基于積分分離PID算法的恒壓供水系統設計

張墩利，周國棟

(湖南廣播電視大學機電工程系，湖南長沙 410004）

基于積分分離PID算法的恒壓供水系統設計

張墩利，周國棟

(湖南廣播電視大學機電工程系，湖南長沙 410004）

為提高恒壓供水設備的水壓精度，采用積分分離PID算法實現水箱的恒壓控制，實際測試表明，該控制系統運行穩定，調節精度高，魯棒性好，達到了設計要求。

PID；恒壓控制；PLC

0 引言

傳統的PID控制水箱水位調節精度低，魯棒性差[1]。模糊控制、神經網絡控制、多模態的水箱水位等控制算法復雜，實現困難，不容易在PLC使用[2-3]。本文采用積分分離PID控制算法，編程簡單，實現方便，易于在PLC中實現。

圖1 恒壓供水系統示意圖

1 硬件系統

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，這就需要一個用變頻器控制的電動機拖動水泵供水。當出水量增大時，變頻器輸出頻率提高，使電動機升速，增加供水量；反之電動機降速，減少供水量，始終維持水位不變化。該系統稱為恒壓供水系統（如圖1所示）。

該系統的PLC輸入輸出如表1所示，供水系統控制電路圖如圖2所示。

2 積分分離的PID控制算法

傳統PID控制算法中，積分環節的主要作用是可以消除系統的靜態誤差，提高控制精度。但積分環節的主要問題是在啟動、結束或大幅度變化輸出值時，會造成系統輸出在短時間內輸出過大，可能超過系統承受范圍而引發控制失效，也可能造成后續控制過程超調嚴重，甚至引起系統震蕩，在實際生產中，這些問題都可能帶來嚴重后果。

表1 PLC系統IO地址分配表

圖2 恒壓供水系統PLC硬件接線圖

積分分離控制算法的設計思想是：當系統目標值和實際輸出值偏差較大時，取消積分環節，以避免以上問題的出現；當控制量接近設定值時，引入積分控制，以消除系統靜態誤差，提高系統控制精度。其詳細實現過程如下：

（1）根據系統實際情況，設定誤差門檻值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，開機調用子程序SBR-0對PID參數進行初始化。當按下啟動按鈕I0.0，電動機Q0.0啟動并自鎖。當按下停止按鈕I0.1，電動機Q0.0停止并解除自鎖。將過程變量VD100乘以100.0，取整然后轉換為整數送VW510進行顯示。正常工作時，主電路空氣開關QF1合閘，其常閉觸電斷開，I0.3沒有輸入，一旦跳閘，QF1常閉觸點接通，I0.3有輸入，使M11.0為1。當變頻器發生故障，變頻器的K12與K14接通，I0.5有輸入，使M11.2為1。當發生離散量報警故障（MW10不等于0）時，M20.0有輸出，M20.0常閉觸點斷開，Q0.0斷電，電動機停電。

控制主程序如下：

如上所示，先進行PID回路的初始化，將參數（給定值SP、增益KC、采樣時間TS、比例常數TP、積分時間TI、微分時間TD）填入回路表，實時計算出當前偏差值，如果偏差大于設定閾值則取消積分作用，進入積分分離PD控制階段，直到偏差進入設定范圍，進入PID控制階段，然后再設置定時中斷，以便周期地執行PID指令。

4 測試結果

通過在實際恒壓供水控制系統上實驗得到基于積分分離PID算法的液位響應曲線。經過反復多次實驗，基于此算法達到穩態的調節時間均為20～25 s之間，如圖3中的DI_PID曲線所示；而基于常規PID控制算法的調節時間均為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中，本文提出的積分分離PID控制方案(DI_PID)與傳統PID控制方法相比，響應速度更快，調節時間更短，且具有很好的適應性和魯棒性，達到了更優的控制質量。

圖3 基于DI_PID算法和PID算法恒壓供水控制響應曲線

［1］任俊杰，李永霞，李媛，等.基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現［J］.制造業自動化，2009（4）：20-23.

［2］李為民.基于模糊—神經網絡的多變量控制系統的設計與應用研究［D］.西安：西安理工大學，2008.

［3］周妮娜.基于雙模糊控制器的水箱液位控制［J］.現代電子技術，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。研究領域：機械電子工程、先進控制技術。已發表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－05－25