虚拟PID调节仪在串级调节控制系统中的实现

发布于:2007/5/25 8:38:23 | 948 次阅读

 

  摘 要:介绍虚拟PID调节仪在串级调节系统中的实现过程;以LabVIEW的强大功能,实现了对具体液位、流量对象的串级调控,达到了比较理想的控制效果。
  关键词:虚拟仪器;串级调节;LabVIEW


Virtual PID Adjuster Realized in the Series Adjusting Control System

  LIHuai-zhou,CHENLi,YANGYong-cai

  (College of Optics and Electronics Engineering,University of Shanghaifor Science and Technology,Shanghai200093,China)


  Abstract:The paperintroducesthe virtual PIDinstrumentinthe series adjusting system,which the objects are liquid level and flux.
  Keywords:VirtualInstrument;Series Adjustment;LabVIEW
 

 
  虚拟PID调节仪基于LabVIEW虚拟仪器技术。 它采用数字PID控制算法,对控制系统的PID参数实现整定,运用到串级调节系统中,达到了预期的控制调节效果。本文介绍它的应用。主环控制对象是液位,副环的控制对象是流量。

1 理论依据
1.1 增量式数字PID控制算法

  由参考文献[1]知,PID增量式控制算式为
 
它表明,计算p(n)时,只需知道e(n),e(n-1)和e(n-2)即可,它适合于以步进电机或多圈电位器作为执行机构的控制系统。
1.2 计算机控制系统的模拟
  本系统采用将连续系统方程离散化的方式设计。PID调节器构成的控制系统框图如下:

   根据系统框图,经过z变换等得离散化方程:
  

式中a=1-e-t/T

2 串级调节系统的特点和效果分析
  串级调节系统是一个双回路系统,实质上是把两个调节器串联起来,通过它们的协调工作,使一个被调量准确保持为给定值。
  串级调节主要用来克服落在副环内的扰动。这些扰动一旦在中间变量反映出来,很快就被副调节器抵消掉。与单回路系统相比,干扰对被调量的影响可以减小许多倍。


  主调节器的任务是克服落在副环以外的扰动,并准确保持被测量为给定值。这可用图2所示的串级调节系统的方块图来说明。
  实验室中的干扰主要来自以下两点:
  :副环中水龙头的水流量突然加大造成的干扰(框图中的f2)。当然,水流量的加大必然会导致液位的上升,对干扰的响应具有滞后,造成调节的不及时,此时流量调节器就起作用了。
  第二:干扰来自主环(框图中f1)。从某一时刻开始进入水槽的水龙头的水流量突然加大造成干扰,液位上升,此时主环测到给定反馈的偏差值加大,控制阀门放水。

3 框图程序和前面板程序的设计
3.1 框图程序设计

  结合1.2讨论的闭环系统离散化的结果a值、数字PID增量式算法的原理及串级调节系统方框图,完成PID调节仪的框图程序设计见图3。框图程序的设计中将t(液位采样周期),r(液位初始给定值)等初始参数设置为变量。框图程序采用LabVIEW的公式计算模块功能实现。


3.2 前面板的设计
  实验室的液位控制的给定值为50%,液位的采样周期经过经验整定()为7秒,流量采样周期为1秒;液位对象为一阶惯性环节1/(70S+1),流量对象为一阶惯性环节1/(10S+1)。PID调节器的最终调控结果用图线直观地在仪器的面板上呈现出来。液位和流量的波形显示可以实时观测调节结果,它们的满量程均为100%,调节P、I、D三个参数,波形有相应的 连续变化;我们进行相应的调节就可达到理想结果。具体前面板的程序见图4。

4 实验数据分析
  此设计采用一步法整定。所谓一步整定法,就是根据经验先将副控制器的参数放好,不再变动,然后按一般单回路的整定方法,直接整定主控器的参数。据此理论,结合实验室的液位和流量控制,对于主环采用4:1的衰减震荡,调节各个参数,所得的流量及液位曲线分别如图5、图6。

5 结束语
  基于LabVIEW的强大功能来模拟实验室中的控制系统(主、副控对象分别为一阶惯性环节的液位、一阶惯性环节的流量对象),经过仿真调试实现了PID调节器在串级调节器系统的应用。分析图中液位的曲线,液位的值在70左右,设定值为50;一个周期的震荡后,衰减了3/4,达到了理想的效果。而液量的波形不是很理想,这是一步法整定的结果(工艺上对于副环的流量没有严格要求)。


参考文献

[1]李怀洲,陈离,杨永才.基于LabVIEW的虚拟PID调节器[J].仪表技术,2004,(2).
[2]杨乐平,李海涛,肖相生.LabVIEW程序设计与应用[M].电子工业出版社,2001.
[3]李锡熊,陈婉儿,鲍鸿,程良.微型计算机控制技术[M].科学技术出版社,1999.
[4]施仁,刘文江.自动化仪表与过程控制[M].电子工业出版社,1994.
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