基于Lab VIEW的双容水箱液位控制系统研究

2021-06-29孙明革张嘉诚

科学技术创新 2021年17期

孙明革张嘉诚

(吉林化工学院信息与控制工程学院,吉林吉林132022)

目前，高校中关于液位过程控制所用到的装置，多数是成套采购的教学实验水箱设备，为实验人员提供了比较成熟的实验环境和平台，在这种情况下，学生只能通过固定模式的实验掌握控制方法[1]，但是并不能深入了解实验设备控制程序的编写思想。为让实验人员能够清晰完整的了解水箱液位控制全过程，我自主开发了一套双容水箱系统，用于本课题的研究以及他人的学习。开发过程包括结构设计、硬件选型、电路设计、实物组装调试、软件仿真、程序设计、过程控制、干扰实验、远程监控实验，并且有继续改造升级的空间。本文着重介绍LabVIEW的编程过程、PID参数整定以及对模型输出数据的分析。

1 双容水箱液位控制系统简述

整体系统构成图如图1所示。三个检测机构和两个执行机构由NI USB-6009数据采集卡负责收集与发送信号，送入LabVIEW中通过程序进行处理，部分处理数据送到MATLAB中做仿真处理。双容水箱采用上下式结构，设计供水方式由无刷直流水泵将水从储水箱中抽出，经由电磁流量计测流量，通过电动调节阀调节开度，改变给水量大小，将水送至上水箱，由下端出水管流至下水箱，再流回储水箱。上水箱与下水箱之间仅有一根出水管连接，无其他干扰阻碍液体流速，表现为二阶特性。因依靠势能使水自然下落至下水箱，避免外界干扰因素，上水箱液位高度越高，压力越大，液体流经管道的流量越大，因此两个水箱采用串联上下式结构目的是排除干扰，依靠重力和压力使系统响应迅速。

图1 整体系统构成图

2 仿真实验

将开环实验得出的数据捆绑后送入MATLAB中，通过遗传算法辨识系统，辨识的参数包含增益K、时间常数T1、T2。根据操作过程，系统输入幅值为80，迭代次数为20次。通过遗传算法运算后，求得双容水箱液位系统参数分别为：K=2.471 、T1=279.2553、T2=275.5242 。因此求得模型的传递函数为：

由目标液位和实际液位组成的仿真曲线图，如图2所示。由图可知，曲线第一次到达波峰的高度为13.8 cm，第二次到达波峰的时间为10.8 cm，求得衰减比为4.75 :1，仿真实验效果理想。

图2 仿真曲线

3 模型输出实验

如图3所示为模拟信号采集程序的循环部分，首先创建一个AI采集任务，将任务的电压范围设置为0～5V，输入接线端配置选择RSE（单端模式），输入通道选择AI3（下水箱超声波液位计），通道返回值单位选择电压[2]。采样时钟设置采样模式选择连续采样，采样时钟选择板载时钟，采样速率设置为1000ms。在启动任务之后放置一个While循环，内部连接DAQmx读取，设置为模拟1D波形N通道N采样。将采集到的电压值采取中值滤波，去掉尖端毛刺，使曲线光滑，将滤波后的值乘以斜率再加上截距，便得到了液位高度值，此值即为滤波器中的Y轴数值。在创建波形控件中，设置时间间隔为1秒，即为每秒采集一次，将X值和Y值送至波形图中显示，构成横轴为时间纵轴为液位高度的曲线[3]。在循环中添加条件结构用于存储数据，当需要存储曲线的背景数据时，点击save按钮，便自动生成表格，文件中时间与液位值一一对应。同时，按照存储路径存储在对应文件夹内，文件名格式为“年，月，日，小时，分钟，秒.date.csv”。

图3 信号采集程序

将PID程序放到While循环中，每隔一秒执行一次[4]。将过程数据逐次替换，按名称捆绑，捆绑后送至子VI，做变量输出范围的限制。设定值SP、调节值OP、过程值PV，一同捆绑成数组送入波形图中显示为实时变化的历史曲线[5]。因考虑到对阀开度值手动调节和自动调节，在程序中设置条件循环结构，当自动调节时，条件循环为真，SP、PV值送入PID运算程序中，对其进行PID参数的设定，并对输出的电动阀开度进行限幅，由于PID程序输出范围为-100%～100%，而实际开度应为40%～70%，经换算，此处限幅范围应为-20%～40%。基于LabVIEW的PID参数整定程序判断部分如图4所示。

图4 PID程序

如图5所示为P=3、I=3时的过程曲线，由图可知，第一次到达稳态值时横坐标t=24.4 ，实际时刻为第244S。第一次到达波峰时液位高度为13.1 cm，稳态值为10cm，由此可以计算出超调量为31%，较前面两次实验有了一定改善。第二次到达波峰时液位高度为10.7 cm，衰减比为4.4 ：1。整条曲线震荡减轻的趋势明显，在第2987s时达到并保持稳态平衡状态，稳态值为10.01 cm，误差为0.1 mm。综上所述，该组参数较为理想。