封闭式液位控制系统的PLC分段PID控制方法.pdf

测控技 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 0 9 封闭式液位控制系统的P L C分段P l D控制方法 申辉阳 ，申栋梁 1 ． 广东机电职业技术学院 电气工程学院， 广东广州 5 1 0 5 1 5 ；2 ． 邵阳纺织机械有限责任公司， 湖南邵阳4 2 2 0 0 0 摘要提出了利用P L c 进行封闭式液位控制系统的分段P I D 控制方法，针对封闭式液位控制系统只要超调就无法回到给定高度 的 特殊性， 为保证系统不超调、 调节时间短， 采用分段P I D 控制， 根据实际 值与给 定值的 偏差大小， 在不同的 范围内 采用不用 萋 的P I D参数 ，可以提高系统的动态和稳态性能 。 关键词 液位控制 ；可编程控制器 ；P I D控制 ；控制方法 中图分类号 rr P 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 2 0 20 0 3 1 0 3 A PLC S e g me n t a t i o n PI D Co n t r o l M e t h o d o f En c l o s e d Le v e l Co n t r o l S y s t e m S HEN Hu i y a n g ， S HEN Do ng l i a ng 1 ． De p a r t me n t o f E l e c t r i c al E n g i n e e ri n g ，Gu a n g d o n g Vo c a t i o n a l C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t ri c a l T e c h n o l o g y， Gu a n g z h o u 5 1 0 5 1 5 ，C h i n a ；2 ． S h a o y a n gT e x t i l eMa c h i n e r yC o ． ，L t d，S h a o y a n g4 2 2 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t A PL C s e g me n t a t i o n P I D c o nt r o l me t h o d o f e n c l o s e d l e v e l c o n t r o l s y s t e m i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ． I n v i e w o f t h e p a r t i c u l a r i t y o f e nc l o s e d l e v e l c o n t r o l s y s t e m，t h e l e v e l o f c o n t r o l s y s t e m c a n’t r e t u r n t o t h e r e q ui r e d h y d r a u l i c l e v e l S O l o n g a s t h e r e i s a n y o v e r s h o o t ． I n o r d e r t o e n s u r e n o o v e r s h o o t a n d s h o r t a d j u s t i n g t i me ，t h e s e g me n t a t i o n P I D c o n t r o l me t h o d i s f e a s i b l e ． A c c o r d i n g t o t h e g a p b e t w e e n t h e p r a c t i c a l v a l u e a n d t h e g i v e n v a l u e， t h e PI D p a r a me t e rs a r e d i f f e r e n t i n d i f f e r e n t r a n g e s ， wh i c h c a n i mpr o v e d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n d s t e a d y s t a t e p e rfo rm a n c e o f t h e c o n t r o l s y s t e m． Ke y wor d s l e v e l c o n t r o l ； PL C； P I D c o n t r o l ； c o n t r o l me t h o d 1引言 某液位控制系统如图 1 所示。抽液泵的抽液 流量是可以控制的，通过标准的模拟量信号控制 抽液泵控制器 ，改变控制信号的大小就可控制 向 放 储 液 罐 ‘ 、 抽 液 ∞Ⅱ■ } [ --1 压力传感器 图 1 液位控制系统示意图 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 8 储 液罐 中注入液体 的流量。开启放液电磁 阀，储 液罐中的液体经放液口流出。每次液体放出后需 要向储液罐补充液体到规定的高度，实现液位控 制。如果在补充液体 的过程中 ，储液罐下面的放 液阀是关闭状态 ，即液体只流人不流出 ，这种系 统就是封闭式液位控制系统。 如果是开放式系统 ，也就是补液与放液 同时 进行 ， 要实现液位控制，采用通用的P I D控制” 就 容易实现液位控制。封闭式液位控制系统不允许 有超调 ，因为一旦调液位 超过 了高度 ，由于在泵 人 液体 的过程中放液 阀是关 闭的，那 么在调节过 程中，超调后无法回到设定的液位高度。对于这 种系统，采用通用的P I D控制难达到系统的控制 要求，比例和积分过强很容易超调，过弱则调节 时间很长 。而采用分段式 P I D控制可 以提高控制 系统性能 ，达到调节时间短且无超调性能。 2 P L C的 P I D指令 以三菱 F X系列 P L C为例 ，P L C的P I D指令 】 如 图 2 所示 。 I X 0 0 6 卜 _ [ ⑧⑧⑨①l P I D D 2 0 I 3 0 D 6 O O D 1 5 0 H 目 标值 测量值 参数 输出 值 l 图2 F X系列 P L C的 P I D指令 S 1 设 定 目标值 S V ；s 2 测量 值 PV ；s 3 ～ S 3 2 4 P I D 参数；D 输出值MV 。 S 3 ～ S 3 2 4 参数如下 S 3 采用时间T s； S 3 1 动作方向A C T； S 3 2 输入滤波常数O L ； S 3 3 比例增益 ； 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 ～ S 3 1 9 P I 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 ； S 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 ； S 3 2 4 报警输 出设置。 3 通用 P l D控制 3 ． 1 通用 P I D控制程序 通用P I D 控制程序如图3 所示，液位高度检测 信号及抽液泵 的控制信号是通过 P L C模拟量模块 F X O N 一 3 A t 3 1 的输 入输 出通道来传递 的 ，采用模 拟 量通道读写指令来实现 1 。设定好采样时间 、P I D 动作方 向 逆动作 、输入滤 波常数 、P I D参数 、 输 出上下限等参数 ，执行 P I D指令 就可实现液位 控制。程序中P I D 初始化参数值仅供参考 ，具体 值根据实际情况设定[ 2 1 。 3 ． 2 P I D参数对 系统性能的影响 将 P I D参数 中积分时间及微分时间设为0 ，只 设定比例增益 ，P I D控制就成为了P 控制 ，比例 比 例增益 越大 ，系统调节时间越短 ，但 系统稳定 性越差 ，超调量越大。 将 P I D参数 中微分时间设为0 ，设定比例增益 积及积分时间，P I D 控制就成为了P I 控制，比例 图 3 通用 P I D控制程序 增益 越大 ，系统调节时间越短 ，但 系统稳定性 越差，超调量越大。积分时间”的值越大，积分 作用越 弱 ，系统调节 时间越长 ，越不容易超调 。 对本文提到的液位控制系统 ，系统对P I D参数非 常敏感， 值过大、”值过小 ，系统很容易超 调 ，由于是封 闭式系统 ，一旦超调 ，液位就无法 调节 回来 ，超调量超过许可的上限 ，则整个液位 控制失败；如果 值过小、”值过大，系统不易 超调 ，但是调节时间长 ，动态性能不好。 3 ． 3 液位显示校正方法 液位高度通过压力传感器将标准信号送到 P L C的模 拟量 输人 模块 转换 成数 字量 ，压 力越 高，液位越高，转换成的数字量与液位值存在一 一 对应 的关 系 。液位 显示要 与实 践 的液 位值一 致 ，如果不一致 ，则需要进行液位显示校正 ，可 采用线性变换 的方式进行转换校正。例如 如果 测量值 的范 围是 2 O一1 2 0 ，对 应的液位显示刻 度 为 0～2 2 0 m m，则需要通过线性变换将 2 0～1 2 0 映射成 0 ～2 2 0 ，可采用如下方法。 设测量值 为 自变 量 ，液位显示值 为因变量 ， 从测量值到显示值的映射方程为y a x b ，两点 决定一条直线 ，把上下两个特殊点的值 2 0 ， 0 、 1 2 0 ， 2 2 0 代人到方程得到方程组 f 02 0 a6 1 2 2 o 1 2 0 0 6 解方程组得 a 2 ． 2 ，b - 4 4 。 所以，从测量值到显示值的映射方程为 Y2． 2 x 一 44。 4 分段 PI D控制 4 ． 1 分段 P I D控制程序 由于该封闭式液位控制系统的特殊性 ，采用 上述的P I 控制方法，无论怎样设置参数 ，系统性 能都不理想 ，要么超调量过大，要么控制时间过 长。如果 采用分段 P I D控制 ，当偏差较 大时 ，将 比例作用和积分作用增强 ，当偏差较小时 ，将 比 例作用和积分作用减弱 ，即实际值与给定值的 差较大时， 值取大一点， 值取小一点；当实 际值与给定值的差较小时 ， 值取小一点 ，T ／ 值 取大一点 ，这样可 以提高系统 的控制性能。分段 P I D控制程序如图4 所示 。 H } - - _ ． 1 s u B D 2 0 D 3 0 D 4 0 l 计 算实际 值与目 标值之间的偏差 卜 [ _ D 4 o K 1 2 ] M O V K 4 5 0 o D 6 o 3 f 偏 差 较 大 时 设l l 计 一 种 lI参 数 L_厂 M 0 一v． K l0 D [14． I L n嘎U K lI- _J l L D 4 o K l 2 M M O V K 3 0 0 0 D 6 o 3 I 偏 差 较 小 时 I l 改 变 P I参 数 L _r M O V K I2 0 D 6 0 4 I xo 0 6 。 H P I D D 2 0 D 3 0 D 6 0 0 D I 5 0 P I D 进行液位控制 图 4 分段 P I D控制程 序 上述程序只分 了两段 ，根据实际情况可 以再 多分几段 ，分段点及每个分段 的P I D参数 经现场 调 试视 实 际情 况 而定 。多 段 P I D控 制很 容 易实 现 ，比单段 P I D控制的性能明显优越 。 4 ． 2防干扰措施 只要液位没有到 ，还有一点偏差 ，P I D就会 自动调节，但如果偏差值非常小，已经达到偏差 许可的范围内，P I D控制由于有积分的存在 ，输 出值会慢慢增大 ，最终达到能驱动抽液泵 补充液 位 ，但时间可能需要较长 ，补液时很可能会补充 过多导致超调 ，所 以该系统达 到稳定时 ，基本上 是超调的 ，但在偏差许可的范围内。 如果 系统 已经稳定 ，并且有少量超调 ，如果 压力传感器等有干扰 ，有可能会出现已经超调还 补液现象，为了避免这种情况 ，达到稳定后 ，通 过 自动封锁 P I D输出就可解决这种 问题 ，用下 限 值取代P I D 输出值即封锁了P I D 输出，P L C 程序如 下 ，注意 ，封锁 P I D输 出的程序要放在 P I D指令 后。程序如图5 所示。 图 5 防止 干扰措施程序 液位达到或超过 目标值延时后再封锁是因为 液位可能存在波动，当液位接近 目 标值时，由于 波动很容易导致瞬间液位测量达到 目标值 ，但没 有真 正达到 目标值 ，采用 延 时可 以避免 这种情 况 ，延时时间不能过长 ，可视调试 过程 中的具体 情 况设置 。如果液位低于 目标值 则要解 除封锁 ， 延时是为了提高可靠性。 5结论 利用 P L C的P I D指令 可以进行 液位控制 ，封 闭式液位控制系统只要超调就无法回到给定高度 的特殊性 ，采用普通 P L C控制 ，要使不超调 ，则 调节时间较长 ，很难满 足系统性能要求 ，采用分 段 P I D控制 ，根据实际值与给定值的偏差大小 ， 在不 同的范 围内采用不用 的 P I D参 数 ，可以改善 系统的性能，提高响应速度，缩短调节时间。 采用分 段 的 P I D控制 ，P L C编程 实现 简单 。 经过实践证 明 ，系统的稳态性和动态性能明显 比 通用的单段P I D 控制好，有较好的应用价值。 参考文献 [ 1 ]梁耀光，余文体． 电工新技术教程 [ M]． 北京中国 劳动社会保障出版社，2 0 0 7 ． [ 2 ]三菱 电机． F XI S F XI N F X 2 N F X 2 N C系列编程手册 [ Z ]． 2 0 0 6 ． [ 3 ] 三菱 电机． F X系列特殊功 能模 块用 户手册 [ Z ]． 20 o5． [ 4 ]朱志伟，赵绍昕，王刚，等． 快速刀具伺服分数阶P I D 控制仿真的研究 [ J ]． 机电工程，2 0 1 0 8 6 9 ． 第一作者简介申辉阳，男 ，1 9 7 0 年生 ，湖南邵阳人 ，硕 士 ，高级工程 师 ，副教授。研究领域 传动与 自动控 制。 编辑 向飞