[发明专利]计算机液位控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机液位控制系统。

背景技术

控制理论经历了经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段，现在已进入了非线性智能控制理论发展时期。从控制理论解决的问题而论，很多重大的、根本的问题，如可控性、可观测性、稳定性等，在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其它领域的需要。但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求也越来越高。自从上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了新的一段历程。随着控制理论的迅速发展，出现了许多先进的控制算法。但是，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，PID控制算法在世界范围内80％以上的工业过程中被采用，PID控制技术已经得到了很好的发展，研究者提出了许多控制系统设计方法和参数调整理论。这是因为PID控制具有结构简单、容易实现、控制效果好等特点，且PID算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整，为广大控制工程师所熟悉。

液位是工业过程生产中经常遇到的控制参数之一，对所需的控制对象进行精确的液位控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

液位控制系统是以液位为被控参数的系统，它在工业中的各个领域被广泛的涉及到。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行液位控制，使液位高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。还有在工业生产中，尤其是石油、化工以及冶金生产中也会经常遇到液位控制问题。因此，对所需的控制对象进行精确的液位控制，关系到控制目标的实现，是保障生产效果和安全的重要问题。

1939年，Taylor Instrument Company和Foxboro Instrument Company制造出完全具有PID控制功能的气动控制器。人们普遍认为PID应该被称之为智能控制，因为它是基于生产操作人员的控制经验。发明者通过观察认为，控制器应该象一个熟练的操作者那样去控制，减少直至消除系统中出现的误差。在当时PID控制面临的有三个主要问题：(1)寻找一种简单方法，能够计算PID控制器的三个调节参数。(2)判断生产过程是否可控。(3)PID控制器的操作不依赖于复杂易损的机械元件。理论研究主要集中在前两个问题，1942年，给予部分解决。第二个问题是系统的可控性。第三个问题由于工业革命的飞速发展，今天的PID控制器基本使用电子元件和微处理器，已经给予近乎完美的解决。

PID控制器作为最早实用化的控制器已有近70年的历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。究其原因，是因为PID控制器有以下主要特点：(1)PID控制器简单易懂，使用中不需要特别精确的系统模型。(2)使用性灵活，只需设定三个参数即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元。(3)PID参数较易整定，也就是PID参数可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。而阶跃输入响应曲线是PID控制效果最重要的依据和标准。一般认为阶跃干扰是最严重的干扰，只要反馈控制系统能在此类干扰下在规定的时间内能恢复到给定值，系统就是基本满足要求的。

PID控制的实现是以实际控制系统的建立为基础。因此，在初定PID控制器参数之后，应先根据实际控制系统的需要以及性价比选择合适的控制硬件，组成实际的控制系统。

多容液位系统的构建，总体上要考虑到四方面的因素：

(1)抑制外部干扰的影响。控制系统的首要目的是消除外部对生产的影响，即引入控制系统，使过程产生尽可能小的变化，以消除外部扰动对生产造成的不良影响。控制系统的设计目的是以尽可能小的代价，来争取最佳的控制效果。

(2)确保过程的稳定性。使整个系统稳定是控制的最基本目的。对于生产过程本身特性是稳定的，则在外部干扰的作用下，过程无需控制干扰就能达到稳定。在这种场合下，控制的目的只是抑制干扰的影响，保持预定的生产条件。然而，对于生产过程本身特性是不稳定的，则控制目的除了抑制干扰的影响外，还必须使过程保持稳定。