of liquid level control was determined targeted double container level system, the n the conven ti onal PI con trol and PI con trol of in tegral separati on for primary and sec on dary loop were discussed In order to be able to adapt to dramatic cha ngesof the in put sig nal,a nd promptly provide the appropriate con trol acti on, on the basis of the results PI plus feedforward con trol for system was also discussed The simulation results show that PI plus feedforward control method of integral