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基于智能PID算法的水位远距离控制系统设计

发布时间:2020-01-08 09:05   类型:应用案例   人浏览
1 引言

在工程实际中,PID控制因具有良好的稳定性、较高的可靠性、方便的调整性等优点,已经成为现代工业控制的主要技术之一,是应用广泛的调节器控制规律。在德国、欧美、日韩等发达国家,PID控制在工业过程的使用率达90%,具有相当重要的地位。


传统的PID调节算法,一旦比例P、微分I和积分D系数整定好,其值在控制过程中保持不变。对于实际控制系统,如非线性、时滞大、纯滞后的被控系统,当状态和参数等发生变化时,拟获得满意的控制效果非常困难。面对实际的控制过程,许多被控过程机理复杂,具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后性等特点,导致PID控制参数整定效果不理想。如液位控制等。


本设计的水位控制系统中,液位的滞后性大,其出水阀口呈现非线性,数学模型建立困难。如果采用常规的PID算法无法满足控制要求[1] 。近年来,计算机及通讯处理技术的高速发展,智能控制技术在工业控制领域得到广泛应用,如模糊控制和人工神经网络技术等,已成为工业过程控制的主流控制。过程控制中广泛地将智能控制与传统的PID控制组合,形成智能PID控制,应用效果良好。本文的远程液位控制采用智能PID控制算法,不依赖于系统控制对象精确模型,满足了系统控制要求,收到了良好的控制效果。


2 受控对象及其特征
无锡某港口机械制造企业的生产用水,以地下水作为供水源,经初步净化后,利用加压泵站输送到位于公司楼顶的集水池,集水通过管道送往制造工场。泵站电机采用变频控制,主控制器采用可编程序控制器(PLC)。控制系统如图1所示。

图1 水位控制系统


为保证正常的生产,集水池的水位需要维持在设定的高度,水泵输送到集水池的水量,要求与车间的用水量相当。为节约用水用电,控制系统必须根据用水量的变化,同步调节加压泵电机的速度,方能保证出水量。实际控制中,一般厂房楼顶集水池与输水泵站的距离较远,泵站给水量的增减与楼顶集水池水位的变化,通过的输送管道距离远,加上输水管内的压力、流量存在扰动,导致系统惯性增大,滞后时间比较长,常规的PID控制方式会形成振荡,出现水位大幅波动不稳。通过实践改善,发现采用PLC控制的智能PID方案,上述问题能够得到有效的解决。


3 传统PID控制介绍
工业控制中常见的闭环控制系统,一般由主控制器、执行器、受控对象、检测单元四部分组成。闭环系统原理如图2所示。


                               图2 闭环系统原理图

由图可知,主控制器是闭环系统的核心,控制算法决定了闭环控制系统的特性、效果。线性PID控制是最常用的控制,给定值r(t)与实际输出值c(t)之间存在控制偏差e(t),显然 e(t)=r(t)-c(t),对偏差e(t)的P、I、D进行线性组合,形成控制量,对受控对象进行控制,即为PID控制器。


4 智能PID控制及规则

在传统PID控制的基础上,将人工智能以非线性控制方式引入到控制器中,即是智能PID控制(intelligent control)。在实际运行状态下,智能PID系统比传统PID控制控制性能更能满足实际要求,不依赖系统精确数学模型,不依赖控制器参数,能够在线自动调整,对于系统参数变化适应性较好。智能PID的特征是按区段进行不同算法的在线调整,具有棒-棒控制的快速性和迟滞控制的稳定性,抗干扰能力强。


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,相应的控制规则如下:
规则1:如果|e(k)|≥emax,
  则 u(k)=umax ,e(k)>0时;或 u(k)=umin ,e(k)<0时。说明偏差过大,则相应控制量应最大,加快泵站电机速度,尽快减小偏差。
  规则2:如果emid≤|e(k)| < emax,
  则 u(k)=u(k-1)+ k1·△u(k),e(k)·△e(k)≥0时;
  或 u(k)=u(k-1)+△u(k),e(k)·△e(k)<0时。
  规则3:如果emin≤|e(k)|< emid,
  则 u(k)=u(k-1)+△u(k),e(k)·△e(k)≥0时; 
或 u(k)=u(k-1)+ k2·△u(k),e(k)·△e(k)<0时。根据偏差及偏差变化趋势可知,实际值正远离设定值,控制量明显减小,应增加较大的控制量,尽快减小偏差。
  规则4:如果|e(k-1)| < emin,

则 u(k)=u(k-1)。


以上式中:
umax—控制器输出最大值; 
umin—控制器输出最小值;
  u(k-1)—第(k-1)次控制器输出;
  △u(k)—Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki·e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+ e(k-2)];
  k1—放大系数,k1>1;
  k2—抑制系数,0 
  emax、emid、emin为设定的误差界限,其中emax>emid>emin。

上述四条规则中,规则1、4条解决了系统的快速响应和稳定性,规则2、3条解决了PID变参数调节的自适应性。可见智能PID算法是非线性的,能较好克服常规PID的缺点。


5 基于PLC的智能控制软硬件设计
5.1 硬件配置

可编程序控制器(PLC)硬件配置采用日本三菱公司的FX2N-48MR主机,配以FX2N 模数A/D及数模D/A输入输出模块,组成主控制器。集水池水位设定值SV、实际采样值PV,经过A/D模块转换成数字量,输入给PLC。PLC依据智能PID规则,经运算处理后,通过D/A模块输出模拟调节信号,控制变频器信号,从而调节水泵的转速,调节出水量,实现水位的自动控制。


5.2 软件实现
近年来,PLC运算速度飞快,功能日益强大,软件编程及控制规则简易。可以利用PLC完成智能PID算法的设置。本设计只要设置相关参数,并进行四则运算、参数比较,即可实现智能PID控制算法。其中emax、emid、emin等参数的大小、采样周期T的频率等,可以通过实际调试情况设定。系统算法控制流程如图3所示。
图3 智能PID闭环控制算法流程


6 结束语

水自动控制系统的特点,决定了系统数学模型存在不准确性,传统PID控制会出现调节时间、超调量等性能指标无法兼顾的问题。实践证明,使用智能PID控制算法应用于该系统后,系统的响应快、超调小、水位稳定并具有较高的控制精度、满足了生产要求,取得了较好的控制效果。将智能PID控制算法应用于企业的生产用水的远距离的液位控制系统中,将PLC作为数字调节控制器,是对人工智能控制算法的新的尝试,对滞后环节的控制系统设计提供了有益的尝试。

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