力控组态编程实现油箱模型PID控制研究

刘先平 ，柴细元 ，郭智勇 ，张志攀 ，韩明明

（1.中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司天津300280；2.中国石油大学（北京）博士后科研流动站北京102249；3.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；4.大港油田公司勘探开发研究院天津300280）

组态软件是结合计算机技术和控制技术发展起来的[1-2]，在SCADA、DCS等工控系统中运行于IPC作为监控层管理软件，发挥着数据采集与过程控制功能的软件开发平台[3-5]。国外常见的工控组态软件主要有 Wonderware 的 InTouch[6]，GE 的 IFix[7]，Citect的Citech[8]以及Siemens的WinCC[9]等。国内目前工控使用最广泛的组态软件是北京亚控科技发展有限公司开发的组态王King View，国内其他具有代表性的组态软件还有北京三维力控科技有限公司开发的ForceControl[10-12]，由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的MCGS等[13-14]。

组态软件一般具有丰富多样的图形动画、功能强大的模块控件、不断完善的外围硬件模块驱动库以及技术成熟的网络支持技术，它能以灵活多样的组态方式（非编程）提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法[15]，其预设置的各种软件模块可轻易实现HMI、实时数据库数据管理、与IPC外围硬件进行数据通信以及曲线和数据报表的功能[16]，但在实现各种复杂的控制算法方面尚有不足。在组态软件实现控制算法方面，国内组态软件与国外组态软件实现方法手段一致，主要有3种方法：一是使用DDE或OPC与第三方控制算法运行软件进行数据交换；二是使用VB或VC将控制算法编译成ActiveX控件，使用组态软件进行控件加载的方式实现复杂控制[17]；三是使用组态软件自带的VBA等算法编程环境实现复杂控制算法。此3种实现控制算法的方法较复杂，工作任务量大。力控组态软件不带有VBA编程环境，使用方法二实现控制算法尚未见诸调研资料。

本实验研究以力控组态软件为平台，通过研究PID控制算法原理及力控组态软件运行机制，在力控组态软件平台上编程实现PID控制算法，基于组态平台建立油箱模型对控制算法实现可行性进行验证，并为其他类似组态软件平台提供一种实现控制算法的新方法。同时，力控组态软件带有控制策略模块，但使用时需要单独购买。如果能够使用编程实现力控组态软件的控制功能，则能够在使用力控组态进行控制的工程中减少投入成本，从而带来直接的经济效益。

1 力控组态程序运行机制

力控组态软件程序编写通过脚本编辑器完成，力控脚本编辑器有六种方式，分别是当前窗口脚本编辑器、应用程序脚本编辑器、触敏动作脚本编辑器、数据改变脚本编辑器、键操作脚本编辑器、特殊条件脚本编辑器。其中当前窗口脚本编辑器、应用程序脚本编辑器、触敏动作脚本编辑器具有开始动作、周期执行、退出动作的3种程序运行方式。

在当前窗口脚本编辑器编写的程序只在本窗口有效，切换到其他窗口后，原窗口的周期执行程序不继续执行。在进入、退出或切换当前窗口时可执行一次预设的程序，其他时间内窗口程序按按一定时间周期循环执行，程序执行周期最短为100 ms，即一秒钟时间最多只能循环执行所编写的程序10次。力控组态采用的是边解释边执行的程序执行方式，在周期执行的中每一段程序执行周期内，程序从第一条开始向下逐条执行，一直执行到最后一条程序，然后等待本次时间循环周期结束。本次循环结束后，开始下一个循环，重复执行周期运行窗口中的程序。

图1所示为当前窗口编辑器“窗口运行周期执行”窗口，本次实验研究所编写的程序代码都在此窗口中执行。对窗口中编辑的程序可以进行编译查错，当编译不通过的时候，当前窗口的程序无法进行保存。本次实验研究所编写的PID控制程序按0.1 s的周期重复执行，以时间段内的数值和代替积分，以数值对执行周期的后向差分代替微分。

图1 当前窗口脚本编辑器

2 油箱调节阀模型力控编程实现

2.1 油箱模型假设与建立

1）假设油箱为圆柱体外型，则油箱液位H可表示为油箱中油的体积V与油箱内圆柱底面积S之比，即H=V/S。

2）令S=1，则数值上有H=V。

3）令△t时间内，流入油箱的流量和流出油箱的流量分别为常量Fi和Fo，则△t时间后当前油箱液位为：H=V=(Fi-Fo)t+Vo，其中Vo为△t时间前的油箱油位。

4）假设油箱流入流量为最大流入流量Fimax与流入阀门开度Vai的乘积，油箱流出流量为液位为H时流出流量f(H)与流入阀门开度Vao的乘积。

5）假设流出流量f(H)与液位H为线性关系，即满足：f(H)=aH+b，a为比例系数，b为偏移量。f(H)随H的增多而增大，当H为0时，f(H)=b为大于0的数。

综上，在某时刻t0，经过△t时间后，油箱液位表达式则变为：

阀门开度采用满开度的比例计算，即开度为一半时，阀门开度表示为50%，全开为100%，全关为0。在力控组态软件中编写实现程序为：

2.2 电动调节阀模型假设与建立

假设PID计算出阀门控制量能够立即使电动调节阀动作，即电动调节阀对控制量的响应无延时。则在某时间t时刻开始的周期△t内，本次阀门开度值等于上次阀门开度与PID计算开度之和。

2.3 模型参数计算

参照实验室油箱模型，设油箱最高油位为200个单位。进油阀全开并且出油阀全开时，油箱无法蓄油，即有Fimax≤b。进油阀全开并且出油阀全关时，假设20 s时间可以注满整个油箱，而程序执行周期为0.1 s，即200个周期可以将200单位的油箱注满油，所以可得到最大进油流量Fimax为1单位，同时不妨设b=1。假设油箱全满时，阀门全开时的最大f(H)为2，则由f(H)=aH+b计算得a=0.005。

3 PID控制算法力控编程实现

模拟PID控制系统原理框图如图2所示，本次实验的研究过程为油箱，被控变量为油箱液位。执行器是力控组态编程实现的电动调节阀，控制器为力控组态软件及其编程实现的PID控制算法。

图2 模拟PID控制系统原理框图

模拟PID控制系统的控制器数学模型为：

图3 数字PID控制系统原理框图

由于计算机处理的都是离散的数字信号，不能对连续的模拟PID进行运算，因此，使用计算机做控制器PID控制时，必须对检测信号进行离散化处理，使用数字PID实现模拟PID功能。计算机做控制器的PID控制系统原理图如图3所示。

数字式PID控制器数学模型有位置型控制器和增量型控制器两种，增量型PID数字控制器主要适用于步进电机控制中，本次实验控制器采用位置型数字PID控制器。我们对式（1）离散化，使用后向差商代替微分，时间段内的离散积累代替积分，具体形式如表1所示。

表1 模拟PID调节器方程离散化对应表

则可得到位置型数字PID控制器的差分方程为：

在本次实验中，使用采样时间间隔为T=0.1s，在力控当前窗口编辑器程序周期执行窗口中编程实现位置型数字PID控制器程序如下：

图4 程序周期执行流程图

力控实现单油箱建模与PID控制的程序过程运行过程如图4所示，考虑到现实情况下，阀门开度不可能达到100，且不可能完全关闭，因此设置阀门开度在5%～95%之间。程序按周期反复执行。

4 实验结果及分析

如图5所示为力控组态编程实现的单油箱建模与PID控制界面图，从图中可以看出力控开发的单油箱建模与PID控制实验平台由4部分组成，分别是：实物流程仿真、控制曲线输出、油箱模型参数设置、PID控制器设置。通过设置油箱参数与PID控制参数，可以对油箱液位进行控制仿真，并将仿真结果由控制曲线输出界面动态显示输出。

图5 油箱建模与PID控制界面图

在图5中，控制参数：Kp=0.3，Td=0.2，积分作用关闭，被控变量从50跳变到80，油箱液位变化（细曲线）趋势图。从图5可知PID控制有效，控制参数设定合理；油箱模型较合理，能够反映真实的油箱模型情况；力控组态能够在一定约束条件下编程实现PID控制算法。

5 结 论

此次力控组态软件平台编程实现单油箱建模与PID控制，一定程度上验证了力控编程实现控制算法的可行性，但还需在此平台上进行各种先进控制算法的编程实验，以充分论证力控编程实现控制算法的可行性。在本次实验研究中，对模型的建立使用了一些理想化假设，按这些假设建立的模型不能完全反应真实情况，下一步希望能够基于实验室使用A3000系统进行力控组态控制算法验证。

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