智能PID算法在遠程液位控制系統中的應用

　　摘要：本文介紹了利用可編程序控制器（PLC）實現的遠程液位自動控制系統，詳細論述了智能PID算法的控制規則，給出了由PLC完成其控制策略的硬件配置和軟件實現方法。

　　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.

　　關鍵詞：智能PID 控制規則 PLC 遠程液位控制

　　Keywords：Intelligent PID Control rule PLC Remote fluid level control

　　1、引言

　　在工業過程控制系統中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業發達國家，PID控制的使用率仍達90%，可見PID控制在工業過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術經歷了數十年的發展，從模擬PID控制發展到數字PID控制，技術不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術的發展，國內外對智能控制的理論研究和應用研究十分活躍，智能控制技術發展迅速，如專家控制、自適應控制、模糊控制等，現已成為工業過程控制的重要組成部分。智能控制與常規PID控制相結合，形成所謂智能PID控制，這種新型的控制方式已引起人們的普遍關注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應用。本文介紹了一種應用于遠程液位控制的智能PID控制算法，它有不依賴于系統控制對象精確模型的特點，有較好的魯棒性。

　　2、控制對象及特征

　　某建材企業的生產用水以河水為水源，簡單凈化后經加壓泵站輸送到屋頂水池，然后由屋頂水池經自然落差送往生產車間。加壓泵采用變頻控制。系統框圖如圖1所示。

　　為保證水池的水位維持在設定的位置，使加壓泵輸送到水池的水量與車間的用水量相一致，達到節電節水的目的，就必須根據用水量的變化及時調節加壓泵的轉速（即出水量）。然而由于屋頂水池與加壓泵站的距離較遠，從加壓泵站給水量的增減到屋頂水池水位的變化，需經過長距離的輸送管道，受管網壓力、流量的影響，系統慣性大，滯后時間長，用常規的PID控制方式系統產生振蕩，水位大范圍波動不定。針對上述特征，采用可編程控制器實現的智能PID控制方案較好地解決了這一問題。

　　3、常規的PID控制

　　通常閉環控制系統由控制器、執行部件、被控對象以及反饋檢測元件幾部分組成。原理框圖如圖2所示。

　　在閉環控制系統中，控制器是系統的核心，其控制算法決定了系統的控制特性和控制效果?？刂破髯畛Ｓ玫目刂埔幝墒荘ID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成控制偏差e（t）（e（t）= r（t）-c（t）），將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控制對象進行控制，故稱為PID控制器。

　　4、智能PID控制算法

　　4.1典型的二階系統分析

　　典型的二階系統單位階躍響應誤差曲線如圖3所示。在圖3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……區域，誤差朝絕對值減小的方向變化，此時可實施較弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……區域，誤差朝絕對值增大的方向變化，此時可根據誤差的大小分別實施較強的或一般的控制作用。對于典型二階系統階躍響應過程分析如下。

　　設e（k）表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個和前二個采樣時刻的誤差值，則有：

　　△e（k）=e（k）-e（k-1）

　　△e（k-1）=e（k-1）-e（k-2） （4—1）

　　（1）當|e（k）|≥emax時，說明誤差的絕對值很大，此時不論誤差的變化趨勢如何，都應考慮控制器按最大（或最小）輸出，以迅速調整誤差。即：

　　u（k）=umax 當e（k）>0時

　　u（k）=umin 當e（k）<0時 （4—2）

　?。?）當e（k）·△e（k）>0時，說明誤差在朝絕對值增大的方向變化，此時如果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）

　?。?）當e（k）·△e（k）<0時，說明誤差在朝絕對值減小的方向變化，此時如果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）當|e（k）|

　　u（k）=u（k-1） （4—7）

　　以上式中：

　　umax—控制器輸出最大值;

　　umin—控制器輸出最小值;

　　u（k-1）—第（k-1）次控制器輸出;

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

　　2e（k-1）+ e（k-2）];

　　k1—放大系數，k1>1;

　　k2—抑制系數，0

　　emax、emid、emin為設定的誤差界限，其中emax>emid>emin。

　　4.2智能PID控制規則

　　智能PID控制是在常規PID控制的基礎上，根據專家及操作人員的實際經驗，針對具有大滯后、時變、非線性系統而提出的控制方法。其主要特點是按區段進行不同算法的調節，它既有bang-bang控制的快速性，又有遲滯控制的穩定性和抗干擾能力。根據上述的分析，總結出相應的控制規則如下：

　　規則1：如果|e（k）|≥emax

　　則 u（k）=umax e（k）>0時;

　　或 u（k）=umin e（k）<0時

　　規則2：如果emid≤|e（k）|

　　則 u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k）

　　e（k）·△e（k）≥0時;

　　或 u（k）=u（k-1）+△u（k）

　　e（k）·△e（k）<0時

　　規則3：如果emin≤|e（k）|

　　則 u（k）=u（k-1）+△u（k）

　　e（k）·△e（k）≥0時;

　　或 u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k）

　　e（k）·△e（k）<0時

　　規則4：如果|e（k-1）|

　　則 u（k）=u（k-1）

　　由上述四條規則可知，智能PID算法本質上是非線性的，能較好克服常規PID的缺點。規則1、4條體現了系統的快速性與穩定性，規則2、3條體現了PID變參數調節的自適應性。

　　5、采用PLC實現的智能控制策略

　　5.1硬件配置

　　可編程序控制器硬件配置采用三菱公司的FX2N-32MR主機和FX2NA/D及D/A輸入輸出模塊組成。水位設定值和水位實際采樣值經過A/D模塊轉換成數字量，PLC根據智能PID控制規則進行運算處理后，經D/A模塊輸出模擬調節信號到變頻器，由變頻器調節水泵的轉速，即出水量，從而實現了水位的自動控制。

　　5.2軟件實現

　　智能PID算法是在PLC中完成的。隨著微處理技術的不斷發展，PLC的運算速度越來越快，功能也越來越強，用PLC進行軟件編程和規則判別非常容易。實現文中的控制算法只要對相關的參數進行四則運算和參數比較即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各參數的大小及采樣周期T的頻率在調試中具體確定。智能PID算法軟件框圖如圖4所示。

　　6、結束語

　　使用PLC作為數字調節器，將智能PID控制算法應用于企業的生產用水的遠距離的液位控制系統中，是對仿人智能控制算法的一種新的嘗試，為具有滯后環節的控制系統設計提供了有益的啟示。實踐證明，使用智能PID控制算法應用于該系統后，系統的響應快、超調小、水位穩定并具有較高的控制精度、滿足了生產要求，取得了較好的控制效果。

　　參考文獻

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