變速積分PID算法在空氣壓縮機(jī)壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變速積分PID 算法在空氣壓縮機(jī)壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用潘春月, 陳齊貴12(1. 溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程系, 浙江 溫州 325035; 2. 溫州國(guó)際會(huì)展中心, 浙江 溫州 325000摘要:介紹了以單片機(jī)AT89C51為核心的變速積分PID 控制的壓力控制系統(tǒng), 給出了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:變速積分; 壓力控制系統(tǒng); 單片機(jī); PID 控制中圖分類號(hào):TP273 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1003 7241(2005 07 0030 03PID With Variable Integral Action and ItsApplicati

2、o n to Air Co m pressor Pressure Co ntro lPAN Chun _yue , Chen Qi gui12(1. Dept of Elec and Elct Engin , Wenzhou Vocational &Technical College, Wenzhou 325035, China;2. Wenzhou International Exhibition Centre, Wenzhou 325000, ChinaAbstract :The application of PID with variable integral action to

3、 air compressor pressure control is introduced It is based on a single chip microcomputer AT89C51 The desi gn of hardware and solfware are introduced too Practical application shows that this system has many advantagesKey words :Variable Integral action; Pressure control system; Single chip microcom

4、puter; PID control1 引言空氣壓縮機(jī)的壓力控制系統(tǒng)一般采用二位式控制方式, 因而壓力穩(wěn)定性較差。本文介紹以單片機(jī)AT89C51為核心器件構(gòu)成的壓力控制系統(tǒng), 它具有調(diào)試簡(jiǎn)單、測(cè)控精度高、成本低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。模擬信號(hào)控制變頻器的輸出頻率, 以此調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速, 使空氣壓縮機(jī)的排氣量隨著車間用氣量的變化而改變, 從而保證管網(wǎng)的壓力恒 定。圖1 壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 系統(tǒng)組成2 1 壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理1-22 2 參數(shù)檢測(cè)與信號(hào)處理電路壓力測(cè)量選用YTZ-150型遠(yuǎn)傳壓力表, 測(cè)量范圍為01 0MPa, 輸出為電阻信號(hào), 阻值的變化范圍為0400 。采用遠(yuǎn)傳

5、壓力表價(jià)格較便宜, 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單, 但不同壓力傳感器一致性差, 調(diào)試比較麻煩。壓力檢測(cè)與信號(hào)處理電路如圖2所示。運(yùn)放IC1、基準(zhǔn)電壓源-V 及電阻R1R4組成恒流源, 向遠(yuǎn)傳壓力表的輸出電阻RX 提供1mA 的恒定電流, 將壓力表的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷簤毫﹂]環(huán)控制系統(tǒng)的硬件由壓力傳感變送器、交流變頻調(diào)速器、空氣壓縮機(jī)、單片機(jī)及相關(guān)控制電路組成, 原理框圖如圖1所示。壓力傳感變送器將管網(wǎng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給A D 轉(zhuǎn)換單元, 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送單片機(jī), 單片機(jī)按一定的控制規(guī)則運(yùn)算處理后輸出數(shù)字信號(hào), 經(jīng)D A 轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成收稿日期:2005-01-2230| iq to mat

6、 io 信號(hào), 經(jīng)高靈敏度運(yùn)放IC2同相放大后輸出05V 直流電壓信號(hào)送計(jì)算機(jī)系統(tǒng)A D 轉(zhuǎn)換卡。限幅穩(wěn)壓管D1可防止電壓過高損壞A D 卡。由于遠(yuǎn)傳壓力傳感器的一致性差, 因此不同傳感器的放大器零點(diǎn)和滿刻度須單獨(dú)分別調(diào)整。=180s; 微分時(shí)間:T D =180s; 比例系數(shù):K P =5; 積分系數(shù):K I =K P T T I =1; 微分系數(shù):KD =K P T D T=8。3 2 變速積分PID 控制算法在傳統(tǒng)的PID 算法中, 積分增益K I 為常數(shù), 在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中其值不變。但實(shí)際上系統(tǒng)要求:偏差大時(shí), 積分作用應(yīng)減弱, 否則會(huì)產(chǎn)生超調(diào), 甚至出現(xiàn)積分飽和; 偏差小時(shí), 積分作

7、用應(yīng)加強(qiáng), 否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求。引進(jìn)變速積分PID 控制算法4能使控制性能得到滿足。其基本思路如下:偏差大時(shí), 積分累積速度慢, 積分作用弱; 偏差小時(shí), 積分累積速度快, 積分作用圖2 壓力檢測(cè)及信號(hào)處理電路圖空氣壓縮機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、大功率的電機(jī)、交流變頻調(diào)速器、電源電壓波動(dòng)等引起的電磁干擾比較嚴(yán)重。因此, 檢測(cè)儀表和布線應(yīng)盡量避開強(qiáng)電磁場(chǎng), 傳感器應(yīng)采用高精度電源供電。強(qiáng)。為此, 設(shè)置系數(shù)fE(k , 它是偏差E(k 的函數(shù), 當(dāng)E(k 增大時(shí), fE(k 減小; 反之則增大。每次采樣后, 用fE(k 乘E(k , 再進(jìn)行累加:k -1P I (k =K I j =1#E (j +f

8、E(k E(k (1式中:P I (k 表示變速積分的輸出值。3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)3 1 PID 參數(shù)的優(yōu)化系統(tǒng)采用遺傳算法離線優(yōu)化PID 參數(shù)。遺傳算法(GA 是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法, 它將待求解問題轉(zhuǎn)換成由個(gè)體組成的演化群體和對(duì)該群體進(jìn)行操作的一組遺傳算子, 整個(gè)系統(tǒng)按照! 物競(jìng)天擇, 適者生存的原則, 引入如繁殖、交叉和變異的方法, 經(jīng)歷生成-評(píng)價(jià)-選擇-操作的演化過程反復(fù)進(jìn)行, 直至搜索到最優(yōu)解3。本系統(tǒng)用GA 算法對(duì)PID 離散化表達(dá)式中的3個(gè)PID 參數(shù)K P 、K I 、K D 進(jìn)行離線優(yōu)化設(shè)計(jì), 從而使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。算

9、法流程圖如圖3 所示。fE(k 與E(k 的關(guān)系可表示為:1fE(k =E(k BA +B -|E (k |B<|E(k |A+B A將P(k 代入PID 算式, 得:k -1|E(k |>A+BP I (k =K P E(k +K I -E(k-1 j =0#E (j +fE(k E(k +K D E(k(2根據(jù)式( 2 編制出變速積分PID 控制算法程序框圖如圖4所示。圖3 遺傳算法流程圖若取采樣周期:T =80s; GA 離線優(yōu)化結(jié)果為:積分時(shí)間:T I圖4 變速積分PID 控制算法程序框圖(下轉(zhuǎn)第40頁(yè)es of tio n &Ap io ns |31 抑制噪聲干擾

10、。通訊。此系統(tǒng)投入運(yùn)行后能穩(wěn)定運(yùn)行, 未出現(xiàn)通訊中斷, 造成停機(jī)事故, 在正常工作時(shí)對(duì)于從設(shè)備的突然停機(jī)或是通訊線路斷開, 并不影響其它通訊網(wǎng)絡(luò)上其它分析柜的正常通訊, 而當(dāng)設(shè)備恢復(fù)正常時(shí)系統(tǒng)同樣會(huì)自動(dòng)接入, 并能正常傳輸數(shù)據(jù)。5. 3 通訊效率Modbus RTU 的傳輸效率是很高的, 他的CRC 冗余循環(huán)碼校驗(yàn)已經(jīng)簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)RS-485通訊中的數(shù)據(jù)包格式由引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼組成, 每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度達(dá)2030字節(jié), 提高通訊效率。實(shí)際運(yùn)行中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠, 對(duì)錯(cuò)誤的傳輸會(huì)自動(dòng)的再次發(fā)送該地址碼, 重新從該分析柜接受數(shù)據(jù)。7 參考文獻(xiàn):1 沈繼澤, 洪學(xué)海. 現(xiàn)

11、代計(jì)算機(jī)接口技術(shù)M. 北京:電子工業(yè)出版社, 20002 ABB 公司, Modicon Modbus 協(xié)議Z, 20023 韓佩富, 潘鋒, 趙新秋. 通用異步串行通信電路的V HD L 設(shè)計(jì)6 結(jié)束語(yǔ)現(xiàn)今Modbus 協(xié)議現(xiàn)今它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 他被廣泛的應(yīng)用在控制器和智能儀表之間, 智能儀表相互之間的數(shù)據(jù)(上接第31頁(yè)在此系統(tǒng)中, 采用簡(jiǎn)單的變速積分PID 控制, 取A =10, B=2。經(jīng)實(shí)驗(yàn)效果較好。與實(shí)現(xiàn)J. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2003, 22(1 :40-42作者簡(jiǎn)介:李喜東(1976- , 助理工程師, 主要從事自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用工作。圖6所示, 其動(dòng)態(tài)性能為:延遲

12、時(shí)間t d =160s, 超調(diào)量 =3 9%, 上升時(shí)間t r =420s, 調(diào)節(jié)時(shí)間t c =920s 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是比較 好的。3 3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件在89C51單片機(jī)上設(shè)計(jì), 由單片機(jī)控制的主程序包括初始化、顯示面板管理及各子程序調(diào)用。壓力信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、壓力顯示、變速積分PID 控制算法等功能的實(shí)現(xiàn)由各子程序完成。軟件還包括對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)等。軟件流程圖如圖5所示。采樣周期通過AT89C51的定時(shí)器T0和軟 件計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。圖6 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性曲線5 結(jié)束語(yǔ)在空氣壓縮機(jī)壓力控制系統(tǒng)中采用變速積分PID 控制算法進(jìn)行控制, 并采用遺傳算法對(duì)PID 參數(shù)離線優(yōu)化, 硬件上采用單片機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行且效率較高。6 參考文獻(xiàn):1 何希才. 傳感器及其應(yīng)用M 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 20012 陳守仁. 工程檢測(cè)技術(shù)M 北京:中央廣播電視大學(xué)出版社, 19843 李少遠(yuǎn), 王景成. 智能控制M 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005, 158-1684 陶永華, 伊怡欣, 葛蘆生,