基于PLC的液位控制系統的設計
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摘要
本文討論了過程控制的控制策略的發(fā)展，介紹了最為傳統的，也是現今應用最廣泛的PID控制，和先進控制算法，列舉了典型的先進控制算法-預測控制，同時提到了先進控制的發(fā)展方向智能控制，包括模糊邏輯控制，專家控制，神經網絡控制和魯棒控制。通過對這些控制算法的分析，對過程控制控制策略的發(fā)展進行了展望。
關鍵詞：古典控制理論；PID控制；先進控制；預測控制
1. 引言
過程控制通常是指石油、化工、冶金、輕工、紡織、制藥、建材等工業(yè)生產過程中的自動控制 ,它是自動化技術的一個極其重要的方面 ,它的發(fā)展與生產過程自身的發(fā)展緊密相關 ,經歷了一個由簡單到復雜、從低級到高級 ,并正向縱深發(fā)展的過程。從過程控制采用的理論與技術手段來看 ,可以粗略地把它劃為三個階段:開始到70 年代為第一階段 ,70 年代至 90 年代初為第二階段 ,90 年代初為第三階段開始。其中70 年代既是古典控制應用發(fā)展的鼎盛時期,又是現代控制應用發(fā)展的初期,90 年代初既是現代控制應用發(fā)展的繁榮時期,又是高級控制發(fā)展的初期。第一階段是初級階段 ,包括人工控制,以古典控制理論為主要基礎 ,采用常規(guī)氣動、液動和電動儀表 ,對生產過程中的溫度、流量、壓力和液位進行控制 ,在諸多控制系統中,以單回路結構、PID 策略為主,同時針對不同的對象與要求,創(chuàng)造了一些專門的控制系統。第二階段是發(fā)展階段,以現代控制理論為主要基礎,以微型計算機和高檔儀表為工具,對較復雜的工業(yè)過程進行控制。這階段的建模理論、在線辨識和實時控制已突破前期的形式,繼而涌現了大量的先進控制系統和高級控制策略,如克服對象特性時變和環(huán)境干擾等不確定影響的自適應控制,消除因模型失配而產生不良影響的預測控制等。這階段的主要任務是克服干擾和模型變化,滿足復雜的工藝要求,提高控制質量。第三階段是高級階段（1）,已經來到。從過程控制的發(fā)展過程來看，它是隨著控制策略的發(fā)展而發(fā)展的。
2. PID控制
在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中,PID控制是歷史最久生命力最強的基本控制方式。它簡單實用,易于實現,適用范圍廣,魯棒性好,在現今的工業(yè)過程中獲得了廣泛的應用.據統計,目前工業(yè)控制器中約有90%仍是PID控制器。PID控制器的設計及其參數整定一直是控制領域所關注的問題。其設計和整定方法得到國內外廣泛研究, 著名的如Ziegler-Nichols 法、基于內?？刂频姆椒?及基于誤差的積分的優(yōu)化方法?；谡`差的積分準則由于能較好地反映閉環(huán)系統的性能以及易于計算的原因,在 PID 優(yōu)化設計中被廣泛采用（2）。
2.1 PID控制發(fā)展歷程
PID控制技術的發(fā)展可以分為兩個階段。（3）20世紀 30年代晚期微分控制的加入標志著 PID控制成為一種標準結構,也是 PID控制兩個發(fā)展階段的分水嶺。第一個階段為發(fā)明階段 (1900～1940)PID控制的思想逐漸明確,氣動反饋放大器被發(fā)明儀表工業(yè)的重心放在實際 PID控制器的結構設計上。1940年以后是第二階段——革新階段。在革新階段, PID控制器已經發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應用的控制器。儀表工業(yè)的重心是使 PID控制技術能跟上工業(yè)技術的最新發(fā)展。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數字控制, PID控制的體積逐漸縮小，性能不斷提高。一些處于世界領先地位的自動化儀表公司對PID控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻,甚至可以說 PID控制器完全是在實際工業(yè)應用中被發(fā)明并逐步完善起來的。值得指出的是,1939年 Taylor儀器公司推出的一款帶有所謂“Pre act”功能的名為“Fulscope”的氣動控制器以及同時期 Foxboro儀器公司推出的帶有所謂“Hyper-re-set”功能的“Stabilog”氣動控制器都是最早出現的具有完整結構的 PID控制器。“Pre-act”與“Haper-re-set”功能實際都是在控制器中加入了微分控制。PID控制至今仍是應用最廣泛的一種實用控制器。各種現代控制技術的出現并沒有削弱 PID控制器的應用,相反,新技術的出現對于 PID控制技術發(fā)展起了很大的推動作用。一方面,各種新的控思想不斷被應用于 PID控制器的設計之中或者是用新的控制思想設計出具有 PID結構的新控制器PID控制技術被注入了新的活力。另一方面,某新控制技術的發(fā)展要求更精確的 PID控制,從而激活了 PID控制器設計與參數整定技術的發(fā)展(3)。
總結近年來 PID控制的發(fā)展趨勢,可以將 PID控制的發(fā)展分為兩個大方向:傳統 PID控制技術的繼續(xù)發(fā)展和各種新型控制技術與 PID控制的結合。傳統 PID控制的發(fā)展包括自整定技術,變增益控制和自適應控制。傳統 PID控制的發(fā)展可以改善 PID控制的效果,使 PID控制器的自動化程度和對環(huán)境的適應能力不斷提高。各種新型控制技術與 PID控制的結合包括新控制技術應用于 PID控制器的設計與整定之中或者是使用新的控制思想設計出具有PID結構的新控制器。諸如模糊控制、神經網絡等新型控制技術與 PID控制的結合擴大了 PID控制器的應用范圍,對于解決非線性和不確定系統控制等采用傳統 PID控制器難以有效控制的情況收到了很好的效果。
2.2 PID算法
在工業(yè)生產過程控制中,模擬量的PID(比例、積分、微分)調節(jié)是常見的一種控制方式,這是由于PID調節(jié)不需要求出控制系統的數學模型,至今為止,很難求出許多控制對象準確的數學模型,對于這一類系統,使用PID控制可以取得比較令人滿意的效果,同時PID調節(jié)器又具有典型的結構,可以根據被控對象的具體情況,采用各種PID的變種,有較強的靈活性和適用性。在模擬量的控制中,經常用到PID運算來執(zhí)行PID回路的功能,PID回路指令使這一任務的編程和實現變得非常容易 。如果一個PID回路的輸出 M (t)是時間的函數,則可以看作是比例項、積分項和微分項三部分之和，即：
式中 e——偏差；
Ti——積分常數；
Td——微分常數；
Kc——放大倍數（比例系數）
M0——偏差為零時的控制值，有積分環(huán)節(jié)存在，此項也可不加
以上各量都是連續(xù)量,第一項為比例項,最后一項為微分項,中間兩項為積分項。其中 e 是給定值與被控制變量之差,即回路偏差。Kc 為回路的增益。用數字計算機處理這樣的控制算式,連續(xù)的算式必須周期采樣進行離散化,同時各信號也要離散化,公式如下（3）:
式中 SP——給定值
PV——反饋值
Ts——采樣周期
2.3 PID參數整定
早期的參數整定都是手動整定,現場工程師通過一系列調節(jié)試驗繪制出過程的動態(tài)特性曲線或頻率響應曲線,再通過這些曲線由整定公式獲得 PID參數。整個過程費時費力,且對于現代過程工業(yè)中一些包含數百個 PID控制器的分散控制系統,手動整定顯然是不適合的。隨著現代電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展, PID控制器的自動整定技術也在近二十年來取得了長足的進步。自整定的發(fā)展減輕了控制工程師現場調試的工作量,節(jié)省了大量時間,整定結果更加可靠,并且使一些復雜但是更加精細的設計方法得以應用于實際工業(yè)控制過程(4)。
2.3.1 PID控制器的參數整定方法分類
PID控制器的參數整定方法可以分為以下三類[6,7]: ①非模型方法; ②非參數模型方法; ③參數模型方法。對于非模型方法,整定過程無需辨識過程模型或求出任何特殊頻率點。非參數模型方法只需使用部分模型信息,通常是穩(wěn)態(tài)模型和臨界頻率點。非參數模型方法通常不需要過程的初始信息,適合在線整定。參數模型方法需要辨識過程模型,適合離線的PID參數整定。參數模型方法又可以分為非最優(yōu)化方法、基于固定結構控制的最優(yōu)化方法和基于控制信號的最優(yōu)化方法。
對于 PID參數自整定方法,按工作機理劃分,可以分為基于模型的自整定方法和基于規(guī)則的自整定方法(8) ?；谀Ｐ偷淖哉ǚ椒òㄇ拔奶岬降姆菂的Ｐ头椒ê蛥的Ｐ头椒?基于規(guī)則的自整定方法相當于非模型方法。按自動程度劃分,可以分為全自動和半自動整定。全自動整定即所謂的“一鍵整定”,半自動整定需要在調節(jié)試驗開始之前向自整定控制器輸入一些初始信息。按其他的標準也可以分為常規(guī)方法和智能方法、線性和非線性方法、單變量和多變量方法等。
基于模型的自整定方法需要對模型進行辨識。參數模型辨識方法首先將過程假定為一種模型結構,再確定模型的參數。如果模型結構也無法完全確定,則需要使用一些結構辨識方法首先確定模型結構 (如模型的階次 )。參數模型辨識使用的方法有最小二乘法、梯度法、極大自然法。非參數模型辨識方法通過簡單的調節(jié)試驗獲得過程的階躍響應或頻率響應曲線,再由響應曲線的特征辨識過程的非參數模型。
基于規(guī)則的自整定方法無需獲得過程模型,整定的規(guī)則類似有經驗的操作者的手動整定?；谝?guī)則的自整定過程與基于模型的方法一樣,使用階躍響應、設定值響應或負載擾動等信息,觀測被控過程的特性,若被控量偏離設定值,則基于規(guī)則整定控制器參數 (9)。
3. 先進控制
先進控制是對那些不同于常規(guī)單回路控制,并具有比常規(guī) PID控制更好的控制效果的控制策略的統稱,而非專指某種計算機控制算法,但至今對先進控制還沒有嚴格的、統一的定義。盡管如此,先進控制的任務卻是明確的,即用來處理那些采用常規(guī)控制效果不好,甚至無法控制的復雜工業(yè)過程控制的問題。通過實施先進控制,可以改善過程動態(tài)控制的性能、減少過程變量的波動幅度,使之能更接近其優(yōu)化目標值,從而將生產裝置推向更接近其約束邊界條件下運行,最終達到增強裝置運行的穩(wěn)定性和安全性、保證產品質量的均勻性、提高目標產品收率、增加裝置處理量、降低運行成本、減少環(huán)境污染等目的。
先進控制的主要特點在于: ①與傳統的PID控制不同,先進控制通常是一種基于模型的控制策略,如模型預測控制。目前,專家控制、神經控制和模糊控制等智能控制技術正成為先進控制的一個重要發(fā)展方向; ②先進控制通常用于處理復雜的多變量過程控制問題,如大時滯、多變量耦合、被控變量與控制變量存在著各種約束等。先進控制是建立在常規(guī)單回路控制之上的動態(tài)協調約束控制,可使控制系統適應實際工業(yè)生產過程動態(tài)特性和操作要求; ③先進控制的實現需要足夠的計算能力作為支持。由于先進控制受控制算法的復雜性和計算機硬件兩方面因素的影響,早期的先進控制算法通常是在計算機控制系統的上位機上實施的。隨著DCS功能的不斷增強 ,更多的先進控制策略可以與基本控制策略一起在DCS上實現。后一種方式可有效地增強先進控制的可靠性、可操作性和可維護性（10）。
3.1先進控制策略
先進控制采用了合理的控制目標和控制結構,可更好地適應工業(yè)生產過程的需要。先進控制主要解決: ①個別重要過程變量控制性能的改善,主要采用單變量模型預測控制與原控制回路構成所謂的“透明控制”的方式; ②解決約束多變量過程的協調控制問題,主要采用帶協調層的多變量預測控制策略; ③推斷質量控制,利用軟測量的結果實現閉環(huán)的質量卡控制。涉及到的主要控制策略有:模型預測控制、推斷控制、協調控制、質量卡控制、統計過程控制,正在興起與開發(fā)中的模糊控制、神經控制、非線性控制和魯棒控制(11)。
3.1.1 預測控制
預測控制是直接從工業(yè)過程控制中產生的一類基于模型的新型控制算法,最初由Richalet和Cutler等人提出。由于它最大限度地結合了工業(yè)實際的要求,綜合控制質量高,因而很快引起了工業(yè)控制界以及理論界的廣泛興趣和重視.目前控制在理論和時間方面都取得了顯著的進展。
預測控制發(fā)展至今，已形成了公認的三大方法機理，即預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。一個控制算法，只有具備了這三項基本原則，才能稱之為預測控制。預測控制的機理表明預測控制是一種開放的控制策略。它體現了人們在處理帶有不確定性問題時的一種通用的思想方法（12）。
3.1.2 模糊控制
所謂模糊控制,就是在控制方法上應用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現與操作者相同的控制。表1給出了模糊控制和其他控制方法的比較，結果顯示模糊控制往往能在采用常規(guī)控制方法難以奏效的場合取得滿意的控制效果（13）。
4. 結論
綜上所述，過程控制的發(fā)展隨著控制策略的發(fā)展，控制策略又隨著人們的要求的日益提高而更進一步的發(fā)展。總的來說，控制策略的發(fā)展是低級向高級發(fā)展的，目前的發(fā)展方向是人工智能的方向，也許不久的將來，工業(yè)控制也可以實現完全的智能控制。
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