宋 濤, 姜周曙, 黃國輝

(杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與自動化研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

在工業(yè)控制領(lǐng)域,工業(yè)系統(tǒng)越復(fù)雜,模型建立越困難,控制算法應(yīng)用到工業(yè)對象驗證的代價越高。一般采用MATLAB仿真的方法完成此類實驗,但仿真實驗并不能很好地體現(xiàn)工業(yè)控制過程。三容水箱實驗控制系統(tǒng)作為計算機(jī)控制實驗系統(tǒng)的典型代表,為控制算法實驗提供了驗證對象,解決了僅有理論分析、仿真計算而缺乏實驗驗證的問題。許多工業(yè)系統(tǒng)中的控制對象都可以抽象成三容水箱控制模型,該實驗系統(tǒng)可被用來研究控制算法的可行性和有效性,之后再將算法還原于工業(yè)現(xiàn)場驗證其實際控制效果[1]。三容水箱實驗控制系統(tǒng)具有柔性化特點,可通過對閥門和水泵的靈活控制組合成多種過程狀態(tài),可構(gòu)建復(fù)雜的多輸入、多輸出控制回路[2],對液位、溫度等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制,具有良好的可觀性,可以模擬復(fù)雜的工業(yè)控制過程[3],與實際工業(yè)領(lǐng)域結(jié)合緊密,具有很高的研究意義與應(yīng)用價值。

李志軍等人[4]使用西門子S7—300PLC,結(jié)合用于過程控制的OLE(object linking and embedding for process control,OPC)技術(shù)設(shè)計了可控制液位的四容水箱實驗系統(tǒng)；馮曉會[5]利用西門子S7—300PLC研制了可對液位、溫度等參量進(jìn)行監(jiān)測與控制的三容水箱實驗裝置；蔣建波等人[6]以西門子S7—300PLC為控制器設(shè)計了仿真與實驗相結(jié)合的三容水箱實驗裝置。目前大部分多容水箱實驗系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為主控裝置,與采集控制模塊無法集成到一塊電路板中,接線繁雜且可靠性不高；多數(shù)實驗系統(tǒng)僅能進(jìn)行液位控制,功能較為單一；閥門大多需要手動調(diào)節(jié)開度,操作繁瑣且不準(zhǔn)確。

本文以一種自主研制的三容水箱系統(tǒng)為研究對象。該三容水箱實驗系統(tǒng)功能較為完備,但仍有其局限性:原系統(tǒng)主控芯片采集數(shù)據(jù)精度不高,軟件中單位時間內(nèi)分時采樣,采集數(shù)據(jù)量少,導(dǎo)致階躍響應(yīng)曲線的繪制不精確進(jìn)而影響系統(tǒng)辨識；原系統(tǒng)電動閥通過計時控制閥門開度,導(dǎo)致控制誤差較大,影響算法控制的準(zhǔn)確性與快速性；原系統(tǒng)采集控制板中傳感器與執(zhí)行器接口布局混亂,易產(chǎn)生電磁干擾,檢修困難等。針對以上問題,本研究對該三容水箱實驗系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計。

1 整體優(yōu)化方案設(shè)計

優(yōu)化后的三容水箱實驗控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器控制模塊、電源管理模塊和上位機(jī)監(jiān)控模塊四部分組成,其功能框圖如圖1所示。采集控制板設(shè)計為4層電路板,采用負(fù)片的設(shè)計方式將模擬電路和數(shù)字電路分開,將地層與電源層合理分割,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗干擾能力。主控芯片為ADuCM360芯片,該芯片的內(nèi)核為ARM Cortex—M3,通過芯片內(nèi)集成的兩個24位高精度ADC,來采集3路液位、1路壓力、1路溫度信號,相比之前的16位ADC,采集精度大幅提高,并且可同時開啟多路采樣通道。2路流量信號的采集借助芯片內(nèi)的計數(shù)器,通過計算單位時間內(nèi)獲取到的電壓脈沖頻率來完成。另外,需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲至FLASH/EE數(shù)據(jù)存儲器以進(jìn)行校準(zhǔn)與標(biāo)定。

圖1 三容水箱實驗控制系統(tǒng)功能框圖

采集到的各項數(shù)據(jù)通過RS—232串口上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),通信協(xié)議采用MODBUS-RTU,實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互[7]。同時對控制指令進(jìn)行了循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)[8]。上位機(jī)通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析,以下發(fā)相應(yīng)的控制指令使相關(guān)執(zhí)行器完成指定動作,從而滿足目標(biāo)要求。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)和脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)完成對水泵、循環(huán)泵和加熱器的控制,使用I2C總線完成對進(jìn)水電磁閥和電動閥的開度控制。通過對220 V交流電整流濾波轉(zhuǎn)換為24 V直流電,為電磁閥和水泵供電,之后通過LM2575_12芯片降為12 V給電動閥供電,同時通過B2405S芯片降為5 V給各傳感器供電,最后通過ADP1720ARMZ_3.3芯片降為3.3 V給主控芯片供電。

2 硬件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

圖2所示為部分硬件電路設(shè)計。

圖2 部分電路

1)最小系統(tǒng)模塊:主控芯片為ADuCM360,外接頻率為32.768 kHz的晶振,以此產(chǎn)生芯片工作所需的時鐘頻率。ADC數(shù)據(jù)采集使用REF3125芯片產(chǎn)生的2.5 V電壓作為基準(zhǔn)電壓。系統(tǒng)上電后通過ADM809芯片實現(xiàn)自動復(fù)位功能。其最小系統(tǒng)電路如圖2(a)所示。

2)液位采集模塊:液位值的獲取通過液位傳感器輸出電壓由ADC采集后經(jīng)信號調(diào)理與相關(guān)公式轉(zhuǎn)換得到[9]。液位采集模塊電路如圖2(b)所示,由于該電路屬于模擬電路部分,因此采用模擬電源AVDD經(jīng)電容器C1,C2組成的濾波電路后為其供電[10]。另外,由于ADuCM360芯片的最高輸入電壓為3.96 V,而液位傳感器采集到的電壓實測值最高可達(dá)5 V,所以采集到的電壓信號必須經(jīng)過降壓濾波電路,然后輸入到主控芯片中。采集到的電壓信號首先經(jīng)過電阻R49與R50分壓,再經(jīng)電阻器R13與電容器C45濾波后,得到轉(zhuǎn)換后的電壓為采樣值的1/2,所以最高輸出電壓為2.5 V,屬于主控芯片輸入電壓的安全范圍。

3)流量采集模塊:流量的采集通過對流量傳感器輸出的電壓脈沖信號頻率進(jìn)行捕獲得到。流量采集模塊電路圖如圖2(c)所示,該電路屬于數(shù)字電路部分,因此采用數(shù)字電源DVDD為其供電。由P0.5引腳控制光耦隔離器件AQY210KS的導(dǎo)通,進(jìn)而控制流量信號的采集。采集到的流量信號首先需要經(jīng)過1 kΩ上拉電阻,將流量傳感器采集到的信號進(jìn)行放大,但由于放大后的信號不穩(wěn)定,且流量為零時電壓脈沖信號的實測峰值電壓為5 V,流量不為零時電壓降至2.5～2.8 V,因此，需要將電壓脈沖信號穩(wěn)定在一個易于捕獲且安全的數(shù)值。流量信號經(jīng)過光耦器件后,首先由RC濾波電路進(jìn)行信號濾波處理,之后經(jīng)過LM258雙運(yùn)算放大器,配以合適的比較電路[11],最后再經(jīng)過濾波電容器C56,以防止脈沖信號中毛刺噪聲的出現(xiàn),以此便可得到穩(wěn)定的電壓脈沖方波。

3 軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

采用模塊化編程思想,程序包括主函數(shù)模塊、采集與執(zhí)行模塊、指令控制模塊、串口通信模塊、CRC校驗?zāi)K、FLASH標(biāo)定模塊等。在壓力、液位和溫度信號采集方面,由分時采樣優(yōu)化為實時采樣,增加了單位時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量,同時采集精度提高到24位。通過限幅濾波的方法剔除了采集數(shù)據(jù)中的壞點。在CRC校驗?zāi)K中采用了16位的循環(huán)冗余校驗碼,確?？刂浦噶畹恼_性[12]。當(dāng)系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行對各模塊的初始化工作,包括串口波特率選擇、ADC采樣通道的選擇、定時器定時周期的確定等。然后系統(tǒng)自動進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集狀態(tài),采樣周期為0.5 s,該采樣周期先由芯片內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器經(jīng)過256分頻后,再通過定時器預(yù)裝載值與定時時間之間的關(guān)系式得到。另外,當(dāng)完成一個周期的采樣過程后,系統(tǒng)在清除定時器溢出中斷標(biāo)志位的同時,會驅(qū)動采集控制板上的LED閃爍,以提示正在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

其中,在液位采集過程中,傳感器輸出電壓實測值為0～5 V,經(jīng)降壓濾波電路后為0～2.5 V。利用液位與輸出電壓的關(guān)系式

Vout=(9.8H+1 000)±75

(1)

式中Vout為傳感器輸出電壓,mV;H為液位高度,mm;最大誤差為±75 mV。轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的AD值為

(2)

式中Vout值取1/2是因為輸入到主控芯片的電壓為傳感器輸出電壓值的1/2,后半部分表示1 mV電壓對應(yīng)的AD值。由于ADC是24位采樣,所以對應(yīng)的最大值為224,另外,輸入到主控芯片的電壓最大值為2 500 mV。所以得到液位的表達(dá)式為

(3)

另外,通過公式計算得到,流量傳感器輸出的每個電壓脈沖對應(yīng)的流量為0.336 5 mL/s[13]。溫度的采集借助于Pt100鉑熱電阻器來完成,其電阻值與溫度的變化關(guān)系基本呈線性,且穩(wěn)定性較高[14]。在0 ℃時對應(yīng)的阻值為100 Ω,溫度每升高1 ℃電阻值相應(yīng)地增加0.385 Ω[15]。

4 電動閥控制與測試

4.1 控制方式

由于ADuCM360的GPIO端口數(shù)量有限,因此不能同時滿足5個電動閥的控制。首先借助于I2C總線將控制信號串行輸入至鎖存器74HC595,再并行輸出至驅(qū)動芯片ULN2003,最后輸出的驅(qū)動信號可直接控制電動閥閥門開度。

4.2 測試分析

改變閥門控制方式后,選取了電動閥的10個不同開度進(jìn)行放水用時測試。測試的液位分別為100，200,300 mm,經(jīng)計算水箱底面積為6 047.565 8 mm2,因此測試的放水量為604.76，1 209.51，1 814.27 mL。由測試所得數(shù)據(jù)擬合出放水用時變化曲線如圖4(a)所示。由于在測試過程中存在一些誤差,導(dǎo)致數(shù)據(jù)略有偏差,但從圖4(a)可以看出,這三條擬合曲線的變化趨勢基本相同。由于閥門開度超過60 %之后曲線基本保持水平,所以不具有明顯的可控性;另外,閥門開度不足10 %時放水效果不明顯,所以圖中沒有顯示。現(xiàn)針對擬合曲線變化較為明顯的一部分進(jìn)行分析,選取了閥門開度20 %～45 %,并增加了一些測試點。以放掉液位為100 mm的水為例,得到放水流量與閥門開度的曲線如圖4(b)所示。從圖4(b)可以看出,在一定的誤差范圍內(nèi),可采用分段控制的策略,求得電動閥的放水流量。

圖4 實驗結(jié)果

將閥門開度劃分為3段式控制,表達(dá)式為

(4)

式中Q為放水流量,mL/s;x為閥門開度,%。在不同開度范圍內(nèi)選擇不同的控制策略,可以實時控制放水流量。再由流量采集模塊測得進(jìn)水流量,根據(jù)物料平衡原理,可提高三容水箱實驗系統(tǒng)模型精度,達(dá)到優(yōu)化模型的目的。

5 算法仿真驗證

基于系統(tǒng)特性測試得到的各項數(shù)據(jù),根據(jù)物料平衡原理,利用MATLAB建立二階串級系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,得到傳遞函數(shù)為

(5)

采用動態(tài)矩陣控制(dynamic matrix contorl,DMC)-PID串級控制算法,通過MATLAB進(jìn)行仿真[16]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)框圖

主回路采用DMC控制,可實現(xiàn)較好的跟蹤性能,增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性,副回路的PID控制可有效克服系統(tǒng)中的擾動。外環(huán)DMC選取截斷點N=3 500,采樣周期0.5 s,內(nèi)環(huán)PID選取KP=500,KI=10。設(shè)定期望液位100 mm,給定階躍信號。改變預(yù)測時域P和控制時域M的值,得到的算法仿真圖如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出,在控制時域M值不變的情況下,增大預(yù)測時域P值,系統(tǒng)響應(yīng)快速性有所下降,但穩(wěn)定性好;反之,系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性會變差,所以P值一般選擇近似于階躍響應(yīng)的上升時間。保持預(yù)測時域P值不變,增大控制時域M值,可以看到系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所降低,所以控制時域M值選擇要兼顧系統(tǒng)的時效性與穩(wěn)定性,且M≤P。P值與M值的選取對系統(tǒng)控制性能有很大影響,現(xiàn)選取預(yù)測時域P=410,控制時域M=20,得到算法控制效果如圖6(b)所示。在2 200 s時增加30 mm擾動,得到擾動下算法控制效果如圖6(c)所示。從圖中可以看出該系統(tǒng)響應(yīng)速度快,超調(diào)小,過渡過程較為平緩。由于系統(tǒng)中各水箱串聯(lián)控制,耦合性較強(qiáng),故調(diào)節(jié)時間相對較久。整體而言優(yōu)化后的系統(tǒng)可控性較好,穩(wěn)定性高,抗干擾能力強(qiáng)。

圖6 仿真實驗結(jié)果

6 結(jié) 論

針對一種自主研制的三容水箱實驗控制系統(tǒng)存在的缺陷,本文從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。提高了數(shù)據(jù)采集的精確度與單位時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量,采集控制板優(yōu)化設(shè)計為四層電路板,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力[17]。提高了電動閥的可控性,并且在一定開度范圍內(nèi)可直接求得放水流量,間接提高了模型精度,改善了算法控制實驗的效果。優(yōu)化后的三容水箱實驗控制系統(tǒng)為科研人員提供了更加準(zhǔn)確可靠的實驗平臺,可進(jìn)行多種算法的驗證與工業(yè)生產(chǎn)過程的研究。