CN102662412A - 一种基于相平面法的四容水箱液位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四容水箱液位控制方法。其主要特征是采用两个独立的控制器分别控制位于下层的两个水箱液位。控制策略采用相平面分区控制法。它能直接根据当前的偏差和偏差变化率计算出与此相适应的控制量，不需要对系统建模，具有很强的抗干扰性，适合于对耦合系统进行控制。针对多容水箱的时滞问题，通过加入微分反馈，抑制由时滞引起的超调。通过将二者的有机结合，最终使液位能快速、平稳地跟踪设定值。

Description

一种基于相平面法的四容水箱液位控制方法

技术领域

本发明涉及一种四容水箱液位控制方法，属于智能控制领域。

背景技术

化工过程各个单元之间联系紧密，经常表现出复杂的动态特性。在实际生产中很多工业对象往往需要同时控制多个变量，许多被控对象(如工业锅炉、结晶器液位控制)都可以抽象成四容水箱的数学模型，因此研究四容水箱的液位控制对实际工业过程控制很有参考价值。

四容水箱由两组独立的双容水箱组成。它具有如下特点。

(1)水箱进出口管径能方便替换，可以模拟时变对象。

(2)通过改变四个出水口的管径，可方便模拟最小相位系统和非最小相位系统。

其中，非最小相位系统由于耦合性更强，常规控制下往往需要降低增益，牺牲调节时间以此维持系统的稳定。为了使系统性能更加理想，首先需要抑制回路之间的耦合。常规解耦思路，需要在精确建模的基础上对水箱进行解耦控制，或采用基于模型的多变量预测控制，它们的共同缺陷都是对模型依赖程度高。为此需要寻找一种对模型依赖程度低的控制方法。

发明内容

针对上述问题，本发明从实际应用角度出发，采用相平面分区控制方法。它有模糊控制的优点，而且每个参数的含义都可以直接和时域响应曲线上对应起来，即对于控制效果不满意的区段，可单独调整与该区间对应的参数，调试简单。相平面分区控制的具体思路如表1所示。

表1系统九种工况下开环增益的调整规则

表1中误差为e，误差变化率为

根据控制精度预设它们的上限分别为e₀和下限分别为-e₀，

控制器应满足的基本条件如下：

K₄₊≥K₃₊≥K₂₊≥K₁₊≥K₀≥K_1-≥K_2-≥K_3-≥K_4-            (1)

从表1可以看出通过反馈得到的e和主要作用是确定系统当前的工况，调整增益。而在每种工况下，控制增益保持不变，具有开环系统的特征。这使得它既有闭合控制的稳定性又有开环控制的快速性。

如果稳态开环增益K₀偏小，实际液位会比设定值偏低，此时系统将处于“e ≥e₀，”工况，根据表1控制器将增益调整为K₃₊，使液位升高。反之，当K₀偏大时，控制器根据类似原理将增益调整为K_3-，使液位降低。这样始终能将实际液位保持在预设误差范围以内。这也是在得不到准确的稳态开环增益K₀的情况下，系统仍能稳定在设定值预设误差范围内的原因。

另外，由于水从上层水箱到下层水箱有一定的时滞，直接用相平面分区控制法会因从控制作用的施加到实际效果之间的时滞而引起振荡。为此在反馈通道中加入上层水箱液位的微分量，以此抑制由时滞引起的振荡。为了抑制由微分带来的干扰，在微分基础上加上一阶惯性滤波环节，其表达式为：

K_is/(s+1/T_i)                                          (2)

式中K_i为放大系数，T_i为滤波时间常数(i＝1，2)。

附图说明：

图1为四容水箱示意图。

图2为四容水箱液位控制系统图。

图3为四容水箱液位控制系统详细图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1中“out1”到“out4”为四个出水口，管径大小可调。图3中V_Pi(i＝1，2)为控制器输出到水泵的电压值。水箱2的液位为L₂，水箱4的液位为L₄。分别为水箱2和水箱4的液位设定值。上层的水箱1液位为L₁，水箱3的液位为L₃。K_2i(i＝0，1±，2±，3±，4±)表示L₂回路控制器的九种开环增益，K_4i(i＝0，1±，2±，3±，4±)表示L₄回路控制器的九种开环增益。

步骤一：首先找出相对耦合较小的两对输入输出组合，然后用两个控制器对其分别控制。以下步骤以其中一个控制器为例说明。

步骤二：取K₄₊＝K₃₊＝K₂₊＝K₁₊＝K₀＝K_1-＝K_2-＝K_3-＝K_4-＝a(保证L^*×a在控制电压范围内，即V_min≤a×L^*≤V_max)，此时系统完全等同于开环控制。观测系统稳定后的液位，设为K_m，根据终值定理可以确定K₀＝a×L^*/K_m。在四容水箱中，单独对各个回路的开环测试表明控制电压与水箱的液位的平方成正比，故在这里调整为K₀＝a×sqrt(L^*/K_m)(没有考虑控制回路之间的耦合作用)。

步骤三：确定控制电压V的上下限为V_min≤V≤V_max，可取K₄₊＝2×K₀≤V_max，K₄-＝V_min，在此基础上尽量拉大K₃₊与K₂₊及K_2-和K₃₊之间的差距，确保系统有足够的抗干扰能力，其他参数只要符合式(1)的要求即可。

步骤四：在线观测系统的阶跃相应，检验响应曲线的每一段是否与预期效果相符，对不符合的部分可单独微调与此对应的参数。其中，K₃₊与K_3-用于在系统受到干扰或设置的K₀值与系统实际需求有偏离时仍可以使系统保持在误差范围内。K₂₊影响上升时间，该数值越大，系统上升时间越短，即保证系统在与设定值有正偏差时能迅速上升到设定值。K_2-则保证在负偏差的情况使系统迅速下降到设定值。K₄₊和K_4-则负责当系统有超调时将其迅速消除。K₁₊和K_1-对系统无明显影响，只要在K₀附近即可。

对于微分反馈部分主要是滤波环节的两个参数。一般取K_i＝1即可取得很好的效果，对于T₁，需要先根据系统的阶跃响应曲线找出L₂相对L₁的滞后时间T_s1，之后先取T₁＝T_s1，然后根据超调幅度略微增大T₁即可。

Claims (1)

1.一种基于相平面法的四容水箱液位控制方法，其特征在于，液位控制策略采用相平面分区控制与微分反馈相结合的方法，利用相平面分区控制的抗干扰性和响应迅速快速的特点实现对两个液位之间相互耦合的快速抑制；利用在反馈通道加入上层水箱液位的微分信号抑制因上下层水箱之间的时滞引起的液位振荡；最终实现当其中一个水箱的液位设定值有变动的时候对另一个水箱液位的影响时间和影响程度都降到很低，并且使液位的过渡过程平稳、快速。

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