基于PID 算法实现三级储罐液位控制*

刘魏晋，胡 琛，唐 洋，李树杰，陈俊杰

（1.武汉交通职业学院，湖北 武汉 430000；2.湖北交投科技发展有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

近年来，随着互联网的高速发展，自动化生产水平发展迅速，各行各业的信息化智能化正日臻成熟。然而，在实际工业生产过程中经常会出现扰动因素，这都会影响到最终的实际产量，导致效率降低。因此需要按照生产要求进行预期操作，比如：温度的变化，压力变化等。温度控制系统中的侧温和控温是两个重要因素，而且在工业生产中也占据着相当大的比例[1]。储罐的液位控制是工业生产中乃至日常生活中常见的控制，在实际生产过程中常出现不同的变化，如液位过低达不到需求量，压力变化导致比例失调等，最终都会影响控制效果。

三级液位中的一级液位为卧式储罐，二级和三级液位代表立式储罐；PID 算法控制系统的主要问题是基于PID 参数的整定,由于多数系统在不同程度存在非线性、参数时变性和模型的不确定性,为了使PID 控制更精确,即采用模糊PID 控制。PID 控制器简单易懂，在使用过程中无需精确的系统模型等必要条件，因而成为应用最为广泛的控制器[2]；余差就是在系统实现平衡的时候，系统实际的输出和给定值（期望值）之间存在差值，变化量经比例调节达到平稳时，不能加复到给定值的偏差。一般整定情况下，余差属于稳态误差。过渡过程结束后，设定值与新稳态值之差[3]；对于污水处理系统而言，其控制对象除了有开关量，还包括模拟量，除了开环控制，还涉及到闭环控制；系统运行过程中，有很多参数需要进行检测与控制，系统的总控计算机，利用监控软件对整个处理厂的设备予以实时监控并跟随系统运行调节不同的功能[4]。

1 系统搭建

三级液位流程工程图如图1 所示，工艺水由FV101调节流量，进入一级卧式储罐V101，当V101 液位达到一定的工艺指标后，工艺水由FV104 调节流量进入二级立式储罐V102；V101 液位控制策略可以选择V101 工艺水入口流量或者出口流量作为控制变量。当V102 液位达到一定的工艺指标后，启动离心泵P101，工艺水由FV105 调节流量进入三级立式储罐V103；V102 液位控制策略可以选择V102 工艺水入口流量或者出口流量作为控制变量。当V103 液位达到一定的工艺指标后，工艺水由FV106 调节流量排至界区，V103 液位控制策略可以选择V103 工艺水入口流量或者出口流量作为控制变量。

图1 控制系统搭建图

2 控制要求

实现三级液位系统运行、液位串级控制以及流量比值控制。运行时间25min，实现V101 出口流量(FT104)与V102 入口流量(FT102)的双闭环比值控制，要求1∶1。其中FT102 的控制回路为主，FT104 的控制回路为副，即FT104 流量随FT102 流量变化而变化。

结束时，V101 液位控制在30%(允许上下1%之内的波动)，且稳定保持180s 以上。V101 出口流量(FT104)控制在1.2kg/s(允许上下0.1kg 之内的波动)，且稳定保持180s以上。V102 入口流量(FT102)控制在1.2kg/s(允许上下0.1kg 之内的波动)，且稳定保持180s 以上。

3 控制方案设计

图2 串级控制

由于在实验过程中，最初采用的是单回路控制，但这种控制效果并不是很好，而且对控制要求有一定的局限性，用以控制要求较高的场合，效果就会很差，本例采用串级控制，系统由主回路和副回路的搭建，串级系统的副环具有抗干扰能力强，动作速度快，在单回路的基础上更稳定，设计的思路是：如果在设计中把对主变量影响最严重、变化最频繁的干扰包含在副环内，就可以很好的充分利用副环快速抗干扰性能，将干扰的影响控制在最低限度。这样，干扰对主控变量的影响就会大打折扣，从而使控制质量获得很好的提高。如图2 所示。

4 控制规律的选择

对于任何闭环控制系统，首要任务就是确保其稳定、快读、准确。而PID 整定的主要目的就是为了实现这一目标。当增大比例参数P，可以使系统的反应变快，但是对于稳定在一个需求数值的效果却差强人意。虽然能在一定程度上克服扰动，但会有余差出现，同时，过大的比例系数会使系统存在较大的超调量，并伴随着震荡，从而破坏其稳定性。而积分可以在比例调节的基础上消除余差，对稳定后存在累计误差的系统进行调整，减小稳态误差。对于微分控制而言，具有容量滞后的控制通道，当将微分控制引入后，针对提高系统的动态性能指标具有显著的效果，可以使系统超调量减小，增加其稳定性，减小其动态误差。

据此，要实现整个工程系统的控制，在调整时，我们需要在三个参数之间进行权衡与调整。因此，常用的两种控制策略如下：

1）临界比例度法。在系统闭环情况下，激励信号为阶跃信号，将调节控制器设置为纯比例作用下，缓慢去调节控制器，按照从小到大的规律逐渐调节其大小。即，比例Kc 设为适当数值，微分常数TD 设置设为最小，将控制器积分Ti 设到最大，然后将K 的值由大往小逐渐改变，每改变一次K 值时，改变给定值给系统施加一阶跃干扰，同时观察被控变量y 的变化情况。若y 的过渡过程呈衰减振荡，则继续减小K 值，若y 的过渡过程呈发散振荡，则应增大Kc 值，直到调至某一Kc 值，过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止，这时的过渡过程称之为临界振荡过程，出现临界振荡过程的比例K 称为临界比例度，临界振荡的周期T 则称临界周期。临界比例度法单方便，容易判断，是使用非常广泛的一种方法，适用于一般的控制系统之中。但是对于临界比例度很小的系统不适用。

2）4 比1 衰减曲线法。在系统处于闭环情况下，将微分时间TD 设置为0，控制器积分Ti 设为最大，比例Kc 设于适当数值，Kc 值每改变一次Kc 时，由改变给定数值给系统施加一阶跃干扰，然后使Kc 由大往小逐渐改变，同时观察过渡过程的变化情况。如果衰减比大于4∶1，Kc应继续减小，直至过渡过程呈现4∶1 衰减时为止，当衰减比小于4∶1 时，Kc 应增大，4∶1 衰减振荡时的比例Kc。

5 工程组态环境

在系统控制器组态里添加需要用到的输入输出对象以及PID 控制源，程序设计完成之后就在仿真曲线里添加需要查看的源。

仿真开始后，趋势曲线在线实时记录仿真情况，并记录实时数据，运行过程中以运行时间为X 轴绘出曲线，从0 时刻开始记录，单位为秒。趋势画面中所有的曲线共享同一时间轴。因此，当缩放时间轴时，所有的曲线都一起变化。趋势画面中的Y 轴为数据轴，每一条曲线都拥有各自独立的数据轴及相应坐标系，数据轴的颜色与曲线的颜色相同。X 轴和Y 轴坐标均可以通过鼠标拖动实现缩放功能。

三级液位趋势曲线如图3 所示，当加入扰动后，可以观察系统的控制效果。调节过程中，可以先将Ti 的初值设定一个较大的积分时间常数，开始发现振荡后，可以逐渐减小Ti 值，若系统出现振荡慢慢减弱后，再反过来，慢慢增大Ti，直到系统振荡消失。对于PID 的整定值，可以结合4∶1 衰减曲线法进行设定，若衰减过程中衰减比要大于4∶1，需要根据实际情况继续减小。

最终，经过PID 参数整定，自动调节后的曲线图如图3 所示。

图3 整定结果

6 结论

本文针对在流程行业上遇到的部分问题而言，采用PID 算法控制是系统运行更加稳定，使生产得到了保障，效率得到了提高，下面就针对在系统运行中参数选择，整体而言，有以下方法供参考。

1）对于有些参数对系统运行不会产生影响，例如三级储罐的热量回收、液位、热量回收预热系统等，对于这部分参数，采取默认值即可，这时候可考虑比例控制，甚至采用开关控制。

2）有一些需要设置又不是很重要的参数，不希望动态偏差较大，但是惯性较大，可采用比例—微分控制器。但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例—微分控制器。

3）对控制要求比较高，要求生产平稳，可采用比例—积分控制器。

4）对于有高精度生产要求，希望动态偏差较小，被控对象的时间滞后比较大的参数，控制精度要求比较高，应当采用比例—积分—微分控制器。