淺析控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用

淺析控制理論在工業(yè)中的應(yīng)用

三頻液位管理制度由于結(jié)構(gòu)靈活性和非線性特點，通過對幾個連接系統(tǒng)的控制，形成每個系統(tǒng)的對象，使復(fù)雜的回路控制變得簡單。它還可以控制和測量現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的液位、流量、壓力、溫度等，恢復(fù)工業(yè)生產(chǎn)過程，為工業(yè)生產(chǎn)提供更科學(xué)的理論依據(jù)。由此,非線性系統(tǒng),尤其是多變量非線性系統(tǒng)控制技術(shù)在自動化領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越大。本文將對三容水箱液位控制系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,研究水箱液位系統(tǒng)建模與控制策略。1用戶功能的強化本次實驗硬件為美國AD公司生產(chǎn)的單片機(ADuC834),將其作為單片機的主控芯片,與組態(tài)軟件設(shè)計的水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)相匹配。維持原有水箱系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,將體積與成本縮小,設(shè)置用戶手動操作功能,比如,算法編寫等,可確保用戶對水箱實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件控制、軟件模塊有更為全面了解。由有機玻璃制造而成的實驗臺,包含了大水箱與不銹鋼臺面、電器盒、水槽等部件,同時設(shè)置了5個進水手動操作閥與3個手動溢水閥,還有1個手動連通閥與電動閥,水槽中安裝有潛水泵,安裝數(shù)量為2個,1個用于打水,另一個當作循環(huán)泵。2三內(nèi)水箱實驗系統(tǒng)的建模2.1傳統(tǒng)控制方法的應(yīng)用不足2.1.1傳統(tǒng)pid的超調(diào)執(zhí)行經(jīng)典的PID控制機制是設(shè)定調(diào)節(jié)比例、積分與微分三個參數(shù),通過三個參數(shù)的調(diào)配與控制得到預(yù)期的控制效果。傳統(tǒng)PID在調(diào)節(jié)過程中執(zhí)行機構(gòu)是連續(xù)運行、動作的,但是在積分能量下容易出現(xiàn)超調(diào)。且積分能量如果過小,會延長整個調(diào)節(jié)過程,花費更多調(diào)節(jié)時間,對于精度要求不高的系統(tǒng)可以使用PID控制,可以達到控制要求。2.1.2模糊的推理過程模糊控制與傳統(tǒng)PID存在不同之處,依據(jù)經(jīng)驗得到輸入與輸出誤差及變化率,模糊的推理過程完全依賴于實驗者的推理與經(jīng)驗。其次,結(jié)果反饋與化解存在模糊化,將控制狀態(tài)變得具體化。這種控制策略可以解決水箱液位復(fù)雜的系統(tǒng)控制問題,在此方面有一定優(yōu)勢,可以將水箱液位系統(tǒng)復(fù)雜的、不可預(yù)知的因素干擾去除。2.2階系統(tǒng)模型建立輸入、輸出模型一般在實驗法中應(yīng)用,將工業(yè)過程作為黑匣子,結(jié)合外部特性與機理對動態(tài)性質(zhì)進行描述,不需要對內(nèi)部機理做過多研究。三容水箱實驗系統(tǒng)可依據(jù)不同水箱與閥門構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,被控對象設(shè)為1號水箱液位h1:將手動閥1與電動閥1同時打開,將其作為被控對象,為1階系統(tǒng);將手動閥1與連通閥1、電動閥2打開,作為二階系統(tǒng);將手動閥1與連通閥1及連通閥2、電動閥3打開,被控對象為三階系統(tǒng)?？刂戚斎胗檬謩娱y1表示,系統(tǒng)的輸出用水箱2的液位高度h2表示,調(diào)節(jié)進水量設(shè)定為Q,將水箱2液位高度h2維持在設(shè)定值內(nèi),實現(xiàn)單輸入單輸出的二階系統(tǒng),二階系統(tǒng)模型見圖1所示。依據(jù)物料平衡原理,水箱1動態(tài)平衡方程為:水箱2的動脈平衡方程為:以上公式中,水箱液容為A,通常來說,容器液容值與該容器橫截面積等同,水箱1的橫截面積為A2.2.1水泵橫截面不變本次實驗選用的電動閥開口度為30%,因水箱橫截面不變,可以測定不同液位高度與電動閥2流出水所用時間,進而計算得到閥門流量,并了解Q依據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)得到Q2.2.2調(diào)節(jié)水泵1兩端電壓水泵電壓與液位差特性通過重復(fù)實驗,調(diào)節(jié)水泵1兩端電壓值得到,進而使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。各區(qū)間水泵電壓與液位差見表2所示。當液位處于平衡狀態(tài)時,Q3模型的模擬和實驗3.1動態(tài)系統(tǒng)仿真Simuink作為MATLAB的重要組成,有效用于動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真分析中,是一種常見的面向結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真軟件,還可以用于可視化動態(tài)系統(tǒng)仿真。依據(jù)以上三容水箱二階傳遞函數(shù),可以對高分段液位仿真,將液位值分別設(shè)定為40與150,選擇對應(yīng)的傳遞函數(shù),在Simuink中構(gòu)建出實驗?zāi)Ｐ汀?.2上升時間和超調(diào)量現(xiàn)對低液位段仿真與實驗結(jié)果比較。在仿真圖中,上升時間t其次,對高液段仿真與實驗結(jié)果對比情況進行觀察,可以發(fā)現(xiàn)在仿真圖中,上升時間150s;超調(diào)量約為5%左右。在三容水箱實驗液位圖中得到的t(1)實驗數(shù)據(jù)測量受各項環(huán)境影響存在誤差,最大誤差來自于水泵流量測量與處理上,造成建模精確度不夠。(2)鑒于三容水箱系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)控制上存在延時性,造成液位控制過程中出現(xiàn)超調(diào)的情況,進而不能在規(guī)定時