基于PLC的液位PID控制

刘洪林

（江西水利职业学院，江西 南昌 330013）

在工业生产中，对温度、压力等连续变化模拟量的控制通常采用闭环控制方式。比例-积分-微分控制，简称PID控制，是一种过程控制方式，它不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，在定值控制中比较有代表性的是液位定值控制。基于PLC的液位定值控制的关键在于PID指令的参数设置。本文以液位控制为例研究PLC的指令参数设置的PID程序设计和系统分析。PID是Proportion Integral Differentiation的缩写。

1 PID控制简介

PID是以它包涵的P（比例）、I（积分）和D（微分）三种纠正算法来命名的。表面上这三种算法都是采用加法的方式去调整被控制数值，实际上因为被加数总是负值，这就使所述的加法运算变成了减法运算。

（1）比例。用以进行当前的控制，是一个负常数P与误差值相乘，所得的积和预定的值相加。P仅仅是在系统的误差与控制器的输出成比例的时候才成立。这种控制器的输出变化与输入的偏差成比例关系。例如，某电热器的控制器比例尺范围是10°C，其预定值为20°C.于是在10°C时会输出100%，在15°C时会输出50%，在19°C时输出10%，另外应该注意到，在误差为0时输出也是0.

（2）积分。用以进行过去的控制，误差值是过去一段时间所积累的误差的总和与一个负常数I的乘积，再加上预定的误差值。I从过去的平均误差值搜选到系统输出结果和预定值的平均误差。如果仅仅是一个简单的比例系统，那可能会在预定值的附近来回变化，其原因是系统无法消除多余的纠正。在系统中加上一个负的元素：平均误差比例值，就会使系统误会振荡差值总是减少，迫使这个PID回路系统最终会安静为在预定值。

（3）微分。用以控制将来，计算误差的一阶导数乘以一个负常数D，最后和预定值相加。导数的结果越大，控制系统对输出结果作出的反应越快。所述的负常数D，对减少控制器短期的变化很有帮助。实际上速度缓慢的系统可以省略D参数。换言之，一个PID控制器可以看成一在频域系统的滤波器。数值如果挑选不当，就会引起控制系统的输入值反复振荡，严重时会导致永远无法达到预设值[1-2]。

2 三菱PLC的PID指令

一般在启动的时候就执行PID指令，所以指令输入采用M8000，指令形式如图1所示。

图1 FX系列PLC的PID指令

S1为目标值，在液位定值控制中一般是给定的液位值；S2是测量值，取值的时候可以直接取信号传感器的模拟量进行A/D转换，也可以经过数据处理后移入；S3是参数设定；D是控制量输出，也就是经过PID计算后的输出值[3]，利用输出值进行控制，最后使液位稳定在目标值。

S3的设定是PID控制的关键，S3指定的首元件开始的25个数据寄存器设定PID控制参数。S3设定的是采样时间，范围是1 ms~32 767 ms；S3+1设定动作方向等；S3+2设定输入滤波参数，范围0~99%；S3+3设定比例增益，范围是1~32767%；S3+4设定积分时间，范围0~32 767×100 ms；S3+5设定微分增益，范围是1~100%；S3+6设定微分时间，范围3~32 767×10 ms.

3 基于PLC的液位PID控制

3.1 液位控制的基本任务

如图2所示，是一个双容双泵水箱系统，由PLC控制变频器从而控制水泵运行，液位高度取决于两台水泵的运行状态，由于变频器驱动水泵抽水存在惯性环节，所以PLC控制采用PID指令，两台水泵在变频器的驱动下交替运行，当水位出现扰动或设定值改变时实现将某一水箱的水位精准定位于设定值。

图2 双容水箱实验系统

3.2 液位控制系统基本组成及工作原理

如图3所示为液位控制系统的基本组成。超声波液位信号器获取得模拟液位信号，通过模数转换器转换成数字量后送给PLC.PLC经过PID计算分析后形成数字量指令，经数模转换成模拟量后输出，去控制水泵的驱动变频器。

图3 液位电气控制系统

在实际实验中，选用FX2N-48MR型PLC，FRE740变频器，FX2N-2A/D及FX2N-2D/A模块，按照预定液位对应的数字量作为设定值，采用FXN-48MR的PID指令实现液位精准控制。

3.3 液位控制系统参数设定要求及程序设计

液位控制系统程序设计包含测量值采样、输出值初始化及与设定值比较、PID指令三个主体部分，程序设计框图如图4所示。

图4 程序设计框图

如图5所示为液位控制PID指令部分的梯形图程序。

图5 液位控制PID指令部分的梯形图程序

控制系统设计的核心内容是PID控制器的参数整定。一般采用临界比例法，根据被控过程的特性来确定PID控制器的各项参数，即比例系数、积分时间和微分时间。图6所示为利用临界比例法进行PID控制器参数整定的步骤。

图6 利用临界比例法进行PID控制器参数整定

实验中，D0为目标值，对应给定目标液位，给定260；D100为A/D模块输出值（即测量值）；D200表示采样时间，程序设定为100 ms；D201设定动作方向为逆动作，D202设定为50%滤波（对于液面波动效果不错）D203设定比例增益为300%（略高）；D205设定微分增益30%（对于水泵控制液面具有延迟环节，一般可以不用）；D206设定微分时间0.2 S.以上参数设定经过两个周期液位达到给定值。

4 结束语

实验证明，PID控制集比例、积分、微分三者之长，既及时迅速，又能消除余差，还有超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度抑制偏差；同时，比例也起消除偏差的作用，减小偏差幅度。在这里，持久地起主要作用的是比例控制规律，这是使系统稳定的根本；缓慢地起克服余差作用的是积分控制规律。只有三个作用的控制参数选择得当，才能充分发挥三种控制规律的优点，控制效果才会达到较为理想的状态。

[1]陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]姚振群，杨东方.PLC闭环控制系统中PID控制器的实现[J].现代机械，2005（4）：64-66.

[3]三菱自动化工程公司.可编程序控制器FX2N使用手册[M].上海：三菱自动化工程公司，2005.