摘 要：本文介紹了利用可編程序控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)論述了智能PID算法的控制規(guī)則，給出了由PLC完成其控制策略的硬件配置和軟件實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵詞：智能PID 控制規(guī)則 PLC 遠(yuǎn)程液位控制 Keywords：Intelligent PID Control rule PLC Remote fluid level control 1、引言 　　在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)已成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)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(guān)注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種應(yīng)用于遠(yuǎn)程液位控制的智能PID控制算法，它有不依賴于系統(tǒng)控制對(duì)象精確模型的特點(diǎn)，有較好的魯棒性。 2、控制對(duì)象及特征 　　某建材企業(yè)的生產(chǎn)用水以河水為水源，簡(jiǎn)單凈化后經(jīng)加壓泵站輸送到屋頂水池，然后由屋頂水池經(jīng)自然落差送往生產(chǎn)車間。加壓泵采用變頻控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 　　為保證水池的水位維持在設(shè)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(dá)到節(jié)電節(jié)水的目的，就必須根據(jù)用水量的變化及時(shí)調(diào)節(jié)加壓泵的轉(zhuǎn)速（即出水量）。然而由于屋頂水池與加壓泵站的距離較遠(yuǎn)，從加壓泵站給水量的增減到屋頂水池水位的變化，需經(jīng)過長(zhǎng)距離的輸送管道，受管網(wǎng)壓力、流量的影響，系統(tǒng)慣性大，滯后時(shí)間長(zhǎng)，用常規(guī)的PID控制方式系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，水位大范圍波動(dòng)不定。針對(duì)上述特征，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的智能PID控制方案較好地解決了這一問題。 3、常規(guī)的PID控制 　　通常閉環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行部件、被控對(duì)象以及反饋檢測(cè)元件幾部分組成。原理框圖如圖2所示。 　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制器是系統(tǒng)的核心，其控制算法決定了系統(tǒng)的控制特性和控制效果。控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)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(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)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(tǒng)分析 　　典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖3所示。在圖3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值減小的方向變化，此時(shí)可實(shí)施較弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……區(qū)域，誤差朝絕對(duì)值增大的方向變化，此時(shí)可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施較強(qiáng)的或一般的控制作用。對(duì)于典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程分析如下。 　　設(shè)e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)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） 　?。?）當(dāng)|e（k）|≥emax時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值很大，此時(shí)不論誤差的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器按最大（或最?。┹敵觯匝杆僬{(diào)整誤差。即： 　　u（k）=umax 當(dāng)e（k）>0時(shí) 　　u（k）=umin 當(dāng)e（k）<0時(shí) （4—2） 　?。?）當(dāng)e（k）·△e（k）>0時(shí)，說明誤差在朝絕對(duì)值增大的方向變化，此時(shí)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）當(dāng)e（k）·△e（k）<0時(shí)，說明誤差在朝絕對(duì)值減小的方向變化，此時(shí)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） 　?。?）當(dāng)|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(shù)，k1>1; 　　k2—抑制系數(shù)，0 　　emax、emid、emin為設(shè)定的誤差界限，其中emax>emid>emin。 　　4.2智能PID控制規(guī)則 　　智能PID控制是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家及操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)具有大滯后、時(shí)變、非線性系統(tǒng)而提出的控制方法。其主要特點(diǎn)是按區(qū)段進(jìn)行不同算法的調(diào)節(jié)，它既有bang-bang控制的快速性，又有遲滯控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力。根據(jù)上述的分析，總結(jié)出相應(yīng)的控制規(guī)則如下： 　　規(guī)則1：如果|e（k）|≥emax 　　則 u（k）=umax e（k）>0時(shí); 　　或 u（k）=umin e（k）<0時(shí) 　　規(guī)則2：如果emid≤|e（k）| 　　則 u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k） 　　e（k）·△e（k）≥0時(shí); 　　或 u（k）=u（k-1）+△u（k） 　　e（k）·△e（k）<0時(shí) 　　規(guī)則3：如果emin≤|e（k）| 　　則 u（k）=u（k-1）+△u（k） 　　e（k）·△e（k）≥0時(shí); 　　或 u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k） 　　e（k）·△e（k）<0時(shí) 　　規(guī)則4：如果|e（k-1）| 　　則 u（k）=u（k-1） 　　由上述四條規(guī)則可知，智能PID算法本質(zhì)上是非線性的，能較好克服常規(guī)PID的缺點(diǎn)。規(guī)則1、4條體現(xiàn)了系統(tǒng)的快速性與穩(wěn)定性，規(guī)則2、3條體現(xiàn)了PID變參數(shù)調(diào)節(jié)的自適應(yīng)性。 5、采用PLC實(shí)現(xiàn)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(jī)和FX2NA/D及D/A輸入輸出模塊組成。水位設(shè)定值和水位實(shí)際采樣值經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，PLC根據(jù)智能PID控制規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算處理后，經(jīng)D/A模塊輸出模擬調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻器，由變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，即出水量，從而實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制。 　　5.2軟件實(shí)現(xiàn) 　　智能PID算法是在PLC中完成的。隨著微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的運(yùn)算速度越來越快，功能也越來越強(qiáng)，用PLC進(jìn)行軟件編程和規(guī)則判別非常容易。實(shí)現(xiàn)文中的控制算法只要對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和參數(shù)比較即可。智能PID算法中emax、emid、emin等各參數(shù)的大小及采樣周期T的頻率在調(diào)試中具體確定。智能PID算法軟件框圖如圖4所示。 6、結(jié)束語 　　使用PLC作為數(shù)字調(diào)節(jié)器，將智能PID控制算法應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)用水的遠(yuǎn)距離的液位控制系統(tǒng)中，是對(duì)仿人智能控制算法的一種新的嘗試，為具有滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益的啟示。實(shí)踐證明，使用智能PID控制算法應(yīng)用于該系統(tǒng)后，系統(tǒng)的響應(yīng)快、超調(diào)小、水位穩(wěn)定并具有較高的控制精度、滿足了生產(chǎn)要求，取得了較好的控制效果。 參考文獻(xiàn) 　　1、陶永華 尹怡欣 葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京機(jī)械工業(yè)出版社.1998.9 　　2、廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應(yīng)用.重慶.重慶大學(xué)出版社.2001.2 　　3、高金源.自動(dòng)控制工程基礎(chǔ).北京.中央廣播電視大學(xué)出版社.1992.2