流量、液位回路PID抗积分饱和

PID控制器开发笔记之三：抗积分饱和PID控制器的实现积分作用的引入是为了消除系统的静差，提高控制精度。

但是如果一个系统总是存在统一个方向的偏差，就可能无限累加而进而饱和，极大影响系统性能。

抗积分饱和就是用以解决这一问题的方法之一。

这一节我们就来实现抗积分饱和的PID算法。

1、抗积分饱和的基本思想所谓积分饱和就是指系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而扩大，从而导致控制器输出不断增大超出正常范围进入饱和区。

当系统出现反响的偏差时，需要首先从饱和区退出，而不能对反向的偏差进行快速的响应。

为了解决积分饱和的问题，人们引入了抗积分饱和的PID算法。

所谓抗积分饱和算法，其思路是在计算U(k)的时候，先判断上一时刻的控制量U(k-1)是否已经超出了限制范围。

若U(k-1)>Umax，则只累加负偏差；若U(k-1)<Umin，则只累加正偏差。

从而避免控制量长时间停留在饱和区。

2、算法实现抗积分饱和的思想很简单，解释在控制器输出的最大最小值附近限制积分的累积情况，以防止在恢复时没有响应。

根据前面得分系我们可以得到如下的流程图：（1）位置型PID算法实现对于位置型PID的抗积分饱和算法其实就是在基本的PID基础上加上抗积分饱和的操作，增加量个机锋的极限值。

首先定义PID对象的结构体：/*定义结构体和公用体*/typedef struct{floatsetpoint; //设定值floatproportiongain; //比例系数floatintegralgain; //积分系数floatderivativegain; //微分系数floatlasterror; //前一拍偏差floatresult; //输出值floatintegral;//积分值floatmaximum;//最大值floatminimum;//最小值}PID;接下来实现PID控制器：void PIDRegulation(PID *vPID, float processValue) {floatthisError;thisError=vPID->setpoint-processValue;if(vPID->result>vPID->maximum){if(thisError<=0){vPID->integral+=thisError;}}elseif(vPID->result<vPID->minimum){if(thisError>=0){vPID->integral+=thisError;}}else{vPID->integral+=thisError;}vPID->result=vPID->proportiongain*thisError+vPID->integralgain*vPID->integral+vPID->derivative gain*(thisError-vPID->lasterror);vPID->lasterror=thisError;}（2）增量型PID算法实现增量型PID的抗积分饱和的实现也是一样在最基本的增量型PID算法中引入极大极小的限值，并在算法中通过比较限值实现抗饱和的操作。

摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。

因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

PID控制(比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。

作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。

选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。

利用Matlab仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。

关键词：PID控制过程控制液位控制Matlab目录摘要I第一章绪论11．1过程控制的定义11．2过程控制的目的11．3过程控制的特点21．4过程控制的发展与趋势3第二章水箱液位控制系统的原理42．1 人工控制与自动控制42．2 水箱液位控制系统的原理框图52．3 水箱液位控制系统的数学模型6第三章水箱液位控制系统的组成93．1 被控制变量的选择93．2 执行器的选择93.3 PID控制器的选择123．4 液位变送器的选择14第四章PID控制规律164．1 比例控制164．2积分控制（I）194．3微分控制（D）194．4比例积分控制（PI）204．5比例积分微分控制（PID）20第五章利用MATLAB进行仿真设计215.1 MATLAB设计215.2 MATLAB设计任务215.3 MATLAB设计要求215.4 MATLAB设计任务分析225.4 MATLAB设计任务分析235.5 MATLAB设计内容285.5.1主回路的设计285.5.2副回路的设计285.5.3主、副回路的匹配295.5.4 单回路PID控制的设计305.5.5串级控制系统的设计35心得体会39参考文献40第一章绪论1．1过程控制的定义生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。

抗积分饱和PID控制一、题目：用抗积分饱和PID控制传递函数为G(s)的被控对象G(s)=523500/(s^3+87.35s^2+10470s)二、抗积分饱和原理积分饱和现象是在系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断加大而加大，从而导致执行器达到极限位置，如果控制器的输出继续增大，阀门开度却不能再增大，此时计算机输出超出了执行器正常操作的范围而进入了饱和区。

一旦系统出现反方向的偏差，控制器的输出逐渐退出饱和区，但若进入的饱和区很长，那么退出饱和区的时间也就很长，在饱和区这段时间执行器仍停留在极限位置而不能随偏差的反向立即做出相应的改变，就好像系统失去了控制一样，造成控制性能恶化，这就是积分饱和。

作为防止积分饱和方法之一就是抗积分饱和法。

思路是在计算U(k)时，首先判断上一时刻控制器的输出量U(k-1)是否已经超出限制范围。

若U(k-1)>=Umax,则只累加负偏差，正偏差则去掉积分作用；若U(k-1)<=-Umax,则只累加正偏差，负偏差则去掉积分作用；三、程序清单：%PID Controler with intergration sturationclear all;close all;ts=0.001;sys=tf(5.235e005,[1,87.35,1.047e004,0]);dsys=c2d(sys,ts,'z');[num,den]=tfdata(dsys,'v');u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;x=[0,0,0]';error_1=0;um=6;kp=0.85;ki=9.0;kd=0.0;rin=30; %Step Signalfor k=1:1:800time(k)=k*ts;u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3); % PID Controllerif u(k)>=umu(k)=um;endif u(k)<=-umu(k)=-um;end%Linear modelyout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;error(k)=rin-yout(k);M=1;if M==1 %Using intergration sturationif u(k)>=umif error(k)>0 %前一时刻PID输出值超出控制器的最大限度，而当前的偏差为正，说明被alpha=0; %控量未达到设定值，防止积分饱和故去掉积分作用elsealpha=1;%前一时刻PID输出值超出控制器的最大限度，而当前的偏差为负，说明被end %控量超出设定值，应该较小控制器的输出，则加上积分作用elseif u(k)<=-umif error(k)>0 %这是历史PID输出值超出控制器的最小限度，道理与超出最大限度的一样alpha=1;%一定要区分是前一时刻的PID输出值和当前的偏差情况共同判断是否加积else %分作用alpha=0;endelsealpha=1;endelseif M==2 %Not using intergration sturationalpha=1;end%Return of PID parametersu_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);error_1=error(k);x(1)=error(k); % Calculating Px(2)=(error(k)-error_1)/ts; % Calculating Dx(3)=x(3)+alpha*error(k)*ts; % Calculating Ixi(k)=x(3);endfigure(1);subplot(311);plot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('Position tracking');subplot(312);plot(time,u,'r');xlabel('time(s)');ylabel('Controller output');subplot(313);plot(time,xi,'r');xlabel('time(s)');ylabel('Integration');当M=2时即无抗积分饱和：当M=1时即有抗积分饱和：由上图比较得到，加抗积分饱和后超调量明显减小，而且系统能较快的达到稳定值，系统的稳定性和精确性得到改善。

一、概述SLRT系列智能PID调节仪是一种测量调节精度高，功能强的数字显示调节仪，它可为第一流的尖端设备提供优质服务，广泛地用于炼油、化工、冶金、建材、轻工、电子等行业温度、压力、流量、液位的自动检测和自动控制。

二、主要技术指标1、测量精度：0.3级2、报警输出：等同测量精度3、PID无扰动稳态，温度±2℃4、变送输出精度：±0.3％FS 负载能力：0-600∩5、输入特性要求：0-10mA:500∩、4-20mA:250∩、DC.V:≥200K∩热电偶及DC.mV:≥10M∩冷端自动补偿精度0-40℃范围内±0.3℃热电阻：三线制输入3×10∩以内完全补偿6、继电器接点容量：AC220V 7A7、过零触发式外接可控硅（可控硅小于500A）。

8、供电电源：AC220V±10%、直流DC24V±10%供选择9、功耗：≤15W10、工作环境：温度0-50℃、相对温度:＜85%,无腐蚀性气体，无震动场合11、控制参数：比例带（P）：0-999.9％可调积分时间（I）：3-9999S可调微分时间（d）：1-9999S可调调节周期（t）：1-65S可调12、可以接受的输入信号：8种热电偶温度信号：K、E、S、B、J、T、EA、N5种热电阻温度信号：Pt100、Cu100、Cu50、G53、BA1、BA23种线性mV信号：0-20mV、0-100mV、0-500mV远传压力表等线性电阻信号：0-400∩2种线性mA信号：0-10mA、4-20mA2种线性直流V信号：0-5V、1-5V三、面板型式“SET”设定键：在正常运行状态下，按下该键可查看有关设定值的参数，此时上排主显示窗显示参数名称代号，下排付显示窗显示参数值。

停止按键1 分钟或同时按下退到正常运行状态。

进入设定状态，当显示SP1（第一报警参数）符号时，键入，主显示窗显示“SEL”，辅助显示窗显示“555”.输入象征操作权限的密码后，进入正式设定状态。