开关式放液液位控制系统的PLC超前修正PID控制方法.pdf

铷I 訇 化 开关式放液液位控制系统的P L C 超前修正P I D 控制方法 A P L C a d v a n c e d a d j u s t i n g P I D c on t r o l me t h o d o f s wi t c h t y p e t a p v a l v e l ev el cont r ol s ys t em 申辉阳。 ，申栋梁 SHEN Hu i y a n g。 ． SHEN Don g ． 1 i a n g 1 ． 广东机电职业技术学院 电气工程学院，广州 5 1 0 5 1 5 ；2 ． 邵阳纺织机械有限责任公司。 I] P lt 4 2 2 0 0 0 摘要本文提出了利用P L C 进行开关式放液液位控制系统的超前修正P I D 控制方法，采取超前修正 P I D 的输出及中间运算值 ，能实现在PID 调节器比例作用和积分作用都很强的情况下也可避免 系统超调，实践证明该控制方案在性能指标如超调量、稳定时间和稳态误差等方面，取得了 较为满意的结果。 关键词液位控制；可编程控制器；P I D 控制；控制方法 中国分类号T P 2 9 文献标识码B D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 4 下 ． 1 9 0 引言 某液位控 制系统如图 1 所示。放液 由电磁 阀 控制 ，通 过 对 电磁 阀 的控 制来 控制 放 液 阀的 开 闭 ， 放 液 电磁 阀是 开关 阀 ，因 此称 为开 关 式放 液 系统 。 当放液 阀打开时 ，储液 罐内液体经放 液 口放 出， 要求通过控制放液 阀的开启来精确控制放出液体 的高度，这种液位控制系统称 为开关式放液液位 控制 系统。放 液和补 液不 同时工作，在 放液 时， 抽液泵不工作，当放液完后，液位低于某个值时 抽液泵工作 向储液罐补充原液。所 以这种控制系 统又是封闭式液位控制系统。 图 1所示 系统 ，压力传感器装在放液管道上 ， 放液时对压力传感器 的影响很大。液位是靠压力 传感器检测的，理论上压力传 感器 的输 出信号与 液位高度成正比，放液阀关闭没有放液时 ，压力 信号能 正确 的反 映液位高 度，但在 放液过程 中， 由于 液 体 的 流动 对 压 力 产生 影 响 ，压 力 信 号 不 能 正确的反映液位高度，也就是，放液时压力传感 器反映的液位高度是要远远低于液位的实际高度， 这势必会影响到控制系统。 液位控制通常采用 P I D控制 ⋯，本文采用三菱 F X系列 P L C的 P I D功能 ，对这类控制系统提出超 前修正 P I D控制方法可以达到很好的控制效果。 1 P L C的P I D 指令 三菱 F X 系列 P L C为例 ，P L C的 P [ D指 令 如 图 2所 示 。 S l设 定 目标值 S V； S 2测量值 P V； S 3 S 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 4 下 一 0 0 6 6 0 3 放 图 1 液位控制 系统示意图 l x 0 0 6 ①⑧⑧⑤I H卜 { P I D D 2 0 D 3 0 D 6 0 0 D I 5 0 ] I l 目 标 值 s V测 定 制 P V参 数输 出 值 M V l 图2 F X系 J P L C 的P I D指令 3 2 4 P I D参数 ； D输出值 MV。 s 3 一 S 3 2 4 参数如下 S 3采用时 间 T s S 3 l动作方向 A C T S 3 2输入滤波常数 O 【 S 3 3比例 增益 K p S 3 4积分时间 T I S 3 5微分增益 K D S 3 6微分时间 T D s 3 7 一 s 3 1 9 P [ D运算的内部处理占用 S 3 2 0输入变化量上限报警设定值 S 3 2 1输入变化量下限报警设定值 3 2 2输出变化量上限报警设定值 S 3 2 3输出变化量下限报警设定值 3 2 4报警 输 出设 置 收稿 日期2 0 1 1 - 0 9 - 2 6 作者简介申辉阳 1 9 7 0一，男，副教授，高级工程师，硕士，研究方向为自动控制。 【 6 6 】 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 造 訇 化 2 通用P I D 控制 2 ． 1控制时序 放液阀是开关 阀，要么开 ，要么关 ，无法调 节开度的大 小。要实现放液流量的调节可以采用 定频调 宽模 式控 制，控制放液电磁阀在规定的时 间周期内导通 的时间来实现 流量 的控制。如果设 定周期为 4秒，用 D1 6 0的值控制每个周期中放液 阀导通 的时间，则放液阀的控制时序如图 3所示。 D1 6 0 l ms ON时间 I ● ． 4 4 0 0 0 ms 4秒 4 0 0 0 ms 秒 4 0 0 0 ms 周期 。 周期 周期 图3 放液 电磁 阀控制时序 图 2 ． 2 通用PI D 控制程序 可 以用 P L C的 P I D指令来实现每个周期内导 通时间的控制。 P L C通用 P I D控制程序如图4 所示。 限于 篇幅 ，图 4中程序初始化部分 省略了。在初 始化程序里设定 P I D采用时间、动作方 向为正动 作 H2 0 、输入滤波常数、输 入滤波常数 c c 、比 例增益 K p 、积分时 间 T I 、输 出上限 4 0 0 0 及输 出下限 0 等初始值 。 卜 _ 一R D3 A K 0 Kl D3 O 从模拟量通道读取液位测量值 XO O 6 T 4 0 H仁 P T D D 2 0 D 3 0 D 6 0 0 D I 6 0 开启P I D 到目标值 后封锁P I D P I D指令， D 2 0 为给定值 D1 6 O 为输出 K l D2 0 D3 0 T4 0 _ f T 4 O 放液到位，延时是确保可靠 M oV Ko Dl 6 O 放液到位后封锁P I D输出 K4 0 0 0 - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - T2 4 6 放液阀动作周期定时器 D 1 6 0 K30 0 防止开阔时 问过短 M 9 8 _ 一 ，仁 T 2 4 6 D1 6 0] _ _ 0 2 2 放液阀动作 图4 通用P I D控 制程 序 采用上述通用 P I D控制方法 ，可 以实现液位 的控 制，但 是对 P I D的参数设 定要求 高，P I D参 数对 系统性能 的影 响非常敏 感，比例 常数过大 ， 很容 易导致 超调， 比例常数 过小调节 时 间过长 ； 积分时 间过大 ，调节 时问长，积分时间过小易超 调。采用 这种通 用 的 P I D控制 系统性 能不理想。 为 了提高系统的性能，可 以采取超前修正 P I D控 制。传感器 的精度也会影 响控制 系统性能 ，直接 影响系统的稳定性，导致测量值和显示值的跳动 ， 这些是 ～D转换的临界值引起的。 2 ．3 传感器测量值防跳动处理方法 压力传感器将压力型号转换为液位高度信号 ， 由于 P L C的 A／ D转换器的精度限制 ，当 A ／ D转 换器 的数值 相差 1 ，换 成液位高度值就不一定是 1 ，可能相差 3 mm，液位稳定后，采集到的压力信 号在上下相差 1的两个值之 间跳动是正常的，由 于精度的限制 ，液位的显示值就会在相差 3 mm的 两个值之间跳动 ，给用户感觉很不好，同时也会 影 响到控制 精度，采用平均值滤波处理，就可 以 解决传感器 检测值 的跳动 问题。平均值处理程序 如图 5所示 ，程序 中巧妙 的利用了字左移指令 。 图 5所示 的程序中是计算了 1 0个值的平均值，因 为每个扫描 周期都执行 ，将计 算个数值再加大对 检查的实时性也 几乎没有影 响。采用这种处理方 法 后，测量值及显示值都平稳，进入稳态后几乎 没有跳动。 图5 传感器测量值 防跳动处理程序 3 超前修正P I D 控制 P I D正常运算时，当出现超调时 ， P I D的输 出 不会立即变为 0 ，而是通过运算逐渐降低。而在这 种封闭式控制系统 中，到达液位给定值 或当出现 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 [ 6 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 出 超调 时，要求立即停止输 出，因此需强行将 P I D 的输 出值清零。超前修正 P I D控制就是在实际值 到达 目标值许可的范围内时 ，强行修 改 P I D的运 算输 出值及运算中问值 。超前修正 P I D控制程序 如 图 6所示 。 放液时 ，由于液体 的流动使得压力检测信号 迅速减小 ，导致 瞬间测量的高度要远低于液位时 间高度 ，产生虚假超调现象 ，可通过图 6所示 T 4 0 延时处理 ，也就 是在虚假超调时不立即封 P I D的 输 出，这样可以缩短 系统 的调节时 间，同时避免 电磁阀开启过渡频繁。T 4 0的值尽量取小 ，不能取 得过大 ，否则，对 P I D运算过程的修正太晚达不 到效果 。在调试过程中 T 4 0的合理值很容易试出。 为 了保证 系统快速到达给定的控制高度，可 增加 P I D参数的 比例常数，减小积分时间，一般 情况 下比例常数过大、积分时 间过小 ，很容 易产 生超调。 由于 P I D运算，即使有超调 了，输 出值 也不 是立 即变 为 0而是逐渐变为零。对于这种不 允许超调 的系统。采取超前修正 P I D控制 法可 以 防止超调 ，将比例常数可 以取 大一点 ，积 分时 间 取小 一点，这样 系统调节时间短 ，采用 图 6所示 的超前修正控制方法 ，测量值 与 目标值给 定的高 度还 相差误差允许值时 ，就超前认为已经达到给 X0 0 6 I P I D D2 0 D3 O D6 0 0 D1 6 0 P I D 指令，D 2 0 为给定高度值，D 3 0 M S 0 0 0 为防抖动处珲后的渡位高度值 _ _ 一 S U B D 3 0 D 2 0 D 4 0 l L 一ZCP K一 2 K2 D40 M l 6 0 比较给定值和测量值之 问的偏 差 是 否在允 许的误差范围内 2 M 1 K3 误差诈 了去扰动 D l 6 0 D6l 9 对P 1 D运算的输出及中间预 算结果进行修 正，强制清零 T2 4 6 K4 O O O 放渡阀动作周期定时器 T2 4 6 D 1 6 O K2 0 0 防止开阀时 间过短 M 9 0 l D 1 6 0 T 2 4 6卜 _ 0 2 2 放渡阕动作 图6 超前修正P I D 控制程序 [ 6 8 1 第3 4 卷第4 期2 0 1 2 4 下 定高度 ，提前修 正 P I D的运算 中间值及输 出值， 强行将 P I D的输 出值及中间值清 0 ，这样避免了在 关闭阀时 ，管道内液体流动性改变对 测量值 的改 变，导致 P I D的输 出封锁立 即解除 ，本来液位高 度与 目标值 只差一点点了，由于前期的中间运算 值，加上比例和积分作用强 ，导致输 出值立即过 大而超调 ，如果将 P I D运算 的中间值清零 ，输 出 值会从零开始逐渐增加，达到开启值之 后才开启 放液阀，避免 了输出值过 大，一个周期内就放液 过多而导致超调。 采用超前修 正 P I D控制 ，可 以将 P I D参数的 比例常数取得较大、积分时 间取得较小来提高 系 统的动态性能 ，并且系统 的稳态性能也很好 ，并 且降低了 P I D参数值的对系统影 响的敏感度 ，提 高 了系统对 P I D的参数适 应性 ，很容易实现较好 的控制性能。调节到位后 ，P I D的输 出自动封锁 ， 无需切断 P I D控制。 所以采用这种控制方法 ，不 但性能提高，而且调试也非常容易。 4 结论 用 P L C控制 开关式放液液位控制系统 ，采用 超前修正 P I D控制方法，可 以大大提高系统的动 态性能和稳 态性能 ，使系统控制精度高、响应快 、 调节时间短、对 P I D参数 的适 应性强 ，并且设 定 P I D参数时 ，只要把握适当将比例作用和积分作用 加强的原则，很容易找到合理的 P I D参数值。 由 于超前修正 P I D的输 出及中间运算值，避免 了系 统超调。经实践验证，采用这种控制方法 ，P I D的 调节过程在很短 的时 间内就能完成，且能达到很 高的控制精度。该控制方法有很高的实用价值。 本 文是 用 P L C的 P I D功 能 来实 现 超 前修 正 P 1 D控制方法 ，在设计其他数字 P I D时 ，采用类 似 的原理 ，强行修正 P I D的运算结果输 出值及运 算中问值就能实现超前修正 P I D控制。该控制方 法适用封 闭式液位控制 系统 ，即在放液和补液不 同时进行的 系统 ，对于其他 系统如何进行 P I D修 正还得进一步研究。 参考文献 【 1 】梁耀光， 余文体． 电工新技术教程【 MJ ． 北京 中国劳动社 会保障出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】三菱电机． F X1 S F X1 N F X2 N F X2 NC 系列编程手册[ z 1 ． 2 0 06． 【 3 】三菱电机 ． F X系列特殊功能模块用户手册【 Z 】 ． 2 0 0 5 ． 纛 一 小 H I 毒 斛 l 砉 言 一 只 轻 一 标 前 一 目 超 一 与 为 一 值 作 测 值 ______●_}--j O 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m