水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、昌吉學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目 水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別 物理系 專 業(yè) 能源工程及自動(dòng)化 班 級 物理系B1105班 學(xué) 生 陳希嘉 學(xué) 號 1125862019 指 導(dǎo) 教 師 李斌 第一章41.1過程控制的發(fā)展背景4液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義41.2研究的目的和意義41.3液位串級控制系統(tǒng)的介紹51.4PLC的產(chǎn)生和定義5可編程控制器的產(chǎn)生5可編程控制器的定義51.4.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀6第二章水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)72.1對水箱液位控制系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行論述72.2此控制系統(tǒng)的總體方框圖82.3控制算法10算法10中的PID實(shí)現(xiàn)11控制的各種常見的控制規(guī)律如下：12選擇適合本系統(tǒng)的控

2、制規(guī)律152.4PLC的組成及原理162.5PLC硬件配置17的選擇17摘要這篇論文的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)水箱液位串級控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)對水箱液位的串級控制，采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)，自動(dòng)化儀表技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)。首先我們要對被控對象進(jìn)行分析，根據(jù)被控對象和被控過程特性設(shè)計(jì)一個(gè)串級控制系統(tǒng)通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深對所學(xué)傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)換技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理以及過程控制的基本原理、基本知識的理解和應(yīng)用，掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法，掌握工程整定參數(shù)方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強(qiáng)動(dòng)手能力，為今后工作打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)第一章1.1過程控制的發(fā)展背景自本世紀(jì)30年代以來，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，

3、自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)液位，溫度，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過程。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控

4、制（SPC）。90年代以來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要分支。過程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)研究和開發(fā)先進(jìn)的控制方法、策略的平臺，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還可以通過大量的實(shí)驗(yàn)來對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。它是專門針對于過程控制中液位控制研究的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量，通過 PLC 下位機(jī)軟

5、件設(shè)計(jì)控制器，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。同時(shí)也可以對液位控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與研究。水箱液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為解決實(shí)際工程應(yīng)用提供了良好的研發(fā)平臺。1.2研究的目的和意義為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過程中，一個(gè)很重要的控制參數(shù)就是液位。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來越高，一般的自動(dòng)化控制已經(jīng)也不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入

6、PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及時(shí)。液位控制系統(tǒng)它使我們的生活、生產(chǎn)都帶來了不可想象的變化。它使在控制中更加的安全，節(jié)約了更多的勞動(dòng)力，更多的時(shí)間。在我國隨著社會的發(fā)展，很早就實(shí)行了自動(dòng)控制。而在我國液位控制系統(tǒng)也利用得相當(dāng)?shù)膹V泛，特別在鍋爐液位控制，水箱液位控制。還在黃河治水中也的到了利用，通過液位控制系統(tǒng)檢測黃河的水位的高低，以免由于黃河水位的過高而在不了解的情況下，給我們?nèi)嗣駧砩ｋU(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。1.3液位串級控制系統(tǒng)的介紹在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和

7、控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。 在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將以THJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努

8、力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。1.4PLC的產(chǎn)生和定義可編程控制器的產(chǎn)生20世紀(jì)60年代，在世界技術(shù)改造的沖擊下，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快的新型工業(yè)控制器。1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司從用戶角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件后，立即引起了開發(fā)熱潮?？删幊炭刂破鞯亩x國際工委員會（IEC）曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985年1月又發(fā)表了第二稿，1987年2月頒布了第三稿。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲器，用來在其

9、內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1.4.3 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)

10、品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為3040%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配

11、套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光

12、公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。第二章水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)2.1對水箱液位控制系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行論述單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結(jié)構(gòu)最簡單的一種形式，它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求，因此，它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。但是也有另外一些情況，譬如調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又很高；或者調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性雖然并不復(fù)雜，但控制的任務(wù)卻比較特殊，則單回路控制系

13、統(tǒng)就無能為力了。另外，隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展，對操作條件要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)，而串級控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質(zhì)的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個(gè)參數(shù)，對液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制

14、質(zhì)量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進(jìn)行控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，其時(shí)間常數(shù)較小，將它納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。當(dāng)然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補(bǔ)償控制。但這兩種控制方案較難用一般常規(guī)儀表來實(shí)現(xiàn)，在經(jīng)濟(jì)性和簡便性上不如串級控制，一般用在其它有特殊要求的控制系統(tǒng)中。2.2此控制系統(tǒng)的總體方框圖被控對象的構(gòu)成圖被控對象為圖2.1中所示液位對象。水泵變頻器流量調(diào)節(jié)器流量測量變送器液位對象U儲水箱液位調(diào)節(jié)器液位測量變送器f圖2.1二、被控對象的工作原理、傳遞函

15、數(shù)及理論推導(dǎo)如下：單容水箱如圖2.1所示，Qi為入口流量，由調(diào)節(jié)閥開度加以控制，出口流量則由電磁閥控制產(chǎn)生干擾。被調(diào)量為水箱中的水位H,它反映水的流入與流出量之間的平衡關(guān)系?，F(xiàn)在分析水位在電磁閥開度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。顯然，在任何時(shí)刻水位的變化均滿足下述物料平衡方程： （2.1）其中 （2.2） （2.3） F為水箱的橫截面積；是決定于閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；是與電磁閥開度有關(guān)的系數(shù)，在固定不變的開度下，k可視為常數(shù)。將（2.2）、（2.3）兩式代入式（2.1）得 （2.4）上式是一個(gè)非線性微分方程。這個(gè)非線性給下一步的分析帶來很大的困難，但如果水位始終保持在其穩(wěn)態(tài)值附近很小的范圍內(nèi)變

16、化，那就可以將上式加以線性化。為此，首先把原始的平衡方程改寫成增量形式，其方法如下。在過程控制中，描述各種動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性最常用的方式是階躍響應(yīng)，這意味著在擾動(dòng)發(fā)生以前，該環(huán)節(jié)原處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，對于上述水箱來說，在起始的穩(wěn)定平衡狀態(tài)下，平衡方程（2.1）變?yōu)?（2.5）上式說明在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下，因入口流量必然等于出口流量，故水位變化速度為零。將（2.1）、（2.5）兩式相減，并以增量形式表示各個(gè)量偏離其起始穩(wěn)態(tài)值的程度，即， （2.6）那么就得到 （2.7）它就是平衡方程（2.1）的增量形式?？紤]水位只在其穩(wěn)態(tài)值附近的小范圍變化，故由式（2.3）可以近似認(rèn)為 （2.8）則式（2.7）變?yōu)?

17、或 （2.9）如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點(diǎn)，即 則可去掉上式中的增量符號，直接寫成 （2.10）因假定，則對微分方程（2.10）進(jìn)行拉普拉斯變換可得 （2.11）將式（2.11）改寫成如下形式 （2.12）式（2.12）即液位對象的傳遞函數(shù)。2.3控制算法ID算法PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。PID算法的輸入量e是設(shè)定值r和檢測值y的偏差量，即 ，經(jīng)過運(yùn)算，并輸出控制信號u。PID控制算法的理想形式為 式中 控制器比例增益； 積分時(shí)間； 微分時(shí)間。由理想PID控制算法連續(xù)形式可以得到其離散形式。離散PID控制算法有三種不同的形式：位置算法、增量算法、速

18、度算法。由連續(xù)的PID算法容易的到其位置算法，為 其中， 為采樣周期。PID控制增量算法為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差，即 PID控制速度算法為增量值除以采樣周期，即LC中的PID實(shí)現(xiàn)S7-200 PLC的PID指令中，PID控制算法是基于理想PID控制算法的改進(jìn)得到的。其微分項(xiàng)采用微分先行改進(jìn)，積分項(xiàng)采用抗積分飽和法改進(jìn)。微分先行，是指只對被控量微分，而對偏差無微分作用，這樣避免了當(dāng)改變設(shè)定值時(shí)對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊?？癸柡头e分，是指對計(jì)算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中，積分項(xiàng)的積分公式為式中第n次采樣的積分項(xiàng)數(shù)值；第n次采樣的設(shè)定值數(shù)值；第n次采樣的檢測值數(shù)值第n-1次采樣的積分項(xiàng)

19、數(shù)值。對控制量的限幅為式中第n次采樣的比例計(jì)算輸出數(shù)值；第n次采樣的積分計(jì)算輸出數(shù)值；第n次采樣的PID控制量計(jì)算輸出數(shù)值。通過按照上述方式調(diào)節(jié)，一旦計(jì)算輸出返回適當(dāng)范圍即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)答能力的改善?？刂屏恳脖还潭ㄔ?.01.0。ID控制的各種常見的控制規(guī)律如下：一、比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 （3.1） 式中Kc稱為比例增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）, 為調(diào)節(jié)器的輸出，是對調(diào)節(jié)器起始值的增量，的大小可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變。在過程控制中習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系： （3.2）其中稱為比例帶。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)

20、節(jié)。比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時(shí)，如果余差過大，則需通過其它的途徑解決。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長。減小就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應(yīng)減小。具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）的特點(diǎn)在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出

21、信號的變化速度(t)/t與偏差信號e成正比，即 （3.3） 或 （3.4）式中KI稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。上式表明，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對比。式（3.3）表明，只有當(dāng)被調(diào)量偏差e為零時(shí)，I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對象在負(fù)荷擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量沒有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開度上。I調(diào)節(jié)的另一特點(diǎn)是它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。例如，根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的被控對象采用P調(diào)節(jié)時(shí)，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（除非被控對象含有一個(gè)以上

22、的積分環(huán)節(jié)）；如果采用I調(diào)節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于同一個(gè)被控對象，采用I調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行總比采用P調(diào)節(jié)時(shí)緩慢，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用P調(diào)節(jié)則被控對象須提供180相角滯后。若采用I調(diào)節(jié)則被控對象只須提供90相角滯后。這就說明用I調(diào)節(jié)取代P調(diào)節(jié)就會降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調(diào)節(jié)時(shí)，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度KI成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因?yàn)镵I愈大，則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時(shí)，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來愈小。被調(diào)量最后都

23、沒有余差，這是I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。三、比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為： (3.5)或 (3.6)式中為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；為積分時(shí)間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。圖3.1是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時(shí)，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)t=TI時(shí)，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸

24、出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)圖3.11PI調(diào)節(jié)器引入積分動(dòng)作帶來消除余差之好處的同時(shí)，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大，這樣會使調(diào)節(jié)時(shí)間ts增大，最大偏差也會增大。四、微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而不管那時(shí)被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個(gè)不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。由于被調(diào)量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動(dòng)

25、調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 (3.7)然而，單純按上訴規(guī)律動(dòng)作的調(diào)節(jié)器是不能工作的。這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺的速度緩慢變化時(shí)，調(diào)節(jié)器并不會動(dòng)作。但是經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間以后，被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況當(dāng)然是不能允許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動(dòng)作。五、比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）PID調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律是 (3.8)或 (3.9)式中、TI和TD參數(shù)意義與PI、PD調(diào)節(jié)器相同。選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律一般來說，對于串級控制系統(tǒng)，主變量不允許有余差。而對副變量的要求一般都不是很嚴(yán)格，允許它有波動(dòng)和余差。為了主變量的穩(wěn)定，主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用。因此，主調(diào)節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時(shí)，對象控制通道容量滯后比較大（像溫度對象和成分對象等），為了克服容量滯后，選用比例積分微分三作用的調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)