基于积分分离PID算法的恒压供水系统设计

张墩利，周国栋

(湖南广播电视大学机电工程系，湖南长沙 410004）

基于积分分离PID算法的恒压供水系统设计

张墩利，周国栋

(湖南广播电视大学机电工程系，湖南长沙 410004）

为提高恒压供水设备的水压精度，采用积分分离PID算法实现水箱的恒压控制，实际测试表明，该控制系统运行稳定，调节精度高，鲁棒性好，达到了设计要求。

PID；恒压控制；PLC

0 引言

传统的PID控制水箱水位调节精度低，鲁棒性差[1]。模糊控制、神经网络控制、多模态的水箱水位等控制算法复杂，实现困难，不容易在PLC使用[2-3]。本文采用积分分离PID控制算法，编程简单，实现方便，易于在PLC中实现。

图1 恒压供水系统示意图

1 硬件系统

水箱需要维持一定的水位（例如75%水位高度），该水箱的水以变化的速度流出，这就需要一个用变频器控制的电动机拖动水泵供水。当出水量增大时，变频器输出频率提高，使电动机升速，增加供水量；反之电动机降速，减少供水量，始终维持水位不变化。该系统称为恒压供水系统（如图1所示）。

该系统的PLC输入输出如表1所示，供水系统控制电路图如图2所示。

2 积分分离的PID控制算法

传统PID控制算法中，积分环节的主要作用是可以消除系统的静态误差，提高控制精度。但积分环节的主要问题是在启动、结束或大幅度变化输出值时，会造成系统输出在短时间内输出过大，可能超过系统承受范围而引发控制失效，也可能造成后续控制过程超调严重，甚至引起系统震荡，在实际生产中，这些问题都可能带来严重后果。

表1 PLC系统IO地址分配表

图2 恒压供水系统PLC硬件接线图

积分分离控制算法的设计思想是：当系统目标值和实际输出值偏差较大时，取消积分环节，以避免以上问题的出现；当控制量接近设定值时，引入积分控制，以消除系统静态误差，提高系统控制精度。其详细实现过程如下：

（1）根据系统实际情况，设定误差门槛值ε＞0；

积分分离控制算法表示为公式（1）所示。

3 PLC控制程序

（1）水位控制主程序过程如下，开机调用子程序SBR-0对PID参数进行初始化。当按下启动按钮I0.0，电动机Q0.0启动并自锁。当按下停止按钮I0.1，电动机Q0.0停止并解除自锁。将过程变量VD100乘以100.0，取整然后转换为整数送VW510进行显示。正常工作时，主电路空气开关QF1合闸，其常闭触电断开，I0.3没有输入，一旦跳闸，QF1常闭触点接通，I0.3有输入，使M11.0为1。当变频器发生故障，变频器的K12与K14接通，I0.5有输入，使M11.2为1。当发生离散量报警故障（MW10不等于0）时，M20.0有输出，M20.0常闭触点断开，Q0.0断电，电动机停电。

控制主程序如下：

如上所示，先进行PID回路的初始化，将参数（给定值SP、增益KC、采样时间TS、比例常数TP、积分时间TI、微分时间TD）填入回路表，实时计算出当前偏差值，如果偏差大于设定阈值则取消积分作用，进入积分分离PD控制阶段，直到偏差进入设定范围，进入PID控制阶段，然后再设置定时中断，以便周期地执行PID指令。

4 测试结果

通过在实际恒压供水控制系统上实验得到基于积分分离PID算法的液位响应曲线。经过反复多次实验，基于此算法达到稳态的调节时间均为20～25 s之间，如图3中的DI_PID曲线所示；而基于常规PID控制算法的调节时间均为40～50 s之间，如图3中的PID曲线所示。从图3可以看出，在恒压供水控制系统中，本文提出的积分分离PID控制方案(DI_PID)与传统PID控制方法相比，响应速度更快，调节时间更短，且具有很好的适应性和鲁棒性，达到了更优的控制质量。

图3 基于DI_PID算法和PID算法恒压供水控制响应曲线

［1］任俊杰，李永霞，李媛，等.基于PLC的闭环控制系统PID控制器的实现［J］.制造业自动化，2009（4）：20-23.

［2］李为民.基于模糊—神经网络的多变量控制系统的设计与应用研究［D］.西安：西安理工大学，2008.

［3］周妮娜.基于双模糊控制器的水箱液位控制［J］.现代电子技术，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

张墩利，女，1979年生，江苏宿迁人，硕士，讲师。研究领域：机械电子工程、先进控制技术。已发表论文5篇。

(编辑：向 飞)

2014－05－25