PID水箱液位控制

1、摘 要 在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題, 例如居民生活用水的供應(yīng), 飲料、食品加工, 溶液過濾, 化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿溢出造成浪費(fèi), 也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。 PID控制(比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。 本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到液

2、位的動態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，調(diào)節(jié)閥為電動調(diào)節(jié)閥。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。利用Matlab仿真，整定PID參數(shù)，得出仿真曲線，得到整定參數(shù)，控制效果很好，實(shí)現(xiàn)了水箱液位的控制。關(guān)鍵詞： PID控制 過程控制 液位控制 Matlab目錄摘 要I第一章 緒論111過程控制的定義112過程控制的目的113過程控制的特點(diǎn)214過程控制的發(fā)展與趨勢2第二章 水箱液位控制系統(tǒng)的原理321 人工控制與自動

3、控制322 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖423 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型5第三章 水箱液位控制系統(tǒng)的組成831 被控制變量的選擇832 執(zhí)行器的選擇83.3 PID控制器的選擇1134 液位變送器的選擇12第四章 PID控制規(guī)律1441 比例控制1442積分控制（I）1643微分控制（D）1644比例積分控制（PI）1745比例積分微分控制（PID）17第五章 利用MATLAB進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)185.1 MATLAB設(shè)計(jì)185.2 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)185.3 MATLAB設(shè)計(jì)要求185.4 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)分析195.4 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)分析205.5 MATLAB設(shè)計(jì)內(nèi)容24主回路的

4、設(shè)計(jì)24副回路的設(shè)計(jì)24主、副回路的匹配245.5.4 單回路PID控制的設(shè)計(jì)25串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)30心得體會33參考文獻(xiàn)34第一章 緒論11過程控制的定義生產(chǎn)過程自動化，一般是指石油、化工、冶金、煉焦、造紙、建材、陶瓷及電力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序進(jìn)行的生產(chǎn)過程的自動控制。電力拖動及電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過程的自動控制一般不包括在內(nèi)。凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制通稱為過程控制。過程控制是自動控制學(xué)科的一個(gè)重要分支，是對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合。12過程控制的目的生產(chǎn)過程中，對各個(gè)工藝過程的物理量（或稱工藝變量）有著一定的控制要求。有些工藝變量直接

5、表征生產(chǎn)過程，對產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作的壓力不變的情況下必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品；加熱爐出口溫度的波動不能超出允許范圍，否則將影響后一段的效果；化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達(dá)到指標(biāo)。有些工藝變量雖不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，然而保持其平穩(wěn)卻是使生產(chǎn)獲得良好控制的前提。例如，用蒸汽加熱反應(yīng)器或在沸器，如果在蒸汽總壓波動劇烈的情況下，要把反應(yīng)溫度或塔釜溫度控制好將極為困難；中間儲槽的液位高度與氣柜壓力，必須維持在允許的范圍之內(nèi)，才能使物料平衡，保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)。有些工藝變量是決定安全生產(chǎn)的因素。例如，鍋爐汽包的水位、受壓

6、容器的壓力等，不允許超出規(guī)定的限定否則將威脅生產(chǎn)安全。還有一些工藝變量直接鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，某些混合氣體環(huán)境的污染，因此，減小工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響也已納入過程控制的目標(biāo)范圍。綜上所述，過程控制的主要目標(biāo)包括一下幾個(gè)方面： 保障生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)； 達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量； 盡可能地減少原材料和能源損耗； 把生產(chǎn)對環(huán)境的危害降低到最小程度。裝訂線由此可見，生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、降低成本、改善勞動條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安去和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，使20世紀(jì)科學(xué)與進(jìn)步的特征，市工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。13過程控制的特點(diǎn)生產(chǎn)過程的自動控制一般要求保持過程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為

7、一定值或按一定規(guī)律變化。顯然，過程參數(shù)的變化，不但受外界條件的影響，它們之間往往也相互影響，這就增加了某些參數(shù)自動控制的復(fù)雜性和難度，過程控制有如下特點(diǎn)： 被控對象的多樣性； 對象存在滯后； 對象特性的非線性； 控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。由于對象的特性不同，其輸入與輸出可能不止一個(gè)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于適應(yīng)這些不同的特點(diǎn)，以確定控制方案和控制其的設(shè)計(jì)或選型，以及控制器特性參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定。這些都要以對象的特性為依據(jù)，而對象的特性復(fù)雜且難以認(rèn)識，所以要完全通過理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定至今仍不可能。目前已設(shè)計(jì)出的各種各樣的控制系統(tǒng)（如簡單的位式控制系統(tǒng)、單回路及多回路控制系統(tǒng)，以及前饋控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

8、等），都是通過必要的理論計(jì)算，采用現(xiàn)場的方法達(dá)到過程控制的目的。14過程控制的發(fā)展與趨勢20世紀(jì)40年代開始形成的控制理論被成為“20世紀(jì)上半葉三大偉績之一”，在人類社會的各個(gè)反面有著深遠(yuǎn)的影響。與其他任何學(xué)科一樣，控制理論源于社會實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐。自動化技術(shù)的前驅(qū)，可以追溯到我國古代，如指南車的出現(xiàn)。至于工業(yè)上的應(yīng)用，一般以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為起點(diǎn)。有人把直到20世紀(jì)30年代末這段時(shí)期的控制理論成為第一代控制理論，第一代控制理論分析的主要問題是穩(wěn)定性，主要的數(shù)學(xué)方法是微分方程解析方法。這時(shí)候的系統(tǒng)（包括過程控制系統(tǒng)）是簡單控制系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的、滿足當(dāng)時(shí)的需要。到第二次時(shí)間大戰(zhàn)前后

9、，控制理論有了很大發(fā)展，Nyquist(1932)和Bode（1945）頻率法分析技術(shù)及穩(wěn)定判據(jù)、Evens根軌跡分析方法的建立，使經(jīng)典控制理論發(fā)展到了成熟的階段，這是第二代控制理論。從20世紀(jì)50年代開始，隨著工業(yè)的發(fā)展、控制需求的提高，除了簡單控制系統(tǒng)以外，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)也發(fā)展起來了，而且取得了顯著的功效。20世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展，它以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)、以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征的而以在隨機(jī)干擾下采用Kalman濾波器的線性二次型系統(tǒng)（LOG）設(shè)計(jì)宣告了時(shí)域方法的完成，這是第三代控制理論。從20世紀(jì)70年代開始，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，現(xiàn)代

10、控制理論和優(yōu)化與控制相結(jié)合，逐步發(fā)發(fā)展成了大系統(tǒng)理論。過程控制是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)來看，過程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段：基地式控制階段（初級階段）、單元組合儀表自動化階段、計(jì)算機(jī)控制的初級階段、綜合自動化階段。第二章 水箱液位控制系統(tǒng)的原理21 人工控制與自動控制下圖為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為保持水箱液位恒定，操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控制的過程主要分為三步： 用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測量值，并通過神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦； 大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差大小和方向，然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出控制命令； 根據(jù)大腦發(fā)出的

11、命令，用雙手去改變給水閥（或進(jìn)水閥）的開度，使水箱液位包持在工藝要求的高度上。在整個(gè)手工控制過程中，操作人員的眼、腦、手、三個(gè)器官，分別擔(dān)負(fù)了檢測、判斷、和運(yùn)算、執(zhí)行三個(gè)作用，來完成測量、求偏差、在施加控制操作以糾正偏差的工作過程，保持水箱液位的恒定。人工控制自動控制如果采用檢測儀表和自動控制裝置來代替人工控制，就成為過程控制系統(tǒng)。在自動控制示意圖中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過檢測變送儀表得到其測量值；控制器接受液位測量變送器送來的信號，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號；控制閥接受控制器的控制信號，按其大小改變閥門的開度，調(diào)整給水量，以克服

12、擾動的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達(dá)到水箱液位的恒定。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。這些自動控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒有人直接蔡玉的自動控制系統(tǒng)。22 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖本論文對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對象、一個(gè)檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：被控變量擾動

13、偏差操縱變量控制器 執(zhí)行器 被控對象 測量變送器擾動通道由這個(gè)簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下：液位變送器+PID控制器電動控制閥閥閥器液位_水箱23 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。（1） 確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進(jìn)料閥1為控

14、制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量。2L1tL()L(t)L(0)水箱液位過程及其階躍響應(yīng)曲線（2）根據(jù)過程內(nèi)在機(jī)理，列寫原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系，當(dāng)過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方程為：-=0（16），、分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量，當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時(shí)進(jìn)料量大于出料量，多余的液體在水箱內(nèi)儲存起來，使其液位升高。設(shè)水箱液體的儲存量為V，則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲存量的凈增量。其動態(tài)方程為：-=（17）=、，、分別為和的增量。設(shè)水

15、箱截面積為A，則有V=AL，其增量形式為dV=AdL，即：（18）。將=、和式（18）代入式（17），得 （19）。 將式（19）減去式（16）可得用新增量形式表示的動態(tài)方程式，為： （110）（3）消去中間變量，簡化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（110）中，為中間變量。與輸出變量L的關(guān)系可表示為：= ：比例系數(shù) （111）當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式，就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（111）改寫成增量形式： 令，則有： （112）將式（112）代入式（110）中，即得 （113）式（113）即為水箱液位

16、過程的數(shù)學(xué)模型。由此可見，這是一個(gè)一階微風(fēng)方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式： （114）或 （115）為一階過程的時(shí)間常數(shù)，,具有時(shí)間量綱；為一階過程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；為一階過程的輸出變量；為一階過程的輸入變量；為阻力系數(shù)，=液位的變化量 / 出料流量的變化量；為容量系數(shù)，=儲存的物料變化量/ 液位的變化量。當(dāng)被控變量的檢測地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)，就會出現(xiàn)滯后。在控制過程中，若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離，則當(dāng)進(jìn)料閥開度變化而引起進(jìn)料流量變化后，液體需要經(jīng)過一段傳輸時(shí)間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。顯然液體

17、流經(jīng)這段距離所需 時(shí)間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風(fēng)方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過程，其特性可用放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來全面表征。第三章 水箱液位控制系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)研究的水箱液位控制系統(tǒng)是簡單控制系統(tǒng)，是使用的族普遍的、結(jié)構(gòu)最簡單的一種過程控制系統(tǒng)。所謂的簡單控制系統(tǒng)，通常是指一個(gè)被控對象、一個(gè)檢測變送單元（檢測元件及變送器）、一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。31 被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控變量選擇的正確與否是決定控制

18、系統(tǒng)有無價(jià)值的關(guān)鍵。對于任何一個(gè)控制系統(tǒng)，總是希望其能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作、增加產(chǎn)品產(chǎn)量、保證生產(chǎn)安全及改善勞動條件等方面發(fā)揮作用，如果被控變量學(xué)則不當(dāng)，配備再好的自動化儀表，使用在復(fù)雜、先進(jìn)的控制規(guī)律也無用的，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。對于水箱液位控制系統(tǒng)，其被控變量是顯而易見的，液位就是其被控變量，是直接參數(shù)控制。32 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用?？刂葡到y(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確選用有著十分密切的關(guān)系。執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號，實(shí)現(xiàn)對操縱變量的改變，從而使被控變量向設(shè)定值靠攏。執(zhí)行器位于控制回路的最總端，因此又稱為最終元件。本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥，也

19、稱調(diào)節(jié)閥?？刂崎y發(fā)裝現(xiàn)場，通常在高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、易滲透、易結(jié)晶、易燃易爆、劇毒等場合下工作。如果選擇不當(dāng)或維修不妥，就會使整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)作。經(jīng)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的原因，多數(shù)發(fā)生在控制閥上。對于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要?？刂崎y接受控制器輸出的控制信號，通過改變閥的開度來達(dá)到控制流量的目的?？刂崎y有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的控制信號產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號去改變能量或物料輸送量的裝置?？刂崎y按其能源形式可分為氣動、電動、液動三大類。液動控制閥推力最大，但比較笨重，目前已經(jīng)極少使用。電動控制閥的能源取用方便，信號傳遞迅

20、速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動控制閥采用壓縮空氣作為能源，其特點(diǎn)是簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆而且價(jià)格較低，因此得到廣泛應(yīng)用。氣動控制閥可以方便的與電動儀表配套使用，即使是采用電動儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)，只要經(jīng)過電氣轉(zhuǎn)換閥門定位器將電信號轉(zhuǎn)換為20100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號仍可采用氣動控制閥。調(diào)節(jié)閥基型產(chǎn)品即普通產(chǎn)品按基型結(jié)構(gòu)特征分為幾大類產(chǎn)品，它們是：直通單座閥、直通雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥，其中前6種為直行程調(diào)節(jié)閥，后3種為角行程調(diào)節(jié)閥，選擇購買控制閥時(shí)，必須首先弄清楚基型產(chǎn)品的特點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)、各類變型產(chǎn)品、改進(jìn)產(chǎn)品。（1）

21、直通單座調(diào)節(jié)閥該閥具有泄漏小、許用壓差小、流路復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，適用于泄漏要求嚴(yán)、工作壓差小的干凈介質(zhì)場合，但小規(guī)格的閥（如DN15、20、25）亦可用于壓差較大的場合，是應(yīng)用最廣泛的閥之一。（2）直通雙座調(diào)節(jié)閥與單座閥相反，具有泄漏大、許用壓差大的特點(diǎn)，適用于泄漏要求不嚴(yán)、工作壓差大的干凈介質(zhì)場合，是應(yīng)用最為廣泛的閥之一。（3）套筒閥套筒閥具有單密封、雙密封兩種結(jié)構(gòu)，前者相當(dāng)于單座閥，后者相當(dāng)于雙座閥，適用于雙座閥場合，除此之外，套筒閥還具有穩(wěn)定性好、裝卸方便的特點(diǎn)，但價(jià)格比單雙座閥貴50%200%，還需要專門的纏繞密封墊。是僅次于單、雙座閥應(yīng)用較為廣泛的閥。（4）角形閥節(jié)流型式相當(dāng)于單

22、座閥，但閥體流路簡單，適用于泄漏要求小、壓差不大的不干凈介質(zhì)場合以及要求直角配管的場合。（5）三通閥具有3個(gè)通道，可代替兩個(gè)直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成150的場合，當(dāng)DN<80mm，儀表工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作。（6）隔膜閥隔膜閥流路簡單，隔膜具有一定的耐蝕性能，適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕性介質(zhì)的兩位切斷場合。（7）蝶閥相當(dāng)于取一段直管來做閥體，且閥體又相當(dāng)于閥座，自潔性能好、體積小、重量輕，適用于不干凈介質(zhì)和大口徑、大流量、低壓差的場合。當(dāng)DN>300mm時(shí)，通常采用蝶閥。（8）球閥“O"形球閥全開時(shí)為無阻調(diào)節(jié)，自潔性能最佳，適用于特別不干凈、含纖維介質(zhì)的兩位切斷

23、場合?！癡"形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性，適用于不干凈、含纖維介質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場合。球閥價(jià)格較貴。（9）偏心旋轉(zhuǎn)閥該閥介于蝶閥和球閥之間，自潔性能好，調(diào)節(jié)性能好，亦可切斷，適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場合，但該閥價(jià)格較貴。3.3 PID控制器的選擇控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，它將安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量變送裝置送來的測量信號與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，并按預(yù)先設(shè)置好的控制規(guī)律對該偏差進(jìn)行預(yù)算，產(chǎn)生輸出型號去操縱執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)對被控制變量的控制。常見的PID控制器形式主要有三中：（1）硬件型，通用PID溫控氣；（2）軟件型，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PI

24、D控制器；（3）使用變頻器內(nèi)置PID控制功能，相對兩種來說，這種叫內(nèi)置型。這三種控制器形式各具特點(diǎn)。（1） PID溫控器現(xiàn)在PID溫控器多為數(shù)字型控制器，具有位空方式、數(shù)字PID控制方式以及模糊控制方式，有的還具有自整定功能，如富士PWX系列溫控器、歐陸800系列溫控器就屬此類型。此類溫控器的輸入輸出類型都可通過設(shè)置參數(shù)來改變，考慮到抗干擾性，一般將輸入輸出類型都設(shè)定位420mA電流類型。這種PID形式的主要優(yōu)點(diǎn)有：操作簡單、功能強(qiáng)大、動態(tài)調(diào)節(jié)性能號，適用于選用能過的變頻器性能不是很高的應(yīng)用場合，同時(shí)控制器還具有傳感器斷線和故障自動檢測功能。缺點(diǎn)是：PID調(diào)節(jié)過于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差，布線工作量

25、多。調(diào)試注意要點(diǎn)：P參數(shù)值不應(yīng)太大，一般為0.51；參數(shù)和D參數(shù)的比值大約位4：1參數(shù)的值一般位6s16s；由于PID溫控器的響應(yīng)快，為了防止調(diào)整過程中壓力波動過大，變頻器的上升和下降時(shí)間應(yīng)調(diào)大些，推薦30s80s；設(shè)定PID溫控器的顯示標(biāo)尺斜率，校正壓力顯示值；設(shè)定適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波時(shí)間，抑制干擾的輸入。（3）軟件型PID這種類型可以使用PLC指令編程編寫PID算法程序，可以充分利用PLC的功能。優(yōu)點(diǎn)是控制性能號，柔性好，在調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力十分穩(wěn)定，信號干擾小，調(diào)試簡單，接線工作量少，可靠性高。缺點(diǎn)是編程工作量增加，需增加硬件成本。調(diào)試時(shí)要盡量設(shè)置短的變頻器的上升時(shí)間和下降時(shí)間。在編程設(shè)計(jì)中必須

26、防止計(jì)算結(jié)果值溢出，造成控制失控，而且還要編寫校正傳感器零點(diǎn)和判斷是否正常的功能程序。（3）變頻器內(nèi)置PID現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無論是專用型，還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能，這對節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利使用變頻器的內(nèi)置PID功能，首先必須設(shè)定PID功能有效，然后確定PID控制器的信號輸入類型，如采用有反饋信號輸入，則要求有設(shè)定值信號，設(shè)定值可以是外部信號，也可以是面板設(shè)定值；如采用偏差輸入信號，則無須輸入設(shè)定值信號。內(nèi)置型PID優(yōu)點(diǎn)是成本低，控制性能號，設(shè)置的參數(shù)少，接線工作量較少，抗干擾性最好。缺點(diǎn)是這種PID也屬軟件型PID，響應(yīng)較慢，易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；壓力的設(shè)置和顯示不直觀。調(diào)試應(yīng)盡量設(shè)置短

27、的變頻器的上升時(shí)間和下降時(shí)間，使用面板設(shè)定設(shè)置值是，設(shè)定的是設(shè)置值與傳感器量程的相對值，設(shè)置正確的PID動作方向。當(dāng)然。PID控制器在實(shí)際應(yīng)用中有很多類型，就水箱液位控制系統(tǒng)可選用的也有很多，具體選用何種型號，要看具體情況而定。34 液位變送器的選擇測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用420mADC、15VDC、010mADC的電流（電壓）信號，或20100kPa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號是數(shù)字信號。下面是生產(chǎn)過程中常用的液位變送器：（1） 浮球式液位變送器浮球式液位變送器由磁性浮球、測量導(dǎo)管、信號單元、電子單元

28、、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導(dǎo)管上下移動。導(dǎo)管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420mA或其它標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞。（2） 浮簡式液位變送器浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過現(xiàn)場按鍵來進(jìn)行常規(guī)的

29、設(shè)定操作。（3）靜壓或液位變送器該變送器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償，最后以420mA或010mA電流方式輸出。（4）電容式物位變送器電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中進(jìn)行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制420mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為15V、05V、010mA等標(biāo)準(zhǔn)信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料

30、位上升時(shí)，因非導(dǎo)電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。（5）超聲波變送器超聲波變送器分為一般超聲波變送器（無表頭）和一體化超聲波變送器兩類，一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變更新器由表頭（如LCD顯示器）和探頭兩部分組成，這種直接輸出420mA信號的變送器是將小型化的敏感元件（探頭）和電子電路組裝在一起，從而使體積更小、重量更輕、價(jià)格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測量和開渠

31、、明渠等流量測量，并可用于測量距離。第四章 PID控制規(guī)律41 比例控制比例控制規(guī)律是指：控制器的輸出信號(指變化量)與輸出信號（指偏差、當(dāng)設(shè)定值）變時(shí)，偏差就是被控量測量值的變化量）之間成比例關(guān)系，即： 比例增益：某值在一定范圍內(nèi)可調(diào),在相同偏差輸入下，越大，輸出也越大，比例控制作用越強(qiáng)，因此是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù)。 比例控制器傳遞函數(shù)：在階躍偏差作用下，比例控制器響應(yīng)曲線：tOe (t)AtOe (t)A比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點(diǎn)是控制作用簡單，調(diào)整方便，且負(fù)荷變化時(shí)，克服擾動能力強(qiáng)，控制作用及時(shí)，過渡過程時(shí)間短，但因控制器的輸出信號與偏差信號之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系

32、，所以過程終了時(shí)存在偏差，且負(fù)荷變化越大，余差也越大。比例控制對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何，關(guān)鍵問題在于選擇合適的比例度，比例度時(shí)指控制器輸入的變化相對值與輸出的相對變化值之比的百分?jǐn)?shù)，即： 控制器的輸入信號的變化量，即偏差信號。：控制器的輸出信號的變化量，即控制命令。：控制器的輸入信號的變化范圍，即量程。：控制器輸出信號的變化范圍。將比例控制器切入系統(tǒng)，閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度對系統(tǒng)過渡過程的影響如圖：y(t)減小Y(0)擾動作用tt Y(0)y(t)減小新的設(shè)定值設(shè)定作用不同比例度下的過渡過程（1） 余差：在擾動（如負(fù)荷）及設(shè)定值變化時(shí)，控制系統(tǒng)有余差存在。在相同的負(fù)荷變化量的

33、擾動下，比例度越小，余差越??；在比例度相同的情況下負(fù)荷變化量越大，則余差越大。（2） 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響：有圖可看出，比例度越大，過渡過程的曲線越平穩(wěn);隨著比例度的減少，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩程度增加，衰減比減少，穩(wěn)定性變差，當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)散振蕩，十分危險(xiǎn)，有時(shí)甚至造成重大事故。（3） 對系統(tǒng)過渡過程的影響：由圖可見，隨比例度的減少，振蕩加劇，振蕩頻率提高，將被控量拉回到設(shè)定值所需時(shí)間就短。一般而言，在廣義對象的放大系數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)較大，時(shí)滯較小的情況下，比例度選的小些，以提高系統(tǒng)靈敏度；反之，當(dāng)廣義對象的放大系數(shù)較大，時(shí)間常數(shù)較小，而時(shí)滯較大的情況下，必須適當(dāng)增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)

34、定性。（4） 對最大偏差的影響：最大偏差在兩類外作用下不一樣，在擾動作用下越小，最大偏差越??；在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是，才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩、最大偏差和余差都不太大，過程穩(wěn)定快，回復(fù)時(shí)間短的控制效果，在工業(yè)生產(chǎn)中近長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為：%20%80、在控制器的控制規(guī)律中，比例作用是最基本、最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律，它能較為迅速地克服擾動的影響，使系統(tǒng)很快的確定下來，通常使用干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大，過程時(shí)滯較小，控制要求不高，允許有余差存在的場合。在液位控制系統(tǒng)中，往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，

35、并沒有嚴(yán)格要求即可采用比例控制。42積分控制（I）積分控制規(guī)律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比，即: :積分速度積分控制特點(diǎn)：積分控制主要用于消除余差，但作用緩慢，總滯后與偏差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動的影響，致使被控變量的動態(tài)偏差增大，控制過程拖長，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定，因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨(dú)使用，都是與比例作用組合來使用的。43微分控制（D）微分控制規(guī)律是指其輸出信號的變化量與偏差信號的變化速度成正比，即： ：微分時(shí)間微分控制規(guī)律特點(diǎn)：微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的結(jié)果不能消除偏差，所以控制規(guī)律不能單獨(dú)使用。它常與比例或比例

36、積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律，而從實(shí)際使用情況來看，比例微分控制規(guī)律使用的較少，在生產(chǎn)上微分往往與比例積分結(jié)合在一起使用，組成PID控制。44比例積分控制（PI）比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ：比例項(xiàng) :是積分項(xiàng) :積分時(shí)間 比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來消除余差，故比例積分控制是使用最多、應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在反饋控制系統(tǒng)中，約有75%是采用PI作用的。但是，加入積分作用后，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性，必須加大比例度（即削弱比例作用），這又會使2質(zhì)量有所下降，如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大、過渡時(shí)間加長。對于控制

37、通道滯后較小、負(fù)荷變化不太大、工藝、參數(shù)不允許有余差的場合（如流量或壓力控制），采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量。45比例積分微分控制（PID）理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達(dá)式：雖然微分作用對于克服容量滯后有顯著的效果，但對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再加入積分作用可以消除余差。所以適當(dāng)調(diào)整、三個(gè)參數(shù)，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。由于，PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，既能快速進(jìn)行控制，有能消除偏差，還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢超前動作，具有較好的控制性能，所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。第五章 利用MATLAB進(jìn)行仿真設(shè)

38、計(jì)5.1 MATLAB設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.2 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1.2.1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖5.3 MATLAB設(shè)計(jì)要求1.已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：，。要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進(jìn)行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；3. 針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級控制方案，要求畫

39、出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行評述。5.4 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一般較機(jī)理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理建模法。串級控制雙容液位過程如圖所示。圖1.4.1 串級控制的雙容液位過程兩容器的流出閥均為手動閥門，流量只與容器1的液位有關(guān)，與容器2的液位無關(guān)。容器2的液位也不

40、會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有非線性方程： (4-1) (4-2)過程的原始數(shù)據(jù)模型為： (4-3)2. 針對雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進(jìn)行仿真，其中PID參數(shù)的整定要求寫出整定的依據(jù)（選擇何種整定方法，P、I、D各參數(shù)整定的依據(jù)如何），對仿真結(jié)果進(jìn)行評述；3. 針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行評述。5.4 MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要

41、用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一般較機(jī)理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理建模法。串級控制雙容液位過程如圖所示。圖1.4.1 串級控制的雙容液位過程兩容器的流出閥均為手動閥門，流量只與容器1的液位有關(guān)，與容器2的液位無關(guān)。容器2的液位也不會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有非線性方程： (4-1) (4-2)過程的原始數(shù)據(jù)模型為： (4-3)令容器1、容器2相應(yīng)的線性水阻

42、分別為和： (4-4) (4-5)其中為容器1的初始液位，為容器2的初始液位。則有過程傳遞函數(shù)： (4-6) (4-7)而由式（2-41）可以退出： (4-8)因此有： (4-9)令時(shí)間常數(shù)和，最終可得該過程的傳遞函數(shù)為： (4-10)可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為： (4-11)由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個(gè)具有自

43、平衡能力的過程。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對輸入的反應(yīng)越快，反之，若時(shí)間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時(shí)間常數(shù)，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。因此通?？捎靡浑A慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似無相互影響的多容系統(tǒng)在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）； （下水箱傳遞函數(shù)）?？刂破鳎篜ID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器

44、送至控制器（PID），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對象是單水箱時(shí)，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果。考慮到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，然后直

45、接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：圖1.4.2 單回路閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。然后，加入副回路、副控制器，再有干擾的情況下，比較單回路控制、串級控制系統(tǒng)性能的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下：圖1.4.3 串級控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下：圖1.4.4 串級控制系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)施方案圖5.5 MATLAB設(shè)計(jì)內(nèi)容5.5.1主回路的設(shè)計(jì) 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單

46、回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。 5.5.2副回路的設(shè)計(jì) 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。 歸納如下。 (1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動包括在副回路中。 (2)將更多的擾動包括在副回路中。 (3)副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 (4

47、)要將被控對象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對象中。 (5)在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。 在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧(2)和(3)的綜合。5.5.3主、副回路的匹配 (1)主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動，同時(shí)也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包

48、括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在310之間。比值過高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動對被控量的影響。嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。 (2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制

49、，副調(diào)節(jié)器是隨動控制。系統(tǒng)對二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入I或 D 控制。如果引入 I 控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D控制，因?yàn)楦被芈凡捎?P控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會使調(diào)節(jié)閥的動作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。(3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)

50、節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。5.5.4 單回路PID控制的設(shè)計(jì)MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：圖1.5.1 無干擾單回路MATLAB仿真框圖先對控制對象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。A. 將積分時(shí)間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0，微分時(shí)間常數(shù)TD調(diào)為零，比例帶為較大值，即MATLAB中K為較小值。B. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10：1時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖：參數(shù)：K1=9.8，Ti=無窮大，TD=0圖1.5.2 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖經(jīng)觀測，此時(shí)衰減比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C根

51、據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)： K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.3 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。A 保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.4 單回路

52、MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.5 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。B 保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=10，TD=5.6圖1.5.6 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，Ti=1，TD=5.6圖1.5.7 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩

53、頻率增大。A 保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6圖1.5.8 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6圖1.5.9 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大?，F(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：圖1.5.10 有干擾單回路MATLAB仿真框圖階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6 圖有干擾單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波

54、形圖觀察以上曲線，并與無干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時(shí)，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時(shí)間的小幅震蕩，由此可見，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級控制。5.5.5串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：圖1.5.12 有噪聲串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖當(dāng)無噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3 圖有噪聲串級控制MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5 圖有噪聲串級控制MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0 圖有噪聲串級控制MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，