CN112666827A - 一种基于pid分级控制液体分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PID分级控制液体分配的方法，应用于自动控制领域，针对现有电子计量法精度低的问题，本发明首先通过测量器件得到当前的分配量，并与设定目标值相比较得到偏差程度，根据偏差程度的比较分段选择需要提供的执行速度，由于分段控制的速度变化过快会产生附加的机械力对执行器件产生不良影响，通过引入PID控制环节延缓速度的快速变化，使速度平滑过渡至该阶段的设定值以减少附加力带来的影响。

Description

一种基于PID分级控制液体分配的方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种定量液体分配技术。

背景技术

目前定量液体分配方法包括四种，一是控制液位高度定量法，该种方法是通过控制被分配容器中液位的高度间接达到定量分配的目的，每次分配的液体体积等于一定高度的待装容器内腔容积，当液体体积到达目标值时，关闭流量阀。二是定量杯定量法，该种方法是先将液体注入定量杯中进行定量，然后再将计算的液体注入待分配容器中，每次分配的容积等于定量杯的容积。三是定量泵定量法，这是一种采用压力法分配的定量方法，由动力控制活塞往复运动，将液体从贮料缸吸入活塞缸，然后再压入待分配容器中，每次分配量等于活塞缸内液体的容积。四是电子计量法，该方法是一种称重测量法，由负载传感器实时地测量液体重量，当充填的液体接近规定的充填量时，流量阀转换为小流量的回路，直至分配量等于规定量，关闭流量阀。

以上方法中，方法一要求待装容器为规则容器，容器内的液位高度与容器所载液体体积成一定比例关系，通过液位高度间接计算出实时的分配量；方法二要求每次分配的液体量始终不变，分配量的体积与定量杯相同，当有不同量的需求时，需要更换不同的定量杯；方法三要求整体具有很好的气密性，同时活塞缸的容积应与分配的量相同，活塞每进行一次往复运动对容器进行一次完整分配，当有不同量的需求时，应重新设置或更换活塞缸；方法四是最常见的一种分配方法，该方法的使用前提是被分配液体的重量体积转换关系，使用时根据转换关系间接得到实时的分配量。当分配量到达设定的阈值范围时，降低执行器件的输出速度，当分配量到达设定的目标值时，关闭执行器件。

以电子计量法为例，该方法中速度的选择为三个阶段，第一阶段为未达到阈值范围时的高速度，第二阶段为阈值范围内的低速度，第三阶段为当输出值等于目标值时的停止速度，由于停机速度为零，实际的速度选择为两次，并根据阈值的设置而定，在阈值设置的合理范围内，为精确达到控制输出的目的，低速度与阈值设置成反比。在合理选取范围内，随着高速度的增加，响应时间缩短，同时增大了高速度与低速度的速度差，当实际量到达阈值范围时，执行器件的速度由高速度切换到低速度，由于速度差的存在，转速的快速变化会在执行器件内部产生附加的机械力并作用与运动部件上，同时与其相连的连接件也会产生附加负荷使器件易疲劳老化，降低器件的使用寿命，以及由于该种附加力的存在导致实际的输出大于理想输出。电子计量法下实际输出与理想输出对比图如图1所示。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于PID分级控制液体分配的方法，结合分级控制与PID控制，实现精准的定量液体分配。

本发明采用的技术方案为：一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，所基于的PID分级控制系统至少包括：测量器件、执行期间、分级控制单元以及PID计算单元；所述方法包括：

S1、通过测量器件得到当前执行器件的分配量，将该分配量并与设定的目标值进行比较得到偏差；

S2、根据分级控制单元确定第一偏差程度；

S3、根据步骤S1计算得到的偏差与步骤S2的第一偏差程度的比较结果，分级选择需要提供的执行速度；

S4、采用PID计算单元对执行速度的变化进行控制。

所述多级控制单元具体为采用二级控制单元，所述二级控制单元包括第一设定速度、第二设定速度，所述第一设定速度由执行器件与测量器件确定，第二设定速度为零。

步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、建立第一设定速度θ与执行器件允许的最大速度θ_1max以及测量器件允许的最大速度θ_2max的关系式；

S22、调节执行器件速度的PID参数，使得在响应时间最短的情况，稳定输出第一设定速度；

S23、根据调节后的PID响应选取样本点；

S24、对步骤23选取的样本点进行曲线拟合，得到速度变化曲线，记速度变化曲线上升段曲线关系为y₁，记速度变化曲线下降段曲线关系为y₂；

S25、记y₂与y₁相连接点的时间设为y₁，记y₂稳定输出0时的时间设为t₂；

S26、根据分配量V_set、y₂、y₁、t₂、t₁计算第一偏差程度。

所述步骤S26的偏差程度计算式为：

步骤S3具体为：当步骤S1计算得到的偏差大于步骤S2的第一偏差程度，则选择第一设定速度，否则选择第二设定速度。

所述PID分级控制系统，还包括：偏差计算单元、误差计算单元、第二测量单元；

所示第一测量单元通过单点式压力传感器或累计流量传感器获取执行器件当前的分配量，并将获取到的结果输入偏差计算单元；偏差计算单元计算第一测量单元获取的分配量与设定值的偏差程度，并将偏差程度输入分级控制单元；分级控制单元根据偏差程度设定的分级速度值，分级控制单元将设定的分级速度值输入误差计算单元，误差计算单元还与第二测量单元相连，第二测量单元用于获取当前执行器件的速度反馈值，误差计算单元计算设定的分级速度值与当前速度反馈值的误差，并将计算得到的误差输入PID计算单元，PID计算单元对误差进行比例环节、积分环节、及微分环节的计算并输入至执行单元中；执行单元根据PID计算单元的结果完成对执行器件的控制。

本发明的有益效果：本发明的分段控制与PID控制相结合的PID分级控制液体的分配方法与传统的电子计量法相比，在稳定输出的前提下，前者的响应时间比后者更短，同时传统的电子计量法的输出速度变化存在两次跳变，两次跳变中由于速度差值较大会产生附加的机械力，该种机械力会影响执行器件的寿命及最终输出值的大小，本发明中PID分级控制液体的方法中，由于PID控制的存在，使速度变化平滑过渡，降低了附加机械力对器件的影响。

附图说明

图1为电子计量法下实际输出与理想输出比较；

图2为本发明的基于PID分级控制的框架图；

图3为本发明实施例提供的二级控制流程图；

图4为本发明实施例提供的二级控制相同偏差程度下不同速度的响应曲线；

图5为本发明实施例提供的二级控制速度设定及响应曲线；

图6为本发明实施例提供的simulink仿真模型；

图7为本发明实施例提供的模型仿真输出图；

图8为本发明实施例提供的二级控制速度与电子计量法速度输出对比图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的一种基于PID分级控制液体分配的方法，首先通过测量器件得到当前的分配量，并与设定目标值相比较得到偏差程度，根据偏差程度的比较分段选择需要提供的执行速度，由于分段控制的速度变化过快会产生附加的机械力对执行器件产生不良影响，通过引入PID控制环节延缓速度的快速变化，使速度平滑过渡至该阶段的设定值以减少附加力带来的影响。基本流程框架图如图2所示。

其中：

第一测量单元用于通过相应的器件获取当前执行器件的分配量，具体的：所述第一测量单元与偏差计算单元相连接，应用器件可选用单点式压力传感器或累计流量传感器；

偏差计算单元用于计算分配量与设定值的偏差程度，具体的：所述偏差计算单元分别与第一测量单元及分级控制单元相连接；

分级控制单元用于根据偏差程度设定不同的速度值，具体的：所述分级控制单元分别与偏差计算单元及PID误差计算单元相连接；

误差计算单元用于计算当前速度反馈值speed_fk与速度设定值speed_in之间的误差，具体的：所述误差计算单元分别与分级控制单元、第二测量单元及PID调节单元相连接；

PID计算单元用于对误差计算单元的结果进行比例环节、积分环节、及微分环节的计算并输入至执行单元中，具体的：所述PID计算单元分别与误差计算单元与执行单元相连接；

执行单元通过PID计算单元的结果完成对执行器件的控制，具体的：所述执行单元分别与PID计算单元及第二测量单元相连接；

第二测量单元用于通过相应的器件获取当前执行器件的速度反馈值speed_fk，并输入至误差计算单元中，具体的：所述第二测量单元分别与执行单元及误差计算单元相连接；

分级控制

虽然现有技术中也有采用PID分级控制策略解决问题的方案，比如申请号为202010437367.5的一种基于PID温度分级控制方法；但是本发明所采用的PID分级控制策略相比于现有的技术存在以下区别：

1：本发明实现的目标是根据目标量的不同快速稳定的输出目标量；申请号为202010437367.5的一种基于PID温度分级控制方法中的目标是保证水分含量始终在某一定值；

2：本发明采用PID控制是基于确定的第一设定速度而言的，而第一设定速度与执行器件和测量器件相关；申请号为202010437367.5的一种基于PID温度分级控制方法中采用的PID控制是基于温度控制而言的，第一组合参数的稳定温度与第二组合参数的稳定温度不同，通过温度的变化保证水分含量维持在某一特定范围内；

3：本发明的PID单元参数根据确定后的第一设定速度进行调整；申请号为202010437367.5的一种基于PID温度分级控制方法中PID单元参数是根据实际所需达到的目标分阶段进行调整。

如图3给出了二级控制流程图。二级控制的特点在于第一设定速度由执行器件与测量器件而定，且第一设定速度为零。

如图4所示给出了偏差程度固定时，不同速度对应的响应曲线。当设置偏差程度固定时，随着设置速度的增大，响应时间缩短，同时会使最终输出值大于设定值；当设置的速度固定时，随着设置偏差程度的减小，响应时间缩短，同时会使最终输出值大于设定值。适当的调节偏差程度与设置速度之间的关系可以在稳定输出的基础上缩短控制的响应时间。对于二级控制确定偏差程度及设置速度的步骤如下：

1.选取第一设定速度θ，其中第一设定速度θ与执行器件允许的最大速度θ_1max以及测量器件允许的最大速度θ_2max有关，θ＝min(θ_1max,θ_2max)；

2.以第一设定速度为PID计算单元输入量，依据《PID调节控制做电机速度控制》中控制器参数整定方法调节PID计算单元中的比例参数、微分参数和积分参数，使其能够在响应时间最短的情况，稳定输出第一设定速度；

3.根据调参后的PID响应选取速度样本点，样本为从时间0开始到稳定输出设定值之间的样本点；

4.对步骤3所得的样本点进行曲线拟合，得到第一设定速度θ与时间t的关系y₁，如图5中速度变化曲线上升段；

5.图5中速度变化曲线下降段的曲线关系设为y₂，其中y₂与时间t相关；

6.y₂与y₁相连接点的时间设为t₁，y₂稳定输出0时的时间设为t₂；

7.根据实验数据测得时间t₁与t₂满足以下关系

t₂＝0.3522t₁ ²+0.6031t₁+0.9220 (1)

8.分配量V_set与y₁、t₁、t₂、y₂满足以下关系

9.其中根据图6得以下关系

y₁(t₁)＝y₂(t₁) (3)

y₂(t₂)＝0 (4)

10.由式(1)、(2)、(3)、(4)求得时间t₁；

11.由式(5)得第一偏差程度e₁

验证

以kamoer公司的kpp蠕动泵为执行器件，以sensirion公司SLF3S-1300F流量传感器为测量器件，用来获取执行器件的当前执行速度。其中kpp蠕动泵允许的速度范围为0～90ml/min，SLF3S-1300F测量的范围值为-40ml/min～40ml/min，并设置目标分配量为20ml。1.选取第一设定速度为执行器件与测量器件两者中最大速度的最小值即40ml/min；

2.以执行器件为例建立PID模型，调节比例系数、微分系数、积分系数使执行器件稳定输出第一设定速度；

3.对步骤2的模型进行采样，对采样数据进行数据拟合得到速度时间关系公式y₁；

4.由公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)计算得第一偏差程度为19.73％；

5.根据上述计算值及PID模型建立simulink仿真模型如图6所示，其中PID模型中比例参数为2.1，积分参数为2.0，微分参数为2.3；根据蠕动泵输入为占空比，输出为速度的关系函数得到执行器件的传递函数为

如图7所示，通过建模仿真，分段控制与PID控制相结合的PID分级控制液体的分配方法与传统的电子计量法相比，在稳定输出的前提下，前者的响应时间比后者更短，同时如图8所示，电子计量法的输出速度变化存在两次跳变，两次跳变中由于速度差值较大会产生附加的机械力，该种机械力会影响执行器件的寿命及最终输出值的大小，PID分级控制液体的方法中，由于PID控制的存在，使速度变化平滑过渡，降低了附加机械力对器件的影响。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，所基于的PID分级控制系统至少包括：测量器件、执行器件、分级控制单元以及PID计算单元；所述方法包括：

S1、通过测量器件得到当前执行器件的分配量，将该分配量并与设定的目标值进行比较得到偏差；

S2、根据分级控制单元确定第一偏差程度；

S3、根据步骤S1计算得到的偏差与步骤S2的第一偏差程度的比较结果，分级选择需要提供的执行速度；

S4、采用PID计算单元对执行速度的变化进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，所属分级控制单元具体为采用二级控制单元，所述二级控制单元包括第一设定速度、第二设定速度，所述第一设定速度由执行器件与测量器件确定，第二设定速度为零。

3.根据权利要求2所述的一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、建立第一设定速度θ与执行器件允许的最大速度θ_1max以及测量器件允许的最大速度θ_2max的关系式；

S22、调节执行器件速度的PID参数，使得在响应时间最短的情况，稳定输出第一设定速度；

S23、根据调节后的PID响应选取速度样本点；

S24、对步骤23选取的样本点进行曲线拟合，得到速度变化曲线，记速度变化曲线上升段曲线关系为y₁，记速度变化曲线下降段曲线关系为y₂；

S25、记y₂与y₁相连接点的时间设为t₁，记y₂稳定输出0时的时间设为t₂；

S26、根据分配量V_set、y₂、y₁、t₂、t₁计算第一偏差程度。

4.根据权利要求3所述的一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，所述步骤S26的偏差程度计算式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，步骤S3具体为：当步骤S1计算得到的偏差大于步骤S2的第一偏差程度，则选择第一设定速度，否则选择第二设定速度。

6.根据权利要求5所述的一种基于PID分级控制液体分配系统的分配的方法，其特征在于，所述PID分级控制系统，还包括：偏差计算单元、误差计算单元、第二测量单元；

所示第一测量单元通过单点式压力传感器或累计流量传感器获取执行器件当前的分配量，并将获取到的结果输入偏差计算单元；偏差计算单元计算第一测量单元获取的分配量与设定值的偏差程度，并将偏差程度输入分级控制单元；分级控制单元根据偏差程度设定的分级速度值，分级控制单元将设定的分级速度值输入误差计算单元，误差计算单元还与第二测量单元相连，第二测量单元用于获取当前执行器件的速度反馈值，误差计算单元计算设定的分级速度值与当前速度反馈值的误差，并将计算得到的误差输入PID计算单元，PID计算单元对误差进行比例环节、积分环节、及微分环节的计算并输入至执行单元中；执行单元根据PID计算单元的结果完成对执行器件的控制。

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