基于MCGS的常规PID控制系统的研究

[键入文字]基于MCGS的常规PID控制系统的研究许东红（南京林业大学轻工技术与工程学院，南京210037）摘要：本文简要介绍了全中文工控组态软件MCGS，并以THJS-3型高级过程控制系统实验装置为例，开发单容水箱常规PID液位控制系统。实验证明系统具有界面友好，易于操作，运行可靠等特点。关键词：MCGS组态软件;PID参数整定;液位控制;PID控制系统中图分类号：TP311.5TheresearchoftheconventionalPIDcontrolsystemwhichisbasedonMCGSXuDong-hong(CollegeofLightIndustryTechnologyandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037)Abstract:ThisarticlebrieflydescribestheconfigurationoftheChineseindustrialsoftwareMCGS,THJS-3experimentalsetupofadvancedprocesscontrolsystemasanexample,anddevelopssingle-capacitywatertankroutinePIDlevelcontrolsystem.Experimentalresultsshowthatthesystemhasafriendlyinterface,easytooperate,reliableoperationandothercharacteristics.Keywords:MCGSconfigurationsoftware;PIDparametertuning;Levelcontrol;PIDcontrolsystem1前言PID控制是最早发展起来的，也是最成熟的控制策略之一，由于其原理简单，物理意义明确，鲁棒性好，稳定性高，运用经验成熟等而广泛地应用于各种工业过程控制之中，尤其是在各种控制系统的最低层。在许多大型的集散控制系统中，PID算法模块占据着重要地位。PID控制作为经典控制理论应用中最成功的代表，对自动化技术的普及和生产过程自动化水平的提高起了重要作用。但随着工业的发展，被控对象变得越来越复杂，而且大多数过程都是非线性的，这就需要对被控对象的数据进行实时采集，实时跟踪，才能更好地控制生产。THJS-3型高级过程控制实验装置是以工业现场工艺设备为背景，基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术、计算机技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件[1]。MCGS软件能快速构造和生成计算机监控系统，实现对现场数据的采集处理、动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等功能，在和常规PID控制结合下，更好地对被控对象实现控制[2]。2MCGS软件介绍及应用MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的全中文工控组态软件,它能快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,包括组态环境和运行环境。它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业过程控制系统具有通用性，在自动化领域有着广泛的应用。用户使用MCGS软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，配置出高性能、高可靠性和高度专业化地工业控制监控系统。[键入文字]2.1MCGS组态软件的系统构成MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能(如图1)。图1MCGS系统图2.2MCGS组态软件五大组成部分MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。每个窗口的功能和特性如图2；图2MCGS组态软件组成部分3常规PID控制系统实验工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件[键入文字]3.1常规PID控制原理PID是将偏差的比例（P）、积分（T）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID三种控制作用：比例-来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加；积分-来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加；微分-来控制将来，计算误差的一阶导数，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。常规PID控制如下图3所示。给定值y(t)与实际输入值r(t)的偏差为：e(t)=y(t)-r(t)控制律为：式中:Kp为比例增益;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;e(t)为调节器的输入(即系统的误差信号);u(t)为调节器的输出[3]。图3PID控制结构图3.2以水箱液位为对象的常规PID控制实验3.2.1实验设备THJS-3型非线性三容水箱对象系统实验装置THJSK-1型三容水箱控制系统实验平台SA-22、SA-23，远程数据采集模块电脑（装有MCGS组态软件）RS485\232，软件加密狗实验导线若干3.2.2实验原理图4为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。为模仿工业生产过程中的干扰，本实验采用增加阶跃干扰即瞬间改变给定值，来达到。为什么要在阶跃干扰下，来观察其控制效果呢？一般来说，阶跃输入对系统来说是最严峻的工作[键入文字]状态。如果系统在阶跃函数作用下的动态性能满足要求，那么系统在其他形式的函数作用下，其动态性能也是令人满意的[4]。图4单回路控制系统方框图本实验中被控量为中水箱（也可采用左水箱或右水箱）液位的高度。实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将液位变送器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀2的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定或阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。比例作用控制及时，余差一出现即可产生控制作用，加上积分作用可以消除比例作用不能消除的余差。不需要加微分，因为液位对象滞后很小，无需要微分的超前调节作用，如果再加入微分反而会使得系统动荡，造成控制效果变差。3.2.2实验步骤本实验选择中水箱作为被控对象。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1和F1-5全开，将中水箱出水阀门F1-9开至适当开度（40%），其余阀门均关闭（如图5）。图5实验对象总貌1)将“SA-22远程数据采集模拟量输出”挂件和“SA-23远程数据采集模拟量输入”挂件挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1。[键入文字]2)接线弱电接线：将LT2中水箱液位的“1～5V”输出对应接至SA-23挂件A/I0的输入端；将直流24V输出2的“+”端接至调节阀2的“+”端，调节阀2的“-”端接至SA-22挂件模拟量输出第一通道（A/O0）的“+”端，模拟量输出第一通道（A/O0）的“-”端对应接至直流24V输出2的“-”端。强电接线：将直流24V输出2并联接至SA-22和SA-23挂件电源输入端。3)打开控制屏的单相漏电保护器和钥匙开关，按下“启动”按钮。打开24V开关电源，给压力变送器和远程数据采集模块上电。4)打开MCGS组态界面，新建工程项目；进行设备配置，实现计算机与智能输入输出模块之间的通讯；在实时数据库窗口建立新的数据库文件,要求与设备要求的数据库一致；制作图形画面,在用户窗口实现。主要用于设置工程中人机交互的界面,诸如:生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等；主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口；定义动画链接[5]。如图6：图6组态环境5)检查无误后，进入运行界面，点击运行进入水箱液位的监控界面，给调节阀手动设定一个输出值40%，待液位稳定后。打开电动调节阀2，打开水泵，此时液位缓慢上升，并最终稳定在19.9cm，并记下这个值。6)运行控制系统，首先整定PID参数，采用临界比例度法来确定[6]。最后得到参数值：P=4，Ti=20，Td=07)在液位平稳后即达到19.9cm处，给水箱液位的设定值突然加3cm作为干扰，观察液位曲线的过渡过程。如下图7：[键入文字]图7水箱液位过渡过程曲线3.2.3实验结果从上图7可以看出：采用常规PID控制线性的液位对象，超调量小，抗扰动性比较强，能满足较高的动态性能指标，过渡过程为衰减振荡，调节时间短，很快就达到平衡，控制效果良好。对于工业上一般的线性液位对象，采取常规PID控制就可以满足工业上的要求了。4结束语本实验在MCGS软件平台上，开发的水箱液位控制系统取得了良好的控制效果。MCGS软件使调试和整定系统中各参数变得极为简单，大大提高了参数整定过程和工作效率。该液位控制熊具有结构简单、成本低、性能稳定等优点，同时可方便地通过硬、软件的扩充，实现液位的控制。MCGS组态软件在工业生产过程中应用会越来越广泛。参考文献[1]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS工控组态软件用户指南[M].2003[2]李丹等.MCGS组态软件在控制实验室建设中的应用[J].实验科学与技术,2006（6）:107-108[3]方康玲,王新民,刘彦春.过程控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002:25-27[4]胡寿松.自动控制原理(第五版)[M].北京：科学出版社,2007(6)[5]任雯,李训杰,王维庆.基于MCGS的工业过程控制系统的开发与应用[J].自动化技术与应用,2006（25）:22-24[6]姜玉春,吴红燕.PID控制器参数的整定[J].莱钢科技,2006(4):54-55