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。