基于PID算法的高压釜加压自动控制系统

【摘要】PID控制是过程控制中应用最广泛的控制方法，本文综述了利用PID控制方法实现高压釜自动控制动态加压过程。

【关键词】PID控制；高压釜；自动控制；动态加压

1.引言

高压釜及其加压控制系统主要用于模拟深水压力环境，在设定的压力下对水声换能器等被试件进行水密性试验、强度试验、刚度试验以及稳定性、极限承载能力和疲劳试验。传统加压方式采用手动控制加压，很难精确控制到达目标压力值，如用工控机控制自动加压，可精确控制加压曲线到达目标压力值。本文主要介绍利用PID算法动态控制加压曲线进行高压釜自动加压。

2.高压釜系统组成

2.1 系统组成

高压釜系统由高压釜、加压控制系统、液压站三大部分组成，通过输入操作指令，完成高压釜加压、自动保压、卸压及开盖、关盖、锁紧、松开等动作。

2.2 加压控制系统

加压控制系统采用试压泵加压，试压泵为电动试压泵，驱动电机为伺服电机。控制柜为台式结构，设置有控制面板，可设置自动加压或半自动加压方式。自动加压方式利用工控机接受压力变送器的压力反馈信号控制试压泵自动工作。半自动加压方式，可在不开启主机的情况下，通过观察压力表来人为控制加压。

2.3 控制系统软件

高压釜加压控制系统软件程序结构框图如图1所示。

高压釜准备完成后，运行软件可进行自动加压，软件主界面如图2所示。

在软件主界面输入参数后，即可自动控制高压釜将压力加到预定值。

3.自动加压控制设计细节

3.1 运行过程

对压力釜进行控制时按照如下流程进行：

1）运行程序，并检查高压釜系统状态正常，采集液压系统反馈信号，确定釜盖以盖紧后才可进行加压；

2）设定压力值和保压时间，点击加压按钮进行加压；

3）系统自动加压到设定压力值后会停止加压并进行动态保压，当检测到压力值过低时会自动开始加压到设定压力值；

4）保压时间到后自动关闭加压系统和和控制电源，并控制蜂鸣器报警；

5）当压力釜需要泄压时，停止动态保压，打开阀门让水流出即可。

在检测过程中，实时检测压力釜内压力值，当压力值大于压力阀值时，及时停止加压以保护系统。

3.2 动态加压控制

在自动加压过程中，如果采用固定加压速率控制加压，当压力值较低时，加压速度过慢；当压力值接近预定压力值时，容易造成压力值冲过预定值从而对被测试设备造成一定损坏。所以，加压过程应采用动态加压速率控制加压过程。当压力值较低时，以较高速率进行加压，当压力值接近预定值时，加压速率会越来越慢，到达预定压力值时加压速率为零。

动态加压控制采用PID算法来对加压速率进行控制。

3.3 PID算法

在控制的过程中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。

模拟PID控制系统原理框图如图3所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差：

PID控制器校正环节的作用如下：

（1）比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱，越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，总而加快系统的动作速度，减少调节时间。

3.4 软件实现

软件具体实现PID算法核心代码如下：

根据工程经验与实际测试，比例系数取值为0.8，积分时间常数取值为0.6，微分时间常数取值为0.5。

压力随时间变化曲线值如图4所示。

4.结束语

在高压釜加压控制过程中，相比于固定速率加压，采用PID动态控制加压可以使压力曲线更加平滑，在高压阶段减少加压速率，避免在接近预定压力值时因为加压速率过快导致加压超过预定值，在低压阶段提高加压速率以减少加压过程总时间，从而达到动态控制整个加压过程。

参考文献

[1]刘金琨编著.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2011：1-12，76-78.

[2]王伟，张晶涛，柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].北京：自动化学报，2000，26（3）：1-7.

[3]沈玉梅主编.自动控制原理与系统[M].北京：北京工业大学出版社，2010：23-27.

[4]卢京潮主编.自动控制原理[M].西安：西北工业大学出版社，2009：51-56.

作者简介：陈阳（1986—），男，湖北宜昌人，2008年毕业于东南大学计算机系，现供职于中船重工第七一〇研究所一〇九室，研究方向：计算机软件，自动控制等。