PID算法在远程液位控制系统的应用

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摘要：目前，多数过程控制系统仍采用pid控制策略，这是因为这种控制具有直观、实现简易和鲁棒性能良好等一系列优点。在工业生产中，液位过程控制的应用十分普遍，液位测量一般都比较方便，而且工艺指标要求并不高，所以我们可以直接选取液位作为被控参数。关键字： 液位 过程控制 PID 远程中图分类号：TU74

文献标识码： A一、引言：PID（proportion- integral- derivative）是比例、积分和微分的简称，其控制器是一种现行控制器，在本质上是一种对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的控制算法。液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量，工业生产中的很多场合都需要对容器中液体进行有效可靠的控制。工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有大滞后特性，控制精度不易满足，控制也相当麻烦。本文将主要论述增量式数字PID算法在单容水箱液位控制系统中的应用。二、PID控制系统设计 本控制系统属于计算机监督控制系统（SCC）。计算机通过对液位控制系统中的控制对象离散采样，运用增量式数字PID控制算法控制执行机构输出，从而实现对液位系统的恒定液位控制，通过组态软件MCGS实现液位运行画面的检测。运行结果表明，设计的数字PID控制器能准确地控制上水箱的液位，获得了良好的控制效果。1.液位控制系统组成图1 液位控制系统结构框图图1为液位控制系统结构框图，系统采用闭环控制方案。利用ZY17PrCon32SB过程控制试验装置，系统中的控制器采用西门子公司的S7-300PLC可编辑控制器，液位变送器将实际输出液位反馈至输入端。数字调节器采用增量式PID算法，输出控制信号控制执行机构（变频器和水泵）输出，控制对象在执行机构的控制下输出实际液位。系统控制程序是使用西门子step7编程软件自行设计制作的一款控制程序。通过组态软件MCGS实现液位运行画面的检测。包括控制面板、系统运行曲线显示窗口、实时系统参数监控窗和系统参数输出窗等。其中控制面板作为操作人员与系统的交互接口，系统参数输出窗可计算出液位控制系统一次运行的动态参数。2.增量式PID算法理论：连续PID控制器的微分方程：用求和代替积分，用前向差分代替微分，得到数字PID公式为： 公式（1）其中T为采样周期。由于u（k）为控制信号直接决定了控制信号的位置，因此上式被称为位置式PID控制算法。但这种算法需要把历次的偏差信号进行相加，但这样不仅使计算繁琐，而且为了保存偏差信号还要占用大量的内存空间，因此我们用增量式PID。的算式为：

公式（2）将上式与公式（1）相减得公式（3）为比例系数，为积分系数，为微分系数。此式相对公式（1）来说占用更少的内存空间。本实验即是采用公式（3）所示的增量式数字PID控制算法3.增量式PID算法程序框图：

图2 智能PID控制算法程序流程图图2为增量式PID控制算法程序流程图，控制系统经初始化化操作后，进入系统监控阶段，通过液位传感器，实时采集系统的液位信息。系统根据实际液位与希望液位的误差，按照增量式PID控制规则运算得到控制数据，由于在实验设备上，当变频器的电流输入较小时，水泵并不能正常打水，所以需要对增量式PID的计算结果进行限幅处理，在限幅处理的时候将变频器的最低输入也就是PLC的输出限制在水泵临界运行状态。控制信号驱动执行机构，最终实现对控制对象的恒液位控制。程序设置报警信号，对液位上下限进行报警，在液位高于或低于某个值的时候用相关指示灯报警。影响容器中液体液位的参数有两个：一个是液体的流入量，另一个是液体的流出量。调节这两个参数均可以控制液位，由于在过程试验装置中输出量是有限的，而且从保证液体不产生溢出的要求考虑，选择液体的流入量作为控制参数。选择PI调节器作为控制，可以加快响应速度，并且可以实现无差调节。调试时，为了保证系统的稳定运行，需要合理选取采样间隔。将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线；由于比例控制下稳态误差不能满足要求，所以加入积分控制：将积分系数置一个较小值，观测响应曲线。然后增大积分系数，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。4.液位控制系统响应曲线

系统经方案论证和软硬件设计，在实验室液位控制台上实际运行，获得满足工业控制要求的控制曲线，由此证明本文提出的控制策略和程序实现方法符合实际控制要求。以下给出增量式数字PID控制算法的液位系统控制曲线。

上图为使用增量式PID控制算法控制单水箱液位系统所得到的阶跃响应曲线。其中黄色曲线为希望液位，绿色曲线为实际运行所得到的响应曲线。由于单水箱液位系统为一阶惯性系统，故系统无超调。由曲线可知系统动态上升时间为3分钟，当曲线运行到4分钟时接近稳态，与运动控制系统比较而言，过程控制系统有较大的惯性和滞后。随后系统处于稳定运行状态，故此控制系统稳定。需要注意的是在给出给定值时，要尽量将给定值设定在进水口的液位之下，以防回流导致控制时间过长甚至不能够达到控制要求。三、结论实验结果表明，本文应用增量式PID调节对液位系统的控制是有效可行的。PID控制虽然不能像智能控制一样可以进行自适应，但由于其设计简单，在现在的工业控制中仍然占有重要的地位。参考文献：潘永湘 杨延西、赵跃《过程控制及自动化仪表》第二版 北京机械工业出版社；潘新民 王燕芳《微型计算机控制技术》北京高等教育出版；董爱华《检测与转换技术》北京中国电力出版社；Josef Weigmann；Gerhard Kilian著，闫志强译《西门子PROFIBUS工业通信指南》 北京人民邮电出版社廖常初《S7-300/400 PLC应用技术》第二版 机械工业出版社；