PID液位控制

PID控制单容水箱液位及其相关阶跃响应曲线

（计控092 陈帆指导老师王勇）

摘要：在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC 控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。关键词：液位控制； PID控制；单容水箱

正文：液位控制是工业中常见的过程控制．它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征．能够很好地模拟工业过程特征，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的自动控制器。它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和使用面广等优点。1.1PID的简介

1.1.1PID控制器的应用与发展

在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理

论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结

构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制

器产生并发展于1915一1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不

断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优

点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。

PID控制器作为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、

使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广

泛的工业控制器。

PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研

究过程。最早的PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的简

称为z一N的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制

中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z一N公式，同时也提出了一种

考虑被控过程时滞大小的Cohen一Coon整定公式。

自Ziegler和Niehols提出PID参数整定方法起，有许多技术己经被用于PID

控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法

及智能PID参数整定方法;按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整

定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最

近研究的热点及难点;按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定

方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性

跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。

从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后

一段时间内研究和实践的重点:

(1)对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较

大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进

一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。

(2)对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著祸合的多变量过程的

多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所t需先

验信息量，使其易于在线整定。

(3)智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设

定有机结合，使其具有自诊断功能;结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家

系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进;将预测控制、

模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能。这些都是智能PID控

制发展的极有前途的方向。

1.12 PID的内容

PID控制是一种负反馈控制。ｐｉｄ控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PIｄ控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

P:比例调节

控制器的输出信号u与偏差信号e成正比例，即u=k c e。比例控制作用是最基本的，也是最只要的控制作用，它能比较迅速地克服干扰，适合干扰变化幅度小，自衡能力强，对象滞后小，控制质量要求不高的场合。

I:积分调节

控制器输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即du/dt=S0e.

PI:比例积分

u=k c e+S0∮t 0edt或u=1/δ（e+1/T i∮t 0edt）

式中：δ为比例度，可视情况取正或负值;Ti为积分时间。δ和Ti是比例积分控制器的两个重要参数。在工业要求静态无余差，控制对象容量滞后小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较慢的场合，可采用比例积分作用控制规律的控制器。一般来说，积分时间较小，积分作用强，消除余差的能力强，但系统的稳定性也相应下降。

D：微分调节

具有微分控制规律的控制器，其输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即