变速积分PID算法在空气压缩机压力控制系统中的应用

工业控制与应用

IndustryControlandApplications

变速积分PID算法在空气压缩机

压力控制系统中的应用

潘春月,陈齐贵

1

2

(1.温州职业技术学院电气电子工程系,浙江 温州 325035;2.温州国际会展中心,浙江 温州 325000)

摘要:介绍了以单片机AT89C51为核心的变速积分PID控制的压力控制系统,给出了系统的硬件与软件设计的实现方法。实验结果表明该系统的优越性。

关键词:变速积分;压力控制系统;单片机;PID控制

中图分类号:TP273󰀁2 文献标识码:B 文章编号:1003󰀂7241(2005)07󰀂0030󰀂03

PIDWithVariableIntegralActionandIts

ApplicationtoAirCompressorPressureControl

PANChun_yue,ChenQi󰀂gui

1

2

(1.Dept󰀁ofElec󰀁andElct󰀁Engin󰀁,WenzhouVocational&TechnicalCollege,Wenzhou325035,China;

2.WenzhouInternationalExhibitionCentre,Wenzhou325000,China)

Abstract:TheapplicationofPIDwithvariableintegralactiontoaircompressorpressurecontrolisintroduced󰀁Itisbasedonasinglechipmicrocom󰀂

puterAT89C51󰀁Thedesignofhardwareandsolfwareareintroducedtoo󰀁Practicalapplicationshowsthatthissystemhasmanyadvantages󰀁

Keywords:VariableIntegralaction;Pressurecontrolsystem;Singlechipmicrocomputer;PIDcontrol

1 引言

空气压缩机的压力控制系统一般采用二位式控制方式,因而压力稳定性较差。本文介绍以单片机AT89C51为核心器件构成的压力控制系统,它具有调试简单、测控精度高、成本低、可靠性好等优点。

模拟信号控制变频器的输出频率,以此调节空气压缩机电机的转速,使空气压缩机的排气量随着车间用气量的变化而改变,从而保证管网的压力恒定。

图1 压力控制系统结构图

2 系统组成

2󰀁1 压力控制系统的结构与工作原理

[1-2]

2󰀁2 参数检测与信号处理电路

压力测量选用YTZ-150型远传压力表,测量范围为0~1󰀁0MPa,输出为电阻信号,阻值的变化范围为0~400󰀁。采用远传压力表价格较便宜,信号处理电路设计简单,但不同压力传感器一致性差,调试比较麻烦。

压力检测与信号处理电路如图2所示。运放IC1、基准电压源-V及电阻R1~R4组成恒流源,向远传压力表的输出电阻RX提供1mA的恒定电流,将压力表的电阻值转变为直流电压

压力闭环控制系统的硬件由压力传感变送器、交流变频调速器、空气压缩机、单片机及相关控制电路组成,原理框图如图1所示。压力传感变送器将管网压力信号转变成标准电信号送给A󰀁D转换单元,转换成数字信号后送单片机,单片机按一定的控制规则运算处理后输出数字信号,经D󰀁A转换单元转换成

收稿日期:2005-01-2230

|TechniquesofAutomation&Applications 信号,经高灵敏度运放IC2同相放大后输出0~5V直流电压信

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󰀁自动化技术与应用󰀂2005年第24卷第7期

号送计算机系统A󰀁D转换卡。限幅稳压管D1可防止电压过高损坏A󰀁D卡。由于远传压力传感器的一致性差,因此不同传感器的放大器零点和满刻度须单独分别调整。

=180s;微分时间:TD=180s;比例系数:KP=5;积分系数:KI=KPT󰀁TI=1;微分系数:KD=KPTD󰀁T=8。

3󰀁2 变速积分PID控制算法

在传统的PID算法中,积分增益KI为常数,在整个调节过程中其值不变。但实际上系统要求:偏差大时,积分作用应减弱,否则会产生超调,甚至出现积分饱和;偏差小时,积分作用应加强,否则不能满足准确性的要求。引进变速积分PID控制算法[4]能使控制性能得到满足。其基本思路如下:偏差大时,积分累积速度慢,积分作用弱;偏差小时,积分累积速度快,积分作用

图2 压力检测及信号处理电路图

空气压缩机运行环境恶劣、大功率的电机、交流变频调速器、电源电压波动等引起的电磁干扰比较严重。因此,检测仪表和布线应尽量避开强电磁场,传感器应采用高精度电源供电。

强。为此,设置系数f[E(k)],它是偏差E(k)的函数,当[E(k)]增大时,f[E(k)]减小;反之则增大。每次采样后,用f[E(k)]乘E(k),再进行累加:

k-1

PI(k)=KI{

j=1

#

E(j)+f[E(k)]E(k)}(1)

式中:PI(k)表示变速积分的输出值。

3 系统控制软件设计

3󰀁1 PID参数的优化

系统采用遗传算法离线优化PID参数。

遗传算法(GA)是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法,它将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子,整个系统按照!物竞天择,适者生存∀的原则,引入如繁殖、交叉和变异的方法,经历生成-评价-选择-操作的演化过程反复进行,直至搜索到最优解[3]。

本系统用GA算法对PID离散化表达式中的3个PID参数KP、KI、KD进行离线优化设计,从而使系统的性能达到最优。算法流程图如图3所示。

f[E(k)]与E(k)的关系可表示为:

1

f[E(k)]=

E(k)∃B

A+B-|E(k)|

B<|E(k)|∃A+B A

0

将P(k)代入PID算式,得:

k-1

|E(k)|>A+B

PI(k)=KPE(k)+KI{-E(k-1)]

j=0

#

E(j)+f[E(k)]E(k)}+KD[E(k)

(2)

根据式(2)编制出变速积分PID控制算法程序框图如图4所示。

图3 遗传算法流程图

若取采样周期:T=80s;GA离线优化结果为:积分时间:TI

图4 变速积分PID控制算法程序框图

(下转第40页)

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抑制噪声干扰。通讯。此系统投入运行后能稳定运行,未出现通讯中断,造成停机事故,在正常工作时对于从设备的突然停机或是通讯线路断开,并不影响其它通讯网络上其它分析柜的正常通讯,而当设备恢复正常时系统同样会自动接入,并能正常传输数据。

5.3 通讯效率

ModbusRTU的传输效率是很高的,他的CRC冗余循环码校验已经简化了传统RS-485通讯中的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码、尾码组成,每个数据包长度达20~30字节,提高通讯效率。实际运行中数据传输稳定可靠,对错误的传输会自动的再次发送该地址码,重新从该分析柜接受数据。

7 参考文献:

[1] 沈继泽,洪学海.现代计算机接口技术[M].北京:电子工业出版社,2000

[2] ABB公司,ModiconModbus协议[Z],2002

[3] 韩佩富,潘锋,赵新秋.通用异步串行通信电路的VHDL设计

6 结束语

现今Modbus协议现今它已经成为一通用工业标准,他被广泛的应用在控制器和智能仪表之间,智能仪表相互之间的数据(上接第31页)

在此系统中,采用简单的变速积分PID控制,取A=10,B=2。经实验效果较好。

与实现[J].自动化技术与应用,2003,22(1):40-42

作者简介:李喜东(1976-),助理工程师,主要从事自动化技术开发和应用工作。

图6所示,其动态性能为:延迟时间td=160s,超调量󰀂=3󰀁9%,上升时间tr=420s,调节时间tc=920s。实验结果表明本系统的动态性能指标是比较好的。

3󰀁3 系统主程序设计

系统的软件在89C51单片机上设计,由单片机控制的主程序包括初始化、显示面板管理及各子程序调用。压力信号的采集、数字滤波、标度转换、压力显示、变速积分PID控制算法等功能的实现由各子程序完成。软件还包括对系统的保护等。软件流程图如图5所示。采样周期通过AT89C51的定时器T0和软件计数实现。

图6 系统动态特性曲线

5 结束语

在空气压缩机压力控制系统中采用变速积分PID控制算法进行控制,并采用遗传算法对PID参数离线优化,硬件上采用单片机控制。实验结果表明该方法可行且效率较高。

6 参考文献:

[1] 何希才.传感器及其应用[M]󰀁北京:国防工业出版社,2001

[2] 陈守仁.工程检测技术[M]󰀁北京:中央广播电视大学出版社,1984

[3] 李少远,王景成.智能控制[M]󰀁北京:机械工业出版社,2005,158-168

[4] 陶永华,伊怡欣,葛芦生,等.新型PID控制及其应用[M]󰀁北京:机械工业出版社,1998,8-11

作者简介:潘春月(1968-),女,浙江温州人,讲师,主要从事电气自动控制及应用电子技术的教学与研究工作。

图5 压力控制系统软件流程图

4 实验结果

实验中将储气罐压力从0󰀁2Mpa增加到0󰀁5Mpa,并保持此压力,压力值上下波动%0󰀁02Mpa。测得系统的动态特性曲线如

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