張墩利，周國(guó)棟

(湖南廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長(zhǎng)沙 410004）

基于積分分離PID算法的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張墩利，周國(guó)棟

(湖南廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長(zhǎng)沙 410004）

為提高恒壓供水設(shè)備的水壓精度，采用積分分離PID算法實(shí)現(xiàn)水箱的恒壓控制，實(shí)際測(cè)試表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)精度高，魯棒性好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

PID；恒壓控制；PLC

0 引言

傳統(tǒng)的PID控制水箱水位調(diào)節(jié)精度低，魯棒性差[1]。模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、多模態(tài)的水箱水位等控制算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，不容易在PLC使用[2-3]。本文采用積分分離PID控制算法，編程簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，易于在PLC中實(shí)現(xiàn)。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)示意圖

1 硬件系統(tǒng)

水箱需要維持一定的水位（例如75%水位高度），該水箱的水以變化的速度流出，這就需要一個(gè)用變頻器控制的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵供水。當(dāng)出水量增大時(shí)，變頻器輸出頻率提高，使電動(dòng)機(jī)升速，增加供水量；反之電動(dòng)機(jī)降速，減少供水量，始終維持水位不變化。該系統(tǒng)稱為恒壓供水系統(tǒng)（如圖1所示）。

該系統(tǒng)的PLC輸入輸出如表1所示，供水系統(tǒng)控制電路圖如圖2所示。

2 積分分離的PID控制算法

傳統(tǒng)PID控制算法中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高控制精度。但積分環(huán)節(jié)的主要問題是在啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度變化輸出值時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)輸出在短時(shí)間內(nèi)輸出過大，可能超過系統(tǒng)承受范圍而引發(fā)控制失效，也可能造成后續(xù)控制過程超調(diào)嚴(yán)重，甚至引起系統(tǒng)震蕩，在實(shí)際生產(chǎn)中，這些問題都可能帶來嚴(yán)重后果。

表1 PLC系統(tǒng)IO地址分配表

圖2 恒壓供水系統(tǒng)PLC硬件接線圖

積分分離控制算法的設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)系統(tǒng)目標(biāo)值和實(shí)際輸出值偏差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)，以避免以上問題的出現(xiàn)；當(dāng)控制量接近設(shè)定值時(shí)，引入積分控制，以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度。其詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，設(shè)定誤差門檻值ε＞0；

積分分離控制算法表示為公式（1）所示。

3 PLC控制程序

（1）水位控制主程序過程如下，開機(jī)調(diào)用子程序SBR-0對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行初始化。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I0.0，電動(dòng)機(jī)Q0.0啟動(dòng)并自鎖。當(dāng)按下停止按鈕I0.1，電動(dòng)機(jī)Q0.0停止并解除自鎖。將過程變量VD100乘以100.0，取整然后轉(zhuǎn)換為整數(shù)送VW510進(jìn)行顯示。正常工作時(shí)，主電路空氣開關(guān)QF1合閘，其常閉觸電斷開，I0.3沒有輸入，一旦跳閘，QF1常閉觸點(diǎn)接通，I0.3有輸入，使M11.0為1。當(dāng)變頻器發(fā)生故障，變頻器的K12與K14接通，I0.5有輸入，使M11.2為1。當(dāng)發(fā)生離散量報(bào)警故障（MW10不等于0）時(shí)，M20.0有輸出，M20.0常閉觸點(diǎn)斷開，Q0.0斷電，電動(dòng)機(jī)停電。

控制主程序如下：

如上所示，先進(jìn)行PID回路的初始化，將參數(shù)（給定值SP、增益KC、采樣時(shí)間TS、比例常數(shù)TP、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD）填入回路表，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前偏差值，如果偏差大于設(shè)定閾值則取消積分作用，進(jìn)入積分分離PD控制階段，直到偏差進(jìn)入設(shè)定范圍，進(jìn)入PID控制階段，然后再設(shè)置定時(shí)中斷，以便周期地執(zhí)行PID指令。

4 測(cè)試結(jié)果

通過在實(shí)際恒壓供水控制系統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)得到基于積分分離PID算法的液位響應(yīng)曲線。經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，基于此算法達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間均為20～25 s之間，如圖3中的DI_PID曲線所示；而基于常規(guī)PID控制算法的調(diào)節(jié)時(shí)間均為40～50 s之間，如圖3中的PID曲線所示。從圖3可以看出，在恒壓供水控制系統(tǒng)中，本文提出的積分分離PID控制方案(DI_PID)與傳統(tǒng)PID控制方法相比，響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)時(shí)間更短，且具有很好的適應(yīng)性和魯棒性，達(dá)到了更優(yōu)的控制質(zhì)量。

圖3 基于DI_PID算法和PID算法恒壓供水控制響應(yīng)曲線

［1］任俊杰，李永霞，李媛，等.基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制器的實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009（4）：20-23.

［2］李為民.基于模糊—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多變量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2008.

［3］周妮娜.基于雙模糊控制器的水箱液位控制［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（3）：140-141.

A Constant Pressure Water Supply System Based on Integral Separation PID Algorithm

ZHANG Dun-li，ZHOU Guo-dong
（Hu'nan Radio and TV University，Mechanical and Electrical Department，Changsha410004，China）

For improving the pressure accuracy， the paper introduces a constant pressure water supply system based on integral separation PID algorithm.The actual tests indicate that the new control system runs stably with high adjustment and strong robustness.It meets the demands of design.

PID；constant pressure control；PLC

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0105－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.028

張墩利，女，1979年生，江蘇宿遷人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程、先進(jìn)控制技術(shù)。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－05－25