液位控制系统的积分分离PID控制器研究

　　1引 言

　　PID控制器问世至今已有近 70 年的历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID 控制技术已广泛地应用到过程控制系统、楼宇自动化等学科和领域，在理论和实际运用上都取得了引人注目的成果。当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合使用PID控制技术。它具有不依赖于控制对象的数学模型、简单实用等优点.^[1]本文设计出一种改进的 PID控制算法，实现了对典型一阶惯性纯延迟系统(液位控制系统)的控制。

　　2传统PID控制

　　在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称PID调节.^[2]PID控制的原理图如图 1 所示。简单地说，PID控制中各个环节的作用如下：

　　(1)比较环节：成比例地反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，立即产生控制作用，以减小偏差。

　　(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 TI，TI越小，积分作用越强。

　　(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

　　PID 控制规律：

　　3改进PID控制算法

　　传统 PID 控制中，引入积分环节的目的是消除稳态误差，提高控制精度。但液位控制系统在过程的开始、结束和大幅度增减给定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，积分环节对偏差的积累作用，会引起输出的过大超调，甚至系统的剧烈振荡。而这在液位控制系统中是绝对不允许的。

　　积分分离的基本思路：当系统给定值与输出值存在很大误差时，取消积分的作用，以免积分作用使系统的稳定性降低，超调量增大;当输出值接近给定值时，引入积分控制，消除静差，提高控制精度。具体实现步骤如下：

　　(1)根据实际情况，人为设定阈值 ε>0;

　　(2)当│error(k)│>ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应;

　　(3)当│error(k)│≤ε 时，采用 PID 控制，以保证系统的控制精度。积分分离控制算法可表示为：

　　根据积分分离 PID 控制算法得到其程序框图，如图 2 所示。

　　4实验结果及分析

　　本文改进的 PID 控制算法是一种积分分离式控制算法。液位控制系统是一种工业现场中常见的被控对象，为典型的一阶惯性纯延迟系统，具有如下的传递函数形式：