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1. PID简述
过程控制通常是指石油、化工、冶金、轻工、纺织、制药、建材等工业生产过程中的自动控制 ,它是自动化技术的一个极其重要的方面。本次毕业设计是基于PLC的液位控制系统的设计，它的控制对象是水箱的液位，是过程控制中经常遇到热工参数。本人在这次设计中主要负责控制策略——PID算法的确定，就在次将PID算法作个简要的介绍。
在生产过程自动控制的发展历程中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。它简单实用,易于实现,适用范围广,鲁棒性好,在现今的工业过程中获得了广泛的应用.据统计,目前工业控制器中约有90%仍是PID控制器。PID控制器的设计及其参数整定一直是控制领域所关注的问题。其设计和整定方法得到国内外广泛研究, 著名的如Ziegler-Nichols法、基于内模控制的方法及基于误差的积分的优化方法。基于误差的积分准则由于能较好地反映闭环系统的性能以及易于计算的原因,在PID优化设计中被广泛采用。（1）
在工业生产过程控制中,模拟量的 PID (比例、积分、微分)调节是常见的一种控制方式,这是由于 PID 调节不需要求出控制系统的数学模型,至今为止,很难求出许多控制对象准确的数学模型,对于这一类系统,使用 PID 控制可以取得比较令人满意的效果,同时 PID 调节器又具有典型的结构,可以根据被控对象的具体情况,采用各种PID 的变种,有较强的灵活性和适用性。在模拟量的控制中,经常用到 PID 运算来执行 PID 回路的功能,PID 回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。如果一个 PID 回路的输出 M ( t)是时间的函数,则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和(2)，即：
式中 e——偏差；
Ti——积分常数；
Td——微分常数；
Kc——放大倍数（比例系数）
M0——偏差为零时的控制值，有积分环节存在，此项也可不加
以上各量都是连续量,第一项为比例项,最后一项为微分项,中间两项为积分项。其中 e 是给定值与被控制变量之差,即回路偏差。Kc 为回路的增益。用数字计算机处理这样的控制算式,连续的算式必须周期采样进行离散化,同时各信号也要离散化,公式如下（2）:
式中 SP——给定值
PV——反馈值
Ts——采样周期
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3. 初步方案
这里采用的是水箱液位的PID调节，有两级水箱。控制一个水箱的是单回路反馈PID控制。单回路系统是指在一个调节对象上用一个PID调节器来保持参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制。
系统控制对象如下图所示。
图1:上下水箱液位控制系统
系统运行前要把需要控制液位的水箱水路上的手动阀门全部打开，打开水箱的出水阀至适当位置。系统通过PLC控制液位的高度，当液位下降时，需要PLC控制电动调节阀门打开，进水；当液位达到指定的高度时，通过水位检测的压力变送器把检测到的信号变成相应的电信号传到PLC的模拟量输入通道中，由PLC经过PID算法计算得出输出信号，输出到电动调节阀中控制通道里的水流量，使其一直保持那个高度。输出的信号和电动调节阀的开度成正比。控制要选择控制参数，合适的控制参数可以带来满意的控制效果，反之，控制器参数选择不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。所以PID参数的选择是很重要的，要很好地去整定。系统可以设定比例、积分、微分的参数，观察控制的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行实验，将它们得到的结果进行比较，就可以知道三个控制环节分别的作用。
系统的控制框图如图2所示
图2：液位控制系统控制框图
其中SV为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4~20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SV与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。
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4. 工作安排
2006.2.~2006.3. 完成文献检索、文献综述，开题报告，熟悉实验装置等
2006.3.~2006.4. 完成PID控制器设计与计算、学习S7-300，并完成编程等
2006.4.~2006.5. 完成实验调试
2006.5.~2006.6. 对系统进行测试，撰写设计说明书、准备毕业答辩
5. 参考文献
[1] 金 鑫等 《典型工业过程鲁棒 PID控制器的整定》，《控制理论与应用》第22卷第6期2005年12月（947～953页）
[2] 祁鸿芳等 《PID 算法在西门子 PLC模拟量闭环控制中的实现》，《机床电器》 2005年1月（23～25）
[3] 杨 智等.PID控制器设计与参数整定方法综述.化工自动化及仪表.2005年第5期32卷（1～7页）
[4] 李 铭等.模糊 PID控制算法在气缸位置伺服控制中的应用.机床与液压.2004年第10期(55～57页)
[5] MoradiM H. New Techniques for PID ControllerDesign[A ].Proceedingsof IEEE Conference on ControlApplications[C].Istanbul, Turkey,2003. 107.
[6] JohnsonM A,MoradiM H. PID ControllerDesign[M ]. London: Springer2Verlag,2003.
[7] Astrom K J, Hagglund T. PID Controllers: Theory,Design and Tuning[M ]. N. C. :Research Triangle Park, Instrument Society ofAmerica,1995.
[8] 王 伟等.PID 参数先进整定方法综述 [J ]. 自动化学报.2000年26卷第3期 (347～355页)
[9] 薛美盛等.工业过程的先进控制.化工自动化及仪表.2002年29卷第2期（1～9页）
[10] 王树青等.先进控制技术及应用.化工自动化及仪表.1999年26卷第2期 (61～65页)
[11] 李 平等.预测控制研究的概况.化工自动化及仪表.1995年22卷第6期（3～9）
[12] 金晓明等.模糊控制理论及其应用评述.化工自动化及仪表.1995年22卷第6期（3～6）
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