企业简介

作为中国自动化领域的权威旗舰网络媒体，控制网创立于1999年7月，是中国举行的第十四届IFAC （International Federation of Automatic Control）大会的中国官方组织机构的唯一指定网站。控制网是中国自动化学会专家咨询工作 委员会（ECC）的秘书处常设之地。是北京自控在线文化传播有限公司开设的网站。

  • 公司类型：其他

联系方式
  • 控制网
  • 地址：北京市海淀区上地十街辉煌国际2号楼1504室
  • 邮编：100085
  • 电话：010-57116291 / 59813326
  • 传真：010-59813329
  • 网址：http://www.kongzhi.net
  • Email：mahongliang@kongzhi.net
  • 联系人：市场部
案例详细
标题变速积分PID算法在空气压缩机压力控制系统中的应用
技术领域仪器仪表
行业
简介摘要：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。
内容

 

0 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。

1 系统组成
1.1压力控制系统的结构与工作原理[1-2]
    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

1.2参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0～400Ω。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信号，经高灵敏度运放IC2同相放大后输出0～5V直流电压信号送计算机系统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。

    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。
    


                    图2  压力检测及信号处理电路图

2 系统控制软件设计
2.1  PID参数的优化
    系统采用遗传算法离线优化PID参数[3]。

    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。

    本系统用GA算法对PID离散化表达式[4]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。

                          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=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。

2.2   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[4]。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：
                       (1)

 式中：PI(k)表示变速积分的输出值。
 f [E(k)]与E(k)的关系可表示为：
                                    

 将P(k)代入PID算式，得：
                                                                                (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4   变速积分PID控制算法程序框图

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。

2.3  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。

3 实验结果
    实验中将储气罐压力从0.1Mpa增加到0.5Mpa，并保持此压力，压力值上下波动±0.02Mpa。测得系统的动态性能为：延迟时间td =160s，超调量σ =2.9