智能PID算法在远程液位控制系统中的应用

　　摘要：本文介绍了利用可编程序控制器（PLC）实现的远程液位自动控制系统，详细论述了智能PID算法的控制规则，给出了由PLC完成其控制策略的硬件配置和软件实现方法。

　　Abstract：This paper presents a remote fluid level control system on base of PLC. The control rule of intelligent PID algorithm is discussed in detail, and the hardware configuration as well as the software realization performed by PLC is proposed.

　　关键词：智能PID 控制规则 PLC 远程液位控制

　　Keywords：Intelligent PID Control rule PLC Remote fluid level control

　　1、引言

　　在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。本文介绍了一种应用于远程液位控制的智能PID控制算法，它有不依赖于系统控制对象精确模型的特点，有较好的鲁棒性。

　　2、控制对象及特征

　　某建材企业的生产用水以河水为水源，简单净化后经加压泵站输送到屋顶水池，然后由屋顶水池经自然落差送往生产车间。加压泵采用变频控制。系统框图如图1所示。

　　为保证水池的水位维持在设定的位置，使加压泵输送到水池的水量与车间的用水量相一致，达到节电节水的目的，就必须根据用水量的变化及时调节加压泵的转速（即出水量）。然而由于屋顶水池与加压泵站的距离较远，从加压泵站给水量的增减到屋顶水池水位的变化，需经过长距离的输送管道，受管网压力、流量的影响，系统惯性大，滞后时间长，用常规的PID控制方式系统产生振荡，水位大范围波动不定。针对上述特征，采用可编程控制器实现的智能PID控制方案较好地解决了这一问题。

　　3、常规的PID控制

　　通常闭环控制系统由控制器、执行部件、被控对象以及反馈检测元件几部分组成。原理框图如图2所示。

　　在闭环控制系统中，控制器是系统的核心，其控制算法决定了系统的控制特性和控制效果。控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）（e（t）= r（t）-c（t）），将偏差e（t）的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称为PID控制器。

　　4、智能PID控制算法

　　4.1典型的二阶系统分析

　　典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图3所示。在图3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……区域，误差朝绝对值减小的方向变化，此时可实施较弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……区域，误差朝绝对值增大的方向变化，此时可根据误差的大小分别实施较强的或一般的控制作用。对于典型二阶系统阶跃响应过程分析如下。

　　设e（k）表示离散化的当前采样时刻的误差值，e（k-1）、e（k-2）分别表示前一个和前二个采样时刻的误差值，则有：

　　△e（k）=e（k）-e（k-1）

　　△e（k-1）=e（k-1）-e（k-2） （4—1）

　　（1）当|e（k）|≥emax时，说明误差的绝对值很大，此时不论误差的变化趋势如何，都应考虑控制器按最大（或最小）输出，以迅速调整误差。即：

　　u（k）=umax 当e（k）>0时

　　u（k）=umin 当e（k）<0时 （4—2）

　　（2）当e（k）·△e（k）>0时，说明误差在朝绝对值增大的方向变化，此时如果emid≤|e（k）|

　　u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k） （4—3）

　　如果emin≤|e（k）|

　　u（k）=u（k-1）+△u（k） （4—4）

　　（3）当e（k）·△e（k）<0时，说明误差在朝绝对值减小的方向变化，此时如果emid≤|e（k）|

　　u（k）=u（k-1）+△u（k） （4—5）

　　如果emin≤|e（k）|

　　u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k） （4—6）

　　（4）当|e（k）|

　　u（k）=u（k-1） （4—7）

　　以上式中：

　　umax—控制器输出最大值;

　　umin—控制器输出最小值;

　　u（k-1）—第（k-1）次控制器输出;

　　△u（k）—Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki·e（k）+Kd[e（k）-

　　2e（k-1）+ e（k-2）];

　　k1—放大系数，k1>1;

　　k2—抑制系数，0

　　emax、emid、emin为设定的误差界限，其中emax>emid>emin。

　　4.2智能PID控制规则

　　智能PID控制是在常规PID控制的基础上，根据专家及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是按区段进行不同算法的调节，它既有bang-bang控制的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。根据上述的分析，总结出相应的控制规则如下：

　　规则1：如果|e（k）|≥emax

　　则 u（k）=umax e（k）>0时;

　　或 u（k）=umin e（k）<0时

　　规则2：如果emid≤|e（k）|

　　则 u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k）

　　e（k）·△e（k）≥0时;

　　或 u（k）=u（k-1）+△u（k）

　　e（k）·△e（k）<0时

　　规则3：如果emin≤|e（k）|

　　则 u（k）=u（k-1）+△u（k）

　　e（k）·△e（k）≥0时;

　　或 u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k）

　　e（k）·△e（k）<0时

　　规则4：如果|e（k-1）|

　　则 u（k）=u（k-1）

　　由上述四条规则可知，智能PID算法本质上是非线性的，能较好克服常规PID的缺点。规则1、4条体现了系统的快速性与稳定性，规则2、3条体现了PID变参数调节的自适应性。

　　5、采用PLC实现的智能控制策略

　　5.1硬件配置

　　可编程序控制器硬件配置采用三菱公司的FX2N-32MR主机和FX2NA/D及D/A输入输出模块组成。水位设定值和水位实际采样值经过A/D模块转换成数字量，PLC根据智能PID控制规则进行运算处理后，经D/A模块输出模拟调节信号到变频器，由变频器调节水泵的转速，即出水量，从而实现了水位的自动控制。

　　5.2软件实现

　　智能PID算法是在PLC中完成的。随着微处理技术的不断发展，PLC的运算速度越来越快，功能也越来越强，用PLC进行软件编程和规则判别非常容易。实现文中的控制算法只要对相关的参数进行四则运算和参数比较即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各参数的大小及采样周期T的频率在调试中具体确定。智能PID算法软件框图如图4所示。

　　6、结束语

　　使用PLC作为数字调节器，将智能PID控制算法应用于企业的生产用水的远距离的液位控制系统中，是对仿人智能控制算法的一种新的尝试，为具有滞后环节的控制系统设计提供了有益的启示。实践证明，使用智能PID控制算法应用于该系统后，系统的响应快、超调小、水位稳定并具有较高的控制精度、满足了生产要求，取得了较好的控制效果。

　　参考文献

　　1、陶永华 尹怡欣 葛芦生.新型PID控制及其应用.北京机械工业出版社.1998.9

　　2、廖常初.可编程序控制器的编程方法与工程应用.重庆.重庆大学出版社.2001.2

　　3、高金源.自动控制工程基础.北京.中央广播电视大学出版社.1992.2