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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：ThispaperpresentsaremotefluidlevelcontrolsystemonbaseofPLC.ThecontrolruleofintelligentPIDalgorithmisdiscussedindetail,andthehardwareconfigurationaswellasthesoftwarerealizationperformedbyPLCisproposed.
关键词：智能PID控制规则PLC远程液位控制
Keywords：IntelligentPIDControlrulePLCRemotefluidlevelcontrol
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：
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