1、智能 PID 算法在液位控制系统中的应用 丁芳 李艳芳 费玉龙（中国民用航空学院交通工程学院 天津 300300）E-mail:Liyanfnag_摘 要：针对自己开发的液位控制系统参数难以调整的问题，本文提出了一种智能 PID的液位控制方法。智能 PID 控制算法是在常规 PID 控制算法的基础上，根据前人和专家的经验以及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统对象而提出的控制算法。该算法是分段进行调节的，它既有较好的快速性，又有迟滞（死区）控制的稳定性和抗干扰能力。实验结果表明：这种控制方法不仅简单、精度高，而且具有一 定 的 实 用 价 值 。关 键 词：液位控制 智能 PI
2、D 算法 数据采集中图分类号：TP229文献标识码：B Application of intelligent PID control algorithm for water level control systemDing Fang Li Yanfang Fei Yulong（College of Traffic Engineering of Civil Aviation University of China,tianjin,300300,china）Abstract：Aiming at the problem that it is difficult to confirm the para
3、meters of the water level control system which is developed by the laboratory, this paper advances the intelligent PID control method. According to the experience of the former and the master and the practical experience of the operator, people puts forward the intelligent PID control algorithm whic
4、h is based on the classic PID control algorithm to solve the problems, such as lag, time-variety and non-linearity. The method modulating the object is a piecewise way. It posses a good speediness, anti-jamming ability and the stability of lag control. Lab experimentations show that the method of in
5、telligent PID control is not only simple and exactitude but also has a great practical value.Key words: Water lever control; Intelligent PID; Data Acquiring一、引言目前，多数过程控制系统仍采用 PID控制策略，这是因为这种控制具有直观、实现简易和鲁棒性能良好等一系列优点。液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。但是由于液位控制系统中的液位具有大滞后、出水阀口的非线性、数学模型难以准确建立等特点，采
6、用常规的增量式 PID算法难以获得满意的控制效果 1。为了满足实际要求，人们自然地寻求其它更好的控制方法。目前，人们已经把智能 PID 算法引入了控制领域。本文 论 述 了 进 行 液 位 控 制 系 统 设 计 时 ， 采用智能 PID 算法优化设计，系统可根据运行的情况自动对 PID 参数进行实时动态整定，且由于它不依赖于系统的数学模型，对系统的参数变化也不敏感，因此更能适用现场各种难以预料的情况，从而能较好地满足系统的要求 2。二、智能 PID控制系统设计本控制系统属于计算机监督控制系统(SCC)。计算机通过对液位控制系统中的控制对象离散采样，运用智能 PID控制算法控制执行机构输出，从
7、而实现对液位系统的恒定液位控制。在工业控制对象中，液位系统是典型的一阶系统，时间常数比较大，有一定时延。为此系统采用智能 PID 控制策略，改善系统的动态响应过程。并使用 Microsoft Visual C+及 MFC 类库编写了运行于 Windows NT/2000 下的 Win32 控制程序。软件的标准化体现在模块化的设计，符合工业标准的人机界面以及良好的代码可扩充性、可重用性。1、液位控制系统组成智 能 P I D 数 字调 节 器 D / A 发 送 卡A / D 采 集 卡执 行 机 构 控 制 对 象希 望 液 位实 际 液 位T+-TT图 1 液位控制系统结构框图图 1为液位控
8、制系统结构框图，系统采用闭环控制方案。系统中的 A/D采集卡将实际输出液位离散采样处理，反馈至输入端。数字调节器采用智能 PID算法，输出离散控制信号，经过 D/A发送卡采样保持，转换成为模拟控制电平信号，以控制执行机构（变频器和水泵）输出，控制对象在执行机构的控制下输出实际液位。系统控制程序是使用 Visual C+程序设计工具和 Advantech 设备库函数，自行设计制作的一款控制程序。Advantech Device Manager 是研华公司提供的设备管理软件，用于研华系列设备的驱动加载，逻辑设备建立，设备在线测试及用户程序接口提供。使用 VC+程序为控制系统编制了控制界面，包括控制
9、面板、系统运行曲线显示窗口、实时系统参数监控窗和系统参数输出窗等。其中控制面板作为操作人员与系统的交互接口，系统参数输出窗可计算出液位控制系统一次运行的动态参数 3。2、智能 PID控制算法在液位控制系统中，由于液位具有大滞后、出水阀口的非线性、数学模型难以准确建立等特点，而常规的 PID算法控制易出现较大的超调，系统的动态性能也较差，难以获得满意的控制效果。因此，在控制系统进行调试时，对数字控制器引入了智能 PID 算法。智能 PID 控制算法是在常规 PID控制算法的基础上，根据前人和专家的经验以及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统对象而提出的控制算法 4。在系统输出误差
10、绝对值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量；在系统误差的绝对值在小范围时采用则增大积分系数的办法，从而可以提高稳态精度。因此系统所采用的智能 PID 算法是一种非线性算法，可显著改善液位系统的动态响应和稳态精度 5。常规的 PID控制算法的增量形式为：(3-1)()1)(ukuk(3-2)()()21)(2)pidKeKekek式(3-2)中，e（k）为偏差；u（k）为控制量； 为最小允许偏差； 为最大允许偏差；minmaxe为中间偏差； 为最大控制量。midmax(智能 PID控制规则如下：规则 1 若 |，则ax)|ek(3-3)()(
11、maxu规则 2 若 ，则in|(3-4)k规则 3 若 ，则max|(|eemid(3-5)11()()()piukke规则 4 若 ，则mideke|)(|min(3-6)22()1(1)()piukke（其中， ， ， ）21i0d由上述 4条控制规则可知，智能 PID算法在本质上是非线性的，能较好的克服常规的 PID算法的缺陷，规则 1、2 展示了系统的快速性和稳定性，规则 3、4 又展示了 PID的变参数调节的自适应性能。yE m i nE m i dE m a xabcdt 2t 3t 1ot图 2 智能 PID算法过渡曲线示意图图 2为智能 PID算法过渡曲线示意图，曲线运行在
12、a段为智能 PID 算法规则 1，此时系统误差大于最大设定误差 Emax，此时系统满幅输出，系统运行在死区内，系统输出曲线近似为直线；当曲线运行至 b 段为智能 PID 算法规则 3，此时系统误差大于中间设定误差 Emid 小于最大设定误差 Emax，位置系数较大，积分系数较小，可加快动态性能；当曲线运行至 c 段为智能 PID 算法规则 4，此时系统误差大于最小设定误差 Emin 小于中间设定误差 Emid，位置系数较小，积分系数较大，可以提高稳态精度；当系统运行在 d段为允许误差限 Emin 内，系统控制输出保持不变，属于智能 PID 控制规则 2，可增加控制的稳定性。3、智能 PID控制
13、算法程序框图系 统 监 控采 集 系 统 液 位 信 息计 算 误 差 P e r r （ 位 置 ）累 计 误 差 I e r r （ 积 分 ）智 能 P I D 控 制 规 律 运 算 器输 出 控 制 模 拟 量控 制 对 象执 行 机 构实 际 液 位开 始液 位 采 集图 3 智能 PID控制算法程序流程图图 3 为智能 PID 控制算法程序流程图，控制系统经初始化化操作后，进入系统监控阶段，通过液位传感器，实时采集系统的液位信息。系统根据实际液位与希望液位的误差，分别计算出系统误差 PErr 和系统误差积分 IErr，计算机根据误差按照智能 PID 控制规则运算，得到控制数据，控
14、制数据经输出转换器转换成控制信号驱动执行机构，最终实现对控制对象的恒液位控制。4.液位控制系统响应曲线系统经方案论证和软硬件设计，在实验室液位控制台上实际运行，获得满足工业控制要求的控制曲线，由此证明本文提出的控制策略和程序实现方法符合实际控制要求。以下分别给出经典 PID控制算法和智能 PID控制算法的液位系统控制曲线。图 4经典 PID 算法阶跃响应 图 5 智能 PID 算法阶跃响应图 4为使用经典 PID控制算法控制单水箱液位系统所得到的阶跃响应曲线。其中黄色曲线为希望液位，绿色曲线为实际运行所得到的响应曲线。由于单水箱液位系统为一阶惯性系统，故系统无超调。由曲线可知系统动态上升时间为
15、 3分钟，当曲线运行到 4分钟时接近稳态，与运动控制系统比较而言，过程控制系统有较大的惯性和滞后。随后系统处于稳定运行状态，故此控制系统稳定。图 5 为智能 PID 算法控制单水箱液位系统所得到的阶跃响应曲线。由响应曲线可知系统动态上升时间为 1.3 分钟，当曲线运行到 2 分钟时接近稳态。当系统的输出在 30 至 45 的区间时为智能PID 算法规则 1，此时系统误差大于最大设定误差,此时系统满幅输出，系统运行在死区内，系统输出曲线近似为直线；当系统的输出在 45 至 47.5 的区间时为智能 PID 算法规则 3，此时系统误差大于中间设定误差小于最大设定误差，位置系数较大，积分系数较小，可
16、加快动态性能，由于系统作了强制切换，所以系统曲线有尖脉冲；当系统的输出在 47.5 至 49.5 的区间时为智能 PID 算法规则4，此时系统误差大于最小设定误差小于中间设定误差，位置系数较小，积分系数较大，可以提高稳态精度；当系统运行在允许误差限内时系统控制输出保持不变，属于智能 PID 控制规则 2。从试验曲线可知，智能 PID 算法动态性和稳态精度都很高。三、结论在液位控制系统中，由于实验系统自身结构的特点，如：出水阀口开度的不确定，决定了它没有准确的数学模型，所以采用经典 PID 控制算法并不能兼顾所有工况下的多项性能指标，如超调量、调节时间等。本文采用智能 PID控制算法对其进行优化
17、设计，并在实验室液位控制台上运行，系统可以自动对 PID 参数进行实时动态整定，以达到理想的控制效果。比较优化前后的曲线可以看出，该方法可以获得满足工业控制要求的控制曲线，能减小或消除由于系统本身缺陷产生的静差，减小调节时间和动态误差，而且其抗干扰能力也大大加强。由此证明本文提出的控制策略和程序实现方法符合实际控制要求。本论文的创新点使用智能 PID 算法实现对水位系统的高性能控制。参考文献1 金以慧过程控制原理M北京：清华大学出版社，1993.2 何克忠，李伟计算机控制原理M北京：清华大学出版社，2000.3 宋娟基于 PID 算法的燃料电池实验室组态王监控系统J微计算机信息，2006，1：
18、28-304 吴宏鑫，沈少萍PID 控制的应用和理论依据 J控制工程, 2003，10（1）：37-425 史步海，丁川 智能 PID 算法在延伸率控制中的应用J. 控制工程，2003，10（3）：239-241 作者简介丁芳（1960-） ，女，副教授，山西太原人，中国民用航空学院交通工程学院，主要从事传感器技术，检测技术与仪器等方面的研究。李艳芳（1981-） ，女，硕士研究生，湖南衡阳人，中国民用航空学院交通工程学院，主要研究方向：机电系统智能检测与控制技术。费玉龙（1980-） ，男，硕士研究生，新疆伊宁人，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，主要研究方向：检测技术与自动化装置。
19、通信地址：天津市中国民用航空学院研究生院北一公寓 402室 300300 李艳芳 Introduction of the authorsDing Fang (1960-), female, associate-professor, College of Traffic Engineering of Civil Aviation University of China, the mostly study field is sensors and detecting technology. Li Yanfang (1981-), female, master, College of Traffic
20、 Engineering of Civil Aviation University of China, the study aspect is intelligent inspection and control technology of the electromechanical system. Fei Yulong(1980-), male, master, School of Automation Science and Electrical Engineering Beihang University, Beijing, China , the study aspect is Measurement and Automatic Devices.
