温控系统中改进的PID算法_何顶新(4)

温控系统中改进的PID算法电气传动 2007年 第37卷 第8期

3.4 给定值平移

控制的目的是使实际值实时跟踪给定值,但是对于一些实际系统,由于影响实际值的因素比较复杂,必须对给定值进行处理。比如在设计的温度控制系统中,化学反应产生热量,使温度升高,用户要求用冷却水控制温度,使温度能保持在给定恒定值。现场调试发现,冷却水的冷却惯性太大,与温度上升阶段相比,温度下跌很厉害。即使温度开始有下降的趋势就完全关掉冷却水,温度仍然下降许多。我们排除了比例系数Kp取值太大的影响因素,认为这是该系统本身特性决定的。

实验表明,如果从上位机输入给定值为60.5 ,则系统稳定后温度波动范围为59.8~60.8 ,则最低温度偏离给定值0.7 ,最高温度偏离0.3 。尽管温度绝对差值控制在1.0 ,但是用户要求控制波动范围为60.0~70.0 ,即最好围绕给定值上下对称波动,所以必须采取相应措施。

采用给定值平移的方法,即对用户传入的给定值SP进行修正,使实际参加运算的给定值变为SP ,从而满足了用户的要求。比如当用户从上位机传入的给定值是SP=60.5 时,则控制器PLC中参加PID运算的值SP =60.7 ,则可以控制温度范围为60.0~70.0 ,即修正值为+0.2 。

针对这个温度控制系统,作者对修正值为+0.2的通用性问题进行了实验,即分别从上位机传入低温段SP=40.0 和高温段SP=85.5 等不同值,结果表明,只要冷却水温度保持不变,则可以使温度基本上围绕给定值上下波动。

中积分环节部分用到了

变速积分 和 抗积分饱和 算法;微分部分用到了上文提到的 活用微分项 算法。整个PID控制框架图如图3所示。

图3 改进PID控制算法框架

5 结论

虽然现在有很多新型的控制器出现,但是由于PID控制器的简单实用,依然在工业控制上广泛应用。PID控制的精髓就是利用P环节的快速性,利用I环节消除稳态误差,利用D环节 超前 抑制误差的变化。但是由于实际工程的控制对象不同,不能局限于传统的PID算法。因此对PID算法进行改进很有必要。本文结合实际的工程项目,对算法进行了研究,并应用于实际中去,取得了显著效果。值得一提的是,因为PID算法是线性算法,所以它的适应性和鲁棒性还有待改善。本次项目中,冷却水的温度是随着季节改变的,所以我们要求在控制前,用户将冷却水温度控制在某给定值,并将工业现场的控制系统进行了改装。随着模糊控制、预测控制和专家控制算法的深入研究,控制领域将会出现新的景象。

参考文献

1 陶永华,尹怡欣.新型PID控制及应用.北京:机械工业出版社,1998

2 蔡行健,黄文钰.深入浅出西门子S7-200PLC.北京:北京航空航天大学出版社,2003

收稿日期:2006-05-17修改稿日期:2007-03-08

4 改进PID控制算法总体结构

基于以上对PID控制算法的分析和改进算法的研究,具体到我们设计的温控系统中,采用的

PID控制算法输出表达式如下:

U(k)=Kp E(k)+f[E(k)] Ki

E(k)+Mi(k-1)+Kd T(k-1)/T(k)

首先要说明的是,采用位置式PID控制算法,采样周期为1s。程序中先对从上位机传到PLC控制器的温度设定参数SP进行修正,程序中SP =SP+0.2,则将SP 作为参加PID运算的温度给定。接着分别对比例环节,积分环节和微分环节进行计算,最后叠加控制输出U(k)。其