畢業(yè)設(shè)計(jì)-調(diào)研報(bào)告-基于PID的液位控制.doc

中中 南南 大大 學(xué)學(xué) 本科生畢業(yè)調(diào)研報(bào)告本科生畢業(yè)調(diào)研報(bào)告 題題 目目 基于基于 PIDPID 三容水箱液位控制系統(tǒng)三容水箱液位控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 侯侯 博博 文文 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師 蔣蔣 朝朝 輝輝 學(xué)學(xué) 院院 信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)專(zhuān)業(yè)業(yè)班班級(jí)級(jí) 自動(dòng)化自動(dòng)化 06050605 班班 完成時(shí)間完成時(shí)間 2010 03 202010 03 20 2 目錄目錄 一一 系統(tǒng)概況 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概況 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) 3 1 1 三容水箱系統(tǒng)介紹三容水箱系統(tǒng)介紹 3 1 水箱主體水箱主體 3 2 差壓變送器差壓變送器 4 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6 4 電電 氣轉(zhuǎn)換閥氣轉(zhuǎn)換閥 7 1 2 工作原理工作原理 8 二二 PID 控制簡(jiǎn)介控制簡(jiǎn)介 9 2 1 PID 控制算法控制算法 9 2 2 PID 控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn) 13 2 3 PID 控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 14 三三 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 15 四四 研究和應(yīng)用的前景研究和應(yīng)用的前景 16 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 17 3 一一 系統(tǒng)概況 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概況 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) 1 1 三容水箱系統(tǒng)介紹三容水箱系統(tǒng)介紹 三容水箱控制系統(tǒng)是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象 它是集自動(dòng)化儀表技術(shù) 計(jì)算機(jī) 技術(shù) 通訊技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置 根據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專(zhuān)業(yè)教 學(xué)的特點(diǎn) 吸收了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處后 經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì) 多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù) 論證 推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置 該系統(tǒng)包括流量 液位 壓力等參數(shù) 可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 參數(shù)辨識(shí) 單回路控制 串級(jí)控制 前饋一反饋控制 比值控制 解禍控制等多種控制形 式 三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置由水箱主體 差壓變送器 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 電磁閥 流量傳感器 電 氣轉(zhuǎn)換器 空氣壓縮機(jī) 水泵 計(jì)算機(jī)等組成 總體結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示 圖 1 1 三容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 1 水箱主體水箱主體 水箱主體是由三個(gè)透明有機(jī)玻璃水箱 一個(gè)蓄水槽及多個(gè)閥門(mén)和連接件構(gòu)成 對(duì) 4 每個(gè)水箱可以采用插入阻力板的方法來(lái)改變其流出量的流量特性 其阻力板根據(jù)隙縫 式流量計(jì)原理設(shè)計(jì)為線(xiàn)性阻力板和非線(xiàn)性阻力板 可以根據(jù)需要構(gòu)成不同階次的被控 對(duì)象 單個(gè)水箱結(jié)構(gòu)和橫截面分別如圖 1 2 和 1 3 所示 圖 1 2 水箱結(jié)構(gòu)圖 圖 1 3 水箱橫截面圖 2 差壓變送器差壓變送器 三容水箱采用 DY1151DP 型電容式差壓變送器來(lái)測(cè)量水箱液位 電容式差壓變 送器的優(yōu)點(diǎn)是需要輸入的能量極低 測(cè)量力也相對(duì)較小 靈敏度高 電容的相對(duì)變化 量可以很大 結(jié)構(gòu)可做到剛度大而質(zhì)量小 因而固有頻率高 又由于無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件 損耗小 所以可以在很高的頻率下工作 測(cè)量準(zhǔn)確度高 穩(wěn)定性好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 抗震 耐用 能在惡劣環(huán)境下工作 量程 零點(diǎn)外部連續(xù)可調(diào) 阻尼可調(diào) 正負(fù)遷移量大 被測(cè)差壓 P 通過(guò)電容傳感器轉(zhuǎn)換成電容差和電容和之比的變化 此變化經(jīng)轉(zhuǎn)換 部分的電子線(xiàn)路轉(zhuǎn)換為直流輸出信號(hào) 原理如圖 1 4 所示 5 圖 1 4 電容式差壓變送器原理圖 電容傳感器的核心是電容傳感元件 它的結(jié)構(gòu)如圖 1 5 所示 位于傳感器中心的 測(cè)量膜片是恒彈性元件 液體壓力通過(guò)隔離膜片和灌充油傳遞給中心測(cè)量膜片使之變 形 位移 其位移量與兩側(cè)壓差成正比 位移量由傳感器兩側(cè)的電容極板檢測(cè) 經(jīng)電 子電路轉(zhuǎn)換成與被測(cè)差壓成線(xiàn)性關(guān)系的二線(xiàn)制 4 20mA 直流信號(hào)輸出 圖 1 5 電容傳感元件 測(cè)量膜片的作用是將外界壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成差動(dòng)電容量的變化 由圖 1 5 可知 差動(dòng)電 容由中心的測(cè)量膜片 高低壓兩側(cè)球面電容固定極板 灌充油和引出線(xiàn)組成 中心測(cè)量膜 片與兩側(cè)電容固定極板分別形成電容 C1 和 CZ 如果施加在高低壓兩側(cè)隔離膜片的壓力相 等時(shí) 中心測(cè)量膜片無(wú)位移 電容 C 當(dāng)高低壓室分別引入被測(cè)壓力 P1 P 時(shí) 作用于高 低壓側(cè)隔離膜片上的壓力通過(guò)灌充油傳遞到中心測(cè)量膜片上 P1 P 的壓力差 P P1 P 使中心測(cè)量膜片產(chǎn)生位移 j 導(dǎo)致低壓室電容 C1 增大 高壓室電容 CZ 減小 由材料力學(xué) 可知 測(cè)量膜片受壓力作用后 測(cè)量膜片中心位移與壓力差成正比 即有 PK1 其中 K1 為常數(shù) 它與測(cè)量膜片物理尺寸及材料有關(guān) 電容傳感元件的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)球面差動(dòng)電容 嚴(yán)格地講 電容各點(diǎn)極間距離改變 都是不相等的 這對(duì)電容的計(jì)算要比平板電容復(fù)雜得多 但從結(jié)構(gòu)參數(shù)看 它與平板電容 相近 為簡(jiǎn)化分析 這里將它近似地作為平板電容處理 從平板電容的原理可知 6 d A C2 1 d A C 式中 為電容介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) A 為極板面積 d 和分別為極板的間距和微小位移 轉(zhuǎn)換部分的作用是將電容傳感器部分所得到的電容相對(duì)變化值 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流輸 出信號(hào) 此外 還要實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整 零點(diǎn)遷移 量程調(diào)整 阻尼調(diào)整等功能 該部分包括 電容一電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路兩部分 電容一電流轉(zhuǎn)換電路的功能將電容差和電容和之比的變化成比例地轉(zhuǎn)換為測(cè)量 電流信號(hào) I PKP d KK d K CC CC KIi 21 2 21 21 2 公式 1 1 放大電路將測(cè)量電流信號(hào) I 放大 形成 4 20mA 直流輸出信號(hào) 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三容水箱液位控制系統(tǒng)采用 ZMAY 型氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu) ZMAY 型氣動(dòng)薄膜 小流量調(diào)節(jié)閥 適用于較小流量的調(diào)節(jié) 它具有結(jié)構(gòu)緊湊 體積小 重量輕 安裝維護(hù)方 便的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)如圖 1 6 所示 當(dāng)氣源一旦中斷時(shí) 在生產(chǎn)上為了保證設(shè)備和人身的安全 調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于全開(kāi)狀態(tài) 故在三容水箱液位控制系統(tǒng)中選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥 圖 1 6 ZMAY 型氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)推桿的推力 通過(guò)推桿使閥芯產(chǎn) 7 生相應(yīng)的位移 改變閥的開(kāi)度 38 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由彈性薄膜 壓縮彈簧和推桿 組成 如圖 2 7 上半部分所示 它接受 0 02 0 1MPa 的壓力信號(hào) 并轉(zhuǎn)換成推力 氣動(dòng)薄 膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出是位移 它與信號(hào)壓力的關(guān)系為 PA KL 式中 P 為通入氣室的信號(hào)壓力 A 為膜片的有效面積 K 為彈簧的剛度 L 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 推桿位移 因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移與信號(hào)壓力成比例關(guān)系 當(dāng)信號(hào)壓力通入薄膜氣室時(shí) 此壓力乘 以膜片的有效面積得到推力 使推桿移動(dòng) 彈簧受壓 直到彈簧產(chǎn)生的反作用力與薄膜上 的推力相平衡為止 信號(hào)壓力越大 推力越大 推桿的位移即彈簧的壓縮量也就越大 推 桿的位移范圍就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程 圖 1 7 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由推桿 閥體 閥芯及閥座等部件所組成 如圖 2 7 下半部分所示 閥 芯在閥體內(nèi)上下移動(dòng)時(shí) 可改變閥芯和閥座間的流通面積 控制通過(guò)的流量 從流體力學(xué) 的觀點(diǎn) 調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件 對(duì)不可壓縮的流體 由能量守恒原 理可推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥的流量方程式為 式中 Q 為流體通過(guò)閥的流量 pl 和 p 分別為進(jìn)出口端的壓力 A 為閥連接管道的截面積 Dg 為閥的公稱(chēng)通徑 P 為流體的密度 咨為閥的阻力系數(shù) 由上式可見(jiàn)流量?jī)H隨阻力系數(shù)變化 阻力系數(shù)主要與流通面積 即閥的開(kāi)度 有關(guān) 也 與流體的性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān) 調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)的變化是通過(guò)閥芯行程的改變來(lái)實(shí)現(xiàn) 從 而達(dá)到調(diào)節(jié)流量 Q 的目的 閥開(kāi)得越大 咨將越小 則通過(guò)的流量將越大 8 4 電電 氣轉(zhuǎn)換閥氣轉(zhuǎn)換閥 三容水箱液位控制系統(tǒng)選用 QzD 型電 氣轉(zhuǎn)換器 它是工業(yè)自動(dòng)化儀表中電動(dòng)和氣動(dòng)儀 表之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件 用以將調(diào)節(jié)器輸出的 4 20mA 電流信號(hào) 經(jīng)轉(zhuǎn)換器成比例地轉(zhuǎn)換 成 0 02 O 1MPa 氣動(dòng)模擬信號(hào)以驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器 通過(guò)電 氣轉(zhuǎn)換器可以組成電 氣混合系 統(tǒng)以便發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn) 擴(kuò)大其使用范圍 電 氣轉(zhuǎn)換器是基于力矩平衡原理進(jìn)行工作的 其原理如圖 2 8 所示 來(lái)自調(diào)節(jié)器的標(biāo) 準(zhǔn)電流信號(hào)通過(guò)線(xiàn)圈后 產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng) 此電磁場(chǎng)把可動(dòng)鐵心磁化 并在磁鐵的永久磁 場(chǎng)作用下產(chǎn)生一電磁力矩 使可動(dòng)鐵心繞支點(diǎn)作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 此時(shí)固定在可動(dòng)鐵心上的擋 板便靠近噴嘴 改變噴嘴和擋板之間的間隙 噴嘴擋板機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)儀表中一種最基本的變 換和放大環(huán)節(jié) 它能將擋板對(duì)于噴嘴的微小位移靈敏地變換成氣壓信號(hào) 氣壓信號(hào)經(jīng)過(guò)氣 動(dòng)功率放大器后產(chǎn)生的輸出壓力功率增大 此壓力反饋到波紋管中 便可在動(dòng)鐵心另一端 產(chǎn)生一個(gè)反饋力矩 此力矩與線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力矩相平衡 構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng) 從而達(dá)到使輸 出壓力與輸入電信號(hào)成比例地變化 圖 1 8 電 氣轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化原理圖 1 2 工作原理工作原理 三容水箱液位控制的系統(tǒng)框圖如圖 1 9 所示 圖 1 9 三容水箱系統(tǒng)框圖 3 號(hào)水箱的液位由差壓變送器進(jìn)行變送 在實(shí)際使用時(shí) 將輸入范圍為 0 160 mm 水 柱變?yōu)?4 20 mA 的直流電流信號(hào) 每個(gè)水箱的溢流口 采用插入阻力板的方法來(lái)改變其流 9 量特性 使水箱的液位高度 h 與其輸出流量 q 成一定函數(shù)關(guān)系 I V 轉(zhuǎn)換 V I 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn) 4 20mA 電流信號(hào)和 0 lOV 電壓信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換 電 氣轉(zhuǎn)換器成比例地把 4 20mA 的直流 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0 02 0 1MPa 的氣動(dòng)信號(hào) 作為氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)閥門(mén)定位器的氣動(dòng) 控制信號(hào) 三容水箱工況組合如下 見(jiàn)圖 1 1 穩(wěn)壓水源經(jīng)手閥 o 分兩路分別經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥 m Vc 氣動(dòng)閥 及手閥 m 可分別進(jìn)入各個(gè)水箱 電磁閥未畫(huà) 其中一路為正常工藝液 體的通路 C I 為正常工藝液體的調(diào)節(jié)閥 可以通過(guò)選擇手閥 1 3 姚的開(kāi)關(guān)形式來(lái)獲 得不同階次的被控對(duì)象 以 3 號(hào)水箱液位 h 作為被控變量為例 當(dāng) y 開(kāi) 3 5 關(guān) 則被 控對(duì)象的階次為三階 當(dāng) 3 開(kāi) 1 5 關(guān) 則被控對(duì)象的階次為二階 當(dāng) 5 開(kāi) 1 3 關(guān) 則被控對(duì)象的階次為一階 當(dāng)然也可以把 1 號(hào)水箱液位 hl 或 2 號(hào)水箱液位 h 選作被控變量 來(lái)做一階或二階的實(shí)驗(yàn) 另一路的調(diào)節(jié)閥 Ca 和手閥 a 4 6 構(gòu)成干擾通路 選擇進(jìn)入 1 2 3 號(hào)水箱的手閥 2 4 6 的開(kāi)關(guān)形式 即可改變擾動(dòng)加入的位置 以便做干擾加入 位置對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn) 10 二二 PID 控制簡(jiǎn)介控制簡(jiǎn)介 2 1 PID 控制算法控制算法 PID 比例積分微分 英文全稱(chēng)為 Proportion Integration Differentiation 按偏差的比 例 積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)稱(chēng)為 PID 調(diào)節(jié)器 它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟 應(yīng)用最 為廣泛的一種調(diào)節(jié)器 PID 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 參數(shù)易于調(diào)整 在長(zhǎng)期應(yīng)用中己積累了豐富 的經(jīng)驗(yàn) 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制 至今仍有 90 左右的控制回路具有 PID 結(jié)構(gòu) 控制器的基本控制規(guī)律有比例 Proportional 或 P 積分 Integral 或 I 和微分 Differential 或 D 幾種 工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合 PID 控 制產(chǎn)生并發(fā)展于 1915 1940 年期間 盡管自 1940 年以來(lái) 許多先進(jìn)控制方法不斷推出 但 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn) 迄今仍被廣泛應(yīng) 用于工業(yè)過(guò)程控制 2 1 1 模擬模擬 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 如圖 2 1 所示 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成 PID 控 制器是一種線(xiàn)性控制器 它根據(jù)給定值 r t 與輸出值 y t 構(gòu)成的控制偏差 將偏差按比例 積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量 對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制 故稱(chēng)為 PID 控制器 其控制 規(guī)律為 對(duì)應(yīng)的模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 其中 e t r t y t 為比例系數(shù) 為積分時(shí)間常數(shù) 為微分時(shí)間常數(shù) P K i T d T 11 從式 2 1 看到 PID 控制器的控制輸出由比例 積分 微分三部分組成 這三部分分別 是 1 比例部分 Kpte 在比例部分 比例系數(shù)的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度 提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度 加大 p K 值 可以提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益 加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差 從而提高 p K 系統(tǒng)的控制精度 但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性 甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定 使系統(tǒng)動(dòng) 靜態(tài)特性變壞 2 積分部分 從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道 只要存在偏差 則它的控制作用就會(huì)不斷積累 由于積分作用 當(dāng)輸入 e t 消失后 輸出信號(hào)的積分部分有可能是一個(gè)不為零的常數(shù) 可 見(jiàn) 積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差 在串聯(lián)校正時(shí) 采用 I 控制器可以提高系統(tǒng)的 型別 以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 但積分控制使系統(tǒng)增加了一 個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn) 使信號(hào)產(chǎn)生 90 的相角滯后 于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利 因此 在控 制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中 通常不宜采用單一的工控制器 3 微分部分 微分部分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 PID 控制器的微分環(huán)節(jié)能反應(yīng)輸入信號(hào) 的變化趨勢(shì) 產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào) 以增加系統(tǒng)的阻尼程度 從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性 因?yàn)槲⒎植糠肿饔弥粚?duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程起作用 而對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程沒(méi)有影響 且對(duì)系統(tǒng)噪聲非常敏感 所以單一的 D 控制器在任何情況下都不宜與被控對(duì)象串聯(lián)起來(lái)單獨(dú)使用 通常 微分控制 規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例一積分控制規(guī)律結(jié)合起來(lái) 構(gòu)成組合的 PD 或 PID 控制器 應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng) 12 當(dāng)利用 PID 控制器進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí) 除可使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)外 還將提供兩 個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn) 與 PI 控制器相比 PID 控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外 還多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn) 從而在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面 具有更大的優(yōu)越性 因此 在工 業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中 廣泛使用 PID 控制器 PID 控制器各部分參數(shù)的選擇 在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試中最后確定 通常 應(yīng)使 I 部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段 以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 而使 D 部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段 以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 2 1 2 數(shù)字?jǐn)?shù)字 PID 控制算法控制算法 在工業(yè)過(guò)程控制中 模擬 PID 調(diào)節(jié)器有電氣 氣動(dòng) 液壓等多種類(lèi)型 這類(lèi)模擬調(diào)節(jié) 儀表是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái) 用計(jì)算機(jī)軟件 包括 PLC 的指令 來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)算法不但成為可能 而且具有更大的靈活性 在計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)中 PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼進(jìn)的方法 當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí) 用求和代替 積分 用后向差分代替微分 使模擬 PID 離散化變?yōu)椴罘址匠?l4 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展 實(shí)際應(yīng)用中大多采用數(shù)字 PID 控制器 數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置型和增量型兩 種 1 位置型 PID 控制算法 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制 它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量 因此 連續(xù) PID 控制算法不能直接使用 需要進(jìn)行離散化處理 因此 必須把式 2 1 變換成差分 方程 以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代替連續(xù)時(shí)間 t 以和式代替積分 以增量代替微分 則 可作如下近似變換 式中 T 為采樣周期 k 為采樣序號(hào) 上述離散化過(guò)程中 采樣周期 T 必須足夠短 才能保證有足夠的精度 由式 2 I 2 3 和 2 4 可得數(shù)字 PID 位置型控制算式為 式 2 5 也可被寫(xiě)為 13 式 2 5 或 2 6 表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 u k 如閥門(mén)的開(kāi)度 所以被稱(chēng) 為數(shù)字 PID 位置型控制算式 數(shù)字 PID 位置型控制算法的簡(jiǎn)化示意圖如圖 2 2 所示 這種算法的缺點(diǎn)是 由于全量輸出 所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān) 計(jì)算時(shí)要 對(duì) e k 進(jìn)行累加 計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大 而且 因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 實(shí)際位置 如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障 u k 的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化 這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的 在某些場(chǎng)合 還可能造成重大的生產(chǎn)事故 為了避 免這種情況的發(fā)生 因而產(chǎn)生了增量型 PID 算法 2 增量型 PID 控制算法 所謂增量型 PID 是指數(shù)字控制器的輸出是控制器的增量 u k 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的 不是控制量的絕對(duì)值 而是其增量 例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 時(shí) 應(yīng)采用增量型 PID 控制 增量 型 PID 控制系統(tǒng)如圖 2 3 所示 由式 2 5 可看出 位置型控制算式不夠方便 這是因?yàn)橐奂悠?e i 不僅要占用較多 的存儲(chǔ)單元 而且不便于編寫(xiě)程序 為此可對(duì)式 2 5 進(jìn)行改進(jìn) 根據(jù)式 2 5 不難寫(xiě)出 u k 1 的表達(dá)式 即 增量型 PID 算法與位置型相比 有下列優(yōu)點(diǎn) 1 增量型算法不需要做累加 控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān) 計(jì)算 誤差或計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小 而位置型 PID 算法要用到過(guò)去所有誤差的累 加值 容易產(chǎn)生大的累加誤差 2 增量型算法得出的是控制量的增量 例如閥門(mén)控制中 只輸出閥門(mén)開(kāi)度的變化部 分 誤動(dòng)作影響小 必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出 不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作 14 而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出 誤動(dòng)作影響大 3 采用增量型算法 易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換 但增量型 PID 也有其不 足之處 如積分截?cái)嘈?yīng)大 有靜態(tài)誤差 溢出的影響大 2 2 PID 控制的特點(diǎn)控制的特點(diǎn) PID 控制器由于用途廣泛 使用靈活 己有系列化產(chǎn)品 使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)即 可 PID 控制器具有以下特點(diǎn) 1 原理簡(jiǎn)單 使用方便 PID 參數(shù)可以根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性及時(shí)調(diào)整 如果過(guò)程的動(dòng)態(tài) 特性發(fā)生變化 例如對(duì)負(fù)載變化引起的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化 PID 參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整 與設(shè)定 2 適應(yīng)性強(qiáng) 按 PID 控制規(guī)律進(jìn)行工作的控制器早已商品化 即使目前最新式的過(guò)程 控制計(jì)算機(jī) 其基本控制功能也仍然是 PID 控制 PID 應(yīng)用范圍廣 雖然很多工業(yè)過(guò)程是 非線(xiàn)性或時(shí)變的 但通過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化 可以將其變成基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系 統(tǒng) 這樣就可以通過(guò) PID 控制了 3 魯棒性較弱 即其控制品質(zhì)對(duì)被控制對(duì)象特性的變化比較敏感 傳統(tǒng)的 PID 控制也存在許多不足 最突出的一點(diǎn)就是有關(guān) PID 參數(shù)的問(wèn)題 首先 傳 統(tǒng) PID 無(wú)自適應(yīng)能力 這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面 第一 PID 控制器的參數(shù)整定必須相對(duì)于某 一模型已知 系統(tǒng)參數(shù)已知的系統(tǒng) 第二 PID 控制器參數(shù)一旦整定完畢 便只能固定地適 用于一種工況 但事實(shí)上大多數(shù)的生產(chǎn)過(guò)程都具有非線(xiàn)性 且其特性隨時(shí)間的變化而變化 顯然固定的一組參數(shù)是不能滿(mǎn)足這種變化的 其次 傳統(tǒng)的 PID 控制器的參數(shù)只能整定為 滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程控制目標(biāo)某一個(gè)方面的要求 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過(guò)程中人們主要關(guān)心的問(wèn)題 是 設(shè)定值跟蹤特性 和 干擾抑制特性 而傳統(tǒng)的 PID 控制器只能通過(guò)整定一組 PID 參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足一個(gè)方面的要求 因此常常采用折中的辦法整定控制器參數(shù) 這樣得到的控制 效果顯然不是最佳的 工業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性大都具有高階 非線(xiàn)性 大時(shí)滯及時(shí)變等特性 給以精確數(shù)學(xué)模 型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用帶來(lái)了困難 PID 在控制非線(xiàn)性 時(shí)變 禍合及參數(shù)和結(jié) 構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí) 效果不是太好 PID 三個(gè)參數(shù)選擇的好壞 直接影響到控制效果的好壞 合理的參數(shù)會(huì)使控制效果優(yōu) 良 不合理的選擇會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差 有時(shí)甚至使系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定 所以 探求 一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中 由于受到 參數(shù)整定方法繁雜的困擾 常規(guī) PID 控制器參數(shù)往往整定不良 性能欠佳 對(duì)運(yùn)行環(huán)境的 15 適應(yīng)性較差 針對(duì)上述問(wèn)題 長(zhǎng)期以來(lái) 人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自整定技術(shù) 以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高性能指標(biāo)的控制要求 2 3 PID 控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容 它是根據(jù)被 控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù) 積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多 概括起來(lái)有兩大類(lèi) 一是理論計(jì)算整定法 它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過(guò)理論計(jì)算 確定控制器參數(shù) 這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行 調(diào)整和修改 二是工程整定方法 它主 要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn) 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行 且方法簡(jiǎn)單 易于掌握 在工程實(shí)際中被廣泛采用 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法 主 要有臨界比例法 反應(yīng) 曲線(xiàn)法和衰減法 三種方法各有其特點(diǎn) 其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn) 然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定 但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參 數(shù) 都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善 現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法 利用該方 法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下 1 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工 作 2 僅加入比例控制環(huán)節(jié) 直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 記下這時(shí)的比 例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 3 在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù) 在實(shí)際調(diào)試中 只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值 然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改 對(duì)于溫度系統(tǒng) P 20 60 I 分 3 10 D 分 0 5 3 對(duì)于流量系統(tǒng) P 40 100 I 分 0 1 1 對(duì)于壓力系統(tǒng) P 30 70 I 分 0 4 3 對(duì)于液位系統(tǒng) P 20 80 I 分 1 5 參數(shù)整定找最佳 從小到大順序查 先是比例后積分 最后再把微分加 曲線(xiàn)振蕩很頻繁 比例度盤(pán)要放大 曲線(xiàn)漂浮繞大灣 比例度盤(pán)往小扳 曲線(xiàn)偏離回復(fù)慢 積分時(shí)間往下降 曲線(xiàn)波動(dòng)周期長(zhǎng) 積分時(shí)間再加長(zhǎng) 曲線(xiàn)振蕩頻率快 先把微分降下來(lái) 動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢 微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 16 理想曲線(xiàn)兩個(gè)波 前高后低 4 比 1 一看二調(diào)多分析 調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 三三 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 三容水箱液位控制系統(tǒng)作為自動(dòng)控制 化工過(guò)程等領(lǐng)域中非常典型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 它不僅可以作為液位過(guò)程控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)供學(xué)生做試驗(yàn) 而且也應(yīng)用一于非線(xiàn)性控制和 故障診斷的研究項(xiàng)目中 因此在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛的關(guān)注 文獻(xiàn) 8 中 Saco R 等人以控制教育的目的詳細(xì)的介紹了三容水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu) 成 仿真建模和實(shí)時(shí)仿真 在德國(guó)杜伊斯堡大學(xué) University ofDuisburg 測(cè)量與控制系的研究 者使用 DTS200 模型成功地測(cè)試了非線(xiàn)性解禍的方法和基于模型的故障診斷方法 文獻(xiàn) 9 中 Noura Nassau 等用三容水箱液位控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)執(zhí)行器容錯(cuò)控制的 設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究 文獻(xiàn) 1 叼用源于離散時(shí)間李雅普諾夫 Lyapunov 理論的控制技術(shù)與對(duì)實(shí) 時(shí)故障估計(jì)有自尋優(yōu)和在線(xiàn)自適應(yīng)能力的現(xiàn)代智能技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)基于多模型的在線(xiàn) 故障診斷與定位進(jìn)行了研究 并給出了在三容水箱液位控制系統(tǒng)上進(jìn)行仿真的試驗(yàn)結(jié)果 文獻(xiàn) 11 中 Tsuda K 等人利用三容水箱液位控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象提出了解決線(xiàn)性混 雜系統(tǒng)重組問(wèn)題的幾種算法 文獻(xiàn) 12 為四個(gè)相似非線(xiàn)性濾波器推一導(dǎo)了敏感模型 利用 這些敏感模型得出一種廣義自適應(yīng)濾波算法 GeneralAdaptive Filtering Algorithm 并在三 容水箱液位控制系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證 文獻(xiàn) 13 通過(guò)三容水箱液位控制系統(tǒng)的例子 說(shuō)明 了在一個(gè)分布式智能控制系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)智能子系統(tǒng)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的機(jī)制和大致過(guò)程 文 獻(xiàn) 14 提出了一種推廣的基于模型的預(yù)測(cè)控制 Extended MPC 方案 用以龍伯格一馬夸特 Levenberg Marquardt 算法離線(xiàn)訓(xùn)練非線(xiàn)性狀態(tài)空間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模型 在三容水箱 液位控制系統(tǒng)上驗(yàn)證了方案的正確性 文獻(xiàn) 15 利用 ZIR ZeroInput Response 和 ZSR CZero State Response 綜合控制信號(hào) 構(gòu)建基于非線(xiàn)性受控對(duì)象物理模型一三容水箱液 位控制系統(tǒng)的仿真器 并利用其獲得理想 17 四四 研究和應(yīng)用的前景研究和應(yīng)用的前景 隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展 人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制水平 工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品 質(zhì)量的要求也越來(lái)越高 每一個(gè)先進(jìn) 實(shí)用控制算法和監(jiān)測(cè)算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有 積極有效的推動(dòng)作用 然而 當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的 通常情況下實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究滯后幾年 甚至有的時(shí)候這 種滯后相差幾十年 這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問(wèn)題 究其根源主要在于理論研究尚 缺乏實(shí)際背景的支持 一旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題 制約了其應(yīng)用 因而 在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過(guò)程條件的今天 開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用且具 有典型對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)疑是一條探索將理論成果快速轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的捷徑 多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線(xiàn)性禍合系統(tǒng) 是過(guò)程控制中的一種典型的控制對(duì)象 在實(shí)際生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用背景 用經(jīng)典控制方法和常規(guī)儀表控制這類(lèi)過(guò)程時(shí) 常 因系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系以及系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)而使系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜 會(huì)明顯地降低控 制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì) 在禍合嚴(yán)重的情況時(shí)會(huì)使各