基于PLC的液位PID控制

劉洪林

（江西水利職業學院，江西 南昌 330013）

在工業生產中，對溫度、壓力等連續變化模擬量的控制通常采用閉環控制方式。比例-積分-微分控制，簡稱PID控制，是一種過程控制方式，它不需要精確的控制系統數學模型，有較強的靈活性和適應性，在定值控制中比較有代表性的是液位定值控制。基于PLC的液位定值控制的關鍵在于PID指令的參數設置。本文以液位控制為例研究PLC的指令參數設置的PID程序設計和系統分析。PID是Proportion Integral Differentiation的縮寫。

1 PID控制簡介

PID是以它包涵的P（比例）、I（積分）和D（微分）三種糾正算法來命名的。表面上這三種算法都是采用加法的方式去調整被控制數值，實際上因為被加數總是負值，這就使所述的加法運算變成了減法運算。

（1）比例。用以進行當前的控制，是一個負常數P與誤差值相乘，所得的積和預定的值相加。P僅僅是在系統的誤差與控制器的輸出成比例的時候才成立。這種控制器的輸出變化與輸入的偏差成比例關系。例如，某電熱器的控制器比例尺范圍是10°C，其預定值為20°C.于是在10°C時會輸出100%，在15°C時會輸出50%，在19°C時輸出10%，另外應該注意到，在誤差為0時輸出也是0.

（2）積分。用以進行過去的控制，誤差值是過去一段時間所積累的誤差的總和與一個負常數I的乘積，再加上預定的誤差值。I從過去的平均誤差值搜選到系統輸出結果和預定值的平均誤差。如果僅僅是一個簡單的比例系統，那可能會在預定值的附近來回變化，其原因是系統無法消除多余的糾正。在系統中加上一個負的元素：平均誤差比例值，就會使系統誤會振蕩差值總是減少，迫使這個PID回路系統最終會安靜為在預定值。

（3）微分。用以控制將來，計算誤差的一階導數乘以一個負常數D，最后和預定值相加。導數的結果越大，控制系統對輸出結果作出的反應越快。所述的負常數D，對減少控制器短期的變化很有幫助。實際上速度緩慢的系統可以省略D參數。換言之，一個PID控制器可以看成一在頻域系統的濾波器。數值如果挑選不當，就會引起控制系統的輸入值反復振蕩，嚴重時會導致永遠無法達到預設值[1-2]。

2 三菱PLC的PID指令

一般在啟動的時候就執行PID指令，所以指令輸入采用M8000，指令形式如圖1所示。

圖1 FX系列PLC的PID指令

S1為目標值，在液位定值控制中一般是給定的液位值；S2是測量值，取值的時候可以直接取信號傳感器的模擬量進行A/D轉換，也可以經過數據處理后移入；S3是參數設定；D是控制量輸出，也就是經過PID計算后的輸出值[3]，利用輸出值進行控制，最后使液位穩定在目標值。

S3的設定是PID控制的關鍵，S3指定的首元件開始的25個數據寄存器設定PID控制參數。S3設定的是采樣時間，范圍是1 ms~32 767 ms；S3+1設定動作方向等；S3+2設定輸入濾波參數，范圍0~99%；S3+3設定比例增益，范圍是1~32767%；S3+4設定積分時間，范圍0~32 767×100 ms；S3+5設定微分增益，范圍是1~100%；S3+6設定微分時間，范圍3~32 767×10 ms.

3 基于PLC的液位PID控制

3.1 液位控制的基本任務

如圖2所示，是一個雙容雙泵水箱系統，由PLC控制變頻器從而控制水泵運行，液位高度取決于兩臺水泵的運行狀態，由于變頻器驅動水泵抽水存在慣性環節，所以PLC控制采用PID指令，兩臺水泵在變頻器的驅動下交替運行，當水位出現擾動或設定值改變時實現將某一水箱的水位精準定位于設定值。

圖2 雙容水箱實驗系統

3.2 液位控制系統基本組成及工作原理

如圖3所示為液位控制系統的基本組成。超聲波液位信號器獲取得模擬液位信號，通過模數轉換器轉換成數字量后送給PLC.PLC經過PID計算分析后形成數字量指令，經數模轉換成模擬量后輸出，去控制水泵的驅動變頻器。

圖3 液位電氣控制系統

在實際實驗中，選用FX2N-48MR型PLC，FRE740變頻器，FX2N-2A/D及FX2N-2D/A模塊，按照預定液位對應的數字量作為設定值，采用FXN-48MR的PID指令實現液位精準控制。

3.3 液位控制系統參數設定要求及程序設計

液位控制系統程序設計包含測量值采樣、輸出值初始化及與設定值比較、PID指令三個主體部分，程序設計框圖如圖4所示。

圖4 程序設計框圖

如圖5所示為液位控制PID指令部分的梯形圖程序。

圖5 液位控制PID指令部分的梯形圖程序

控制系統設計的核心內容是PID控制器的參數整定。一般采用臨界比例法，根據被控過程的特性來確定PID控制器的各項參數，即比例系數、積分時間和微分時間。圖6所示為利用臨界比例法進行PID控制器參數整定的步驟。

圖6 利用臨界比例法進行PID控制器參數整定

實驗中，D0為目標值，對應給定目標液位，給定260；D100為A/D模塊輸出值（即測量值）；D200表示采樣時間，程序設定為100 ms；D201設定動作方向為逆動作，D202設定為50%濾波（對于液面波動效果不錯）D203設定比例增益為300%（略高）；D205設定微分增益30%（對于水泵控制液面具有延遲環節，一般可以不用）；D206設定微分時間0.2 S.以上參數設定經過兩個周期液位達到給定值。

4 結束語

實驗證明，PID控制集比例、積分、微分三者之長，既及時迅速，又能消除余差，還有超前控制功能。當偏差階躍出現時，微分立即大幅度抑制偏差；同時，比例也起消除偏差的作用，減小偏差幅度。在這里，持久地起主要作用的是比例控制規律，這是使系統穩定的根本；緩慢地起克服余差作用的是積分控制規律。只有三個作用的控制參數選擇得當，才能充分發揮三種控制規律的優點，控制效果才會達到較為理想的狀態。

[1]陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]姚振群，楊東方.PLC閉環控制系統中PID控制器的實現[J].現代機械，2005（4）：64-66.

[3]三菱自動化工程公司.可編程序控制器FX2N使用手冊[M].上海：三菱自動化工程公司，2005.