力控組態(tài)編程實現(xiàn)油箱模型PID控制研究

劉先平 ，柴細元 ，郭智勇 ，張志攀 ，韓明明

（1.中國石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司天津300280；2.中國石油大學（北京）博士后科研流動站北京102249；3.西南石油大學機電工程學院，四川成都610500；4.大港油田公司勘探開發(fā)研究院天津300280）

組態(tài)軟件是結(jié)合計算機技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展起來的[1-2]，在SCADA、DCS等工控系統(tǒng)中運行于IPC作為監(jiān)控層管理軟件，發(fā)揮著數(shù)據(jù)采集與過程控制功能的軟件開發(fā)平臺[3-5]。國外常見的工控組態(tài)軟件主要有 Wonderware 的 InTouch[6]，GE 的 IFix[7]，Citect的Citech[8]以及Siemens的WinCC[9]等。國內(nèi)目前工控使用最廣泛的組態(tài)軟件是北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的組態(tài)王King View，國內(nèi)其他具有代表性的組態(tài)軟件還有北京三維力控科技有限公司開發(fā)的ForceControl[10-12]，由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的MCGS等[13-14]。

組態(tài)軟件一般具有豐富多樣的圖形動畫、功能強大的模塊控件、不斷完善的外圍硬件模塊驅(qū)動庫以及技術(shù)成熟的網(wǎng)絡(luò)支持技術(shù)，它能以靈活多樣的組態(tài)方式（非編程）提供良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的使用方法[15]，其預設(shè)置的各種軟件模塊可輕易實現(xiàn)HMI、實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理、與IPC外圍硬件進行數(shù)據(jù)通信以及曲線和數(shù)據(jù)報表的功能[16]，但在實現(xiàn)各種復雜的控制算法方面尚有不足。在組態(tài)軟件實現(xiàn)控制算法方面，國內(nèi)組態(tài)軟件與國外組態(tài)軟件實現(xiàn)方法手段一致，主要有3種方法：一是使用DDE或OPC與第三方控制算法運行軟件進行數(shù)據(jù)交換；二是使用VB或VC將控制算法編譯成ActiveX控件，使用組態(tài)軟件進行控件加載的方式實現(xiàn)復雜控制[17]；三是使用組態(tài)軟件自帶的VBA等算法編程環(huán)境實現(xiàn)復雜控制算法。此3種實現(xiàn)控制算法的方法較復雜，工作任務量大。力控組態(tài)軟件不帶有VBA編程環(huán)境，使用方法二實現(xiàn)控制算法尚未見諸調(diào)研資料。

本實驗研究以力控組態(tài)軟件為平臺，通過研究PID控制算法原理及力控組態(tài)軟件運行機制，在力控組態(tài)軟件平臺上編程實現(xiàn)PID控制算法，基于組態(tài)平臺建立油箱模型對控制算法實現(xiàn)可行性進行驗證，并為其他類似組態(tài)軟件平臺提供一種實現(xiàn)控制算法的新方法。同時，力控組態(tài)軟件帶有控制策略模塊，但使用時需要單獨購買。如果能夠使用編程實現(xiàn)力控組態(tài)軟件的控制功能，則能夠在使用力控組態(tài)進行控制的工程中減少投入成本，從而帶來直接的經(jīng)濟效益。

1 力控組態(tài)程序運行機制

力控組態(tài)軟件程序編寫通過腳本編輯器完成，力控腳本編輯器有六種方式，分別是當前窗口腳本編輯器、應用程序腳本編輯器、觸敏動作腳本編輯器、數(shù)據(jù)改變腳本編輯器、鍵操作腳本編輯器、特殊條件腳本編輯器。其中當前窗口腳本編輯器、應用程序腳本編輯器、觸敏動作腳本編輯器具有開始動作、周期執(zhí)行、退出動作的3種程序運行方式。

在當前窗口腳本編輯器編寫的程序只在本窗口有效，切換到其他窗口后，原窗口的周期執(zhí)行程序不繼續(xù)執(zhí)行。在進入、退出或切換當前窗口時可執(zhí)行一次預設(shè)的程序，其他時間內(nèi)窗口程序按按一定時間周期循環(huán)執(zhí)行，程序執(zhí)行周期最短為100 ms，即一秒鐘時間最多只能循環(huán)執(zhí)行所編寫的程序10次。力控組態(tài)采用的是邊解釋邊執(zhí)行的程序執(zhí)行方式，在周期執(zhí)行的中每一段程序執(zhí)行周期內(nèi)，程序從第一條開始向下逐條執(zhí)行，一直執(zhí)行到最后一條程序，然后等待本次時間循環(huán)周期結(jié)束。本次循環(huán)結(jié)束后，開始下一個循環(huán)，重復執(zhí)行周期運行窗口中的程序。

圖1所示為當前窗口編輯器“窗口運行周期執(zhí)行”窗口，本次實驗研究所編寫的程序代碼都在此窗口中執(zhí)行。對窗口中編輯的程序可以進行編譯查錯，當編譯不通過的時候，當前窗口的程序無法進行保存。本次實驗研究所編寫的PID控制程序按0.1 s的周期重復執(zhí)行，以時間段內(nèi)的數(shù)值和代替積分，以數(shù)值對執(zhí)行周期的后向差分代替微分。

圖1 當前窗口腳本編輯器

2 油箱調(diào)節(jié)閥模型力控編程實現(xiàn)

2.1 油箱模型假設(shè)與建立

1）假設(shè)油箱為圓柱體外型，則油箱液位H可表示為油箱中油的體積V與油箱內(nèi)圓柱底面積S之比，即H=V/S。

2）令S=1，則數(shù)值上有H=V。

3）令△t時間內(nèi)，流入油箱的流量和流出油箱的流量分別為常量Fi和Fo，則△t時間后當前油箱液位為：H=V=(Fi-Fo)t+Vo，其中Vo為△t時間前的油箱油位。

4）假設(shè)油箱流入流量為最大流入流量Fimax與流入閥門開度Vai的乘積，油箱流出流量為液位為H時流出流量f(H)與流入閥門開度Vao的乘積。

5）假設(shè)流出流量f(H)與液位H為線性關(guān)系，即滿足：f(H)=aH+b，a為比例系數(shù)，b為偏移量。f(H)隨H的增多而增大，當H為0時，f(H)=b為大于0的數(shù)。

綜上，在某時刻t0，經(jīng)過△t時間后，油箱液位表達式則變?yōu)椋?/p>

閥門開度采用滿開度的比例計算，即開度為一半時，閥門開度表示為50%，全開為100%，全關(guān)為0。在力控組態(tài)軟件中編寫實現(xiàn)程序為：

2.2 電動調(diào)節(jié)閥模型假設(shè)與建立

假設(shè)PID計算出閥門控制量能夠立即使電動調(diào)節(jié)閥動作，即電動調(diào)節(jié)閥對控制量的響應無延時。則在某時間t時刻開始的周期△t內(nèi)，本次閥門開度值等于上次閥門開度與PID計算開度之和。

2.3 模型參數(shù)計算

參照實驗室油箱模型，設(shè)油箱最高油位為200個單位。進油閥全開并且出油閥全開時，油箱無法蓄油，即有Fimax≤b。進油閥全開并且出油閥全關(guān)時，假設(shè)20 s時間可以注滿整個油箱，而程序執(zhí)行周期為0.1 s，即200個周期可以將200單位的油箱注滿油，所以可得到最大進油流量Fimax為1單位，同時不妨設(shè)b=1。假設(shè)油箱全滿時，閥門全開時的最大f(H)為2，則由f(H)=aH+b計算得a=0.005。

3 PID控制算法力控編程實現(xiàn)

模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，本次實驗的研究過程為油箱，被控變量為油箱液位。執(zhí)行器是力控組態(tài)編程實現(xiàn)的電動調(diào)節(jié)閥，控制器為力控組態(tài)軟件及其編程實現(xiàn)的PID控制算法。

圖2 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

模擬PID控制系統(tǒng)的控制器數(shù)學模型為：

圖3 數(shù)字PID控制系統(tǒng)原理框圖

由于計算機處理的都是離散的數(shù)字信號，不能對連續(xù)的模擬PID進行運算，因此，使用計算機做控制器PID控制時，必須對檢測信號進行離散化處理，使用數(shù)字PID實現(xiàn)模擬PID功能。計算機做控制器的PID控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

數(shù)字式PID控制器數(shù)學模型有位置型控制器和增量型控制器兩種，增量型PID數(shù)字控制器主要適用于步進電機控制中，本次實驗控制器采用位置型數(shù)字PID控制器。我們對式（1）離散化，使用后向差商代替微分，時間段內(nèi)的離散積累代替積分，具體形式如表1所示。

表1 模擬PID調(diào)節(jié)器方程離散化對應表

則可得到位置型數(shù)字PID控制器的差分方程為：

在本次實驗中，使用采樣時間間隔為T=0.1s，在力控當前窗口編輯器程序周期執(zhí)行窗口中編程實現(xiàn)位置型數(shù)字PID控制器程序如下：

圖4 程序周期執(zhí)行流程圖

力控實現(xiàn)單油箱建模與PID控制的程序過程運行過程如圖4所示，考慮到現(xiàn)實情況下，閥門開度不可能達到100，且不可能完全關(guān)閉，因此設(shè)置閥門開度在5%～95%之間。程序按周期反復執(zhí)行。

4 實驗結(jié)果及分析

如圖5所示為力控組態(tài)編程實現(xiàn)的單油箱建模與PID控制界面圖，從圖中可以看出力控開發(fā)的單油箱建模與PID控制實驗平臺由4部分組成，分別是：實物流程仿真、控制曲線輸出、油箱模型參數(shù)設(shè)置、PID控制器設(shè)置。通過設(shè)置油箱參數(shù)與PID控制參數(shù)，可以對油箱液位進行控制仿真，并將仿真結(jié)果由控制曲線輸出界面動態(tài)顯示輸出。

圖5 油箱建模與PID控制界面圖

在圖5中，控制參數(shù)：Kp=0.3，Td=0.2，積分作用關(guān)閉，被控變量從50跳變到80，油箱液位變化（細曲線）趨勢圖。從圖5可知PID控制有效，控制參數(shù)設(shè)定合理；油箱模型較合理，能夠反映真實的油箱模型情況；力控組態(tài)能夠在一定約束條件下編程實現(xiàn)PID控制算法。

5 結(jié) 論

此次力控組態(tài)軟件平臺編程實現(xiàn)單油箱建模與PID控制，一定程度上驗證了力控編程實現(xiàn)控制算法的可行性，但還需在此平臺上進行各種先進控制算法的編程實驗，以充分論證力控編程實現(xiàn)控制算法的可行性。在本次實驗研究中，對模型的建立使用了一些理想化假設(shè)，按這些假設(shè)建立的模型不能完全反應真實情況，下一步希望能夠基于實驗室使用A3000系統(tǒng)進行力控組態(tài)控制算法驗證。

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