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、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，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，國內(nèi)外對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)控制對象精確模型的特點，有較好的魯棒性。
2、控制對象及特征
某建材企業(yè)的生產(chǎn)用水以河水為水源，簡單凈化后經(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。
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，滯后時間長，用常規(guī)的PID控制方式系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，水位大范圍波動不定。針對上述特征，采用可編程控制器實現(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、被控對象以及反饋檢測元件幾部分組成。
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，對被控制對象進(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，誤差朝絕對值減小的方向變化，此時可實施較弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……區(qū)域，誤差朝絕對值增大的方向變化，此時可根據(jù)誤差的大小分別實施較強(qiáng)的或一般的控制作用。對于典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程分析如下。
設(shè)e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個和前二個采樣時刻的誤差值，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，說明誤差的絕對值很大，此時不論誤差的變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器按最大（或最小）輸出，以迅速調(diào)整誤差。即：
u（k）=umax 當(dāng)e（k）>0時
u（k）=umin 當(dāng)e（k）<0時 （4—2）
?。?）當(dāng)e（k）·△e（k）>0時，說明誤差在朝絕對值增大的方向變化，此時如果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）
?。?）當(dāng)e（k）·△e（k）<0時，說明誤差在朝絕對值減小的方向變化，此時如果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）
（4）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際經(jīng)驗，針對具有大滯后、時變、非線性系統(tǒng)而提出的控制方法。其主要特點是按區(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;
或 u（k）=umin e（k）<0時
規(guī)則2：如果emid≤|e（k）|
則 u（k）=u（k-1）+ k1·△u（k）
e（k）·△e（k）≥0時;
或 u（k）=u（k-1）+△u（k）
e（k）·△e（k）<0時
規(guī)則3：如果emin≤|e（k）|
則 u（k）=u（k-1）+△u（k）
e（k）·△e（k）≥0時;
或 u（k）=u（k-1）+ k2·△u（k）
e（k）·△e（k）<0時
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。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，從而實現(xiàn)了水位的自動控制。
5.2軟件實現(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。實現(xiàn)文中的控制算法只要對相關(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。
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)計提供了有益的啟示。實踐證明，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。
（轉(zhuǎn)載）
