【正文】 界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用 Astrom和 Hagglund 提出的繼電反饋法。 (3)ZieglerNichols 經(jīng)驗(yàn)公式 (ZN 公式法 )。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡(jiǎn)便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。 1984 年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者 Astrom 提出了繼電器振蕩PID 參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測(cè)被控過程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的有用信息 :臨界振蕩周期 Tu和臨界增益 Ku。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中 ? 的值要選的合適，若 ? 值過大，則達(dá)不到積分分離的目的；若 ? 值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。此時(shí)如果再用以前已整定好的 PID 參數(shù) 來控制此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù) PID 控制系統(tǒng)的要求而定。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副 過程和主過程構(gòu)成。 (2)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝變量。 (3)在系統(tǒng)特性上，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對(duì)象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)童。如果對(duì)象具有非線性，那么，隨著負(fù)荷和操作條件的改變，對(duì)象特性就會(huì)發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)器參 數(shù)跟著變化。 、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副 調(diào)節(jié)器起的作用不同。所以，選擇 PID 調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。但副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。但是逐步逼近法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。為了簡(jiǎn)便起見，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù) K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù) K2 的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。 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=， Ti=無窮大， TD=0 圖 42 單回路 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似 10： 1，周期 Ts=14s， K= C．根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到 PID 參數(shù)： K1=*5/4=，取 12；Ti==（注： MATLAB 中 I=1/Ti=）； TD==. 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=， TD= 圖 43 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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 C． 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=， TD= 圖 48 單回路 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 參數(shù)： K1=12， Ti=， TD= 圖 49 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)的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。由于在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，所以具有以下一些特點(diǎn)： 7 \ l O* {39。串級(jí)控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動(dòng)進(jìn)入副回路，不等它影響到主參數(shù)的變化，通過副回路的及時(shí)調(diào)節(jié)，該擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響就會(huì)大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數(shù)的控制質(zhì)量。通過和其他控制算法比較，最終 采用串級(jí)控制對(duì)雙容水箱實(shí)現(xiàn)液位控制， 通過學(xué)習(xí)和了解 PID 算法及串級(jí)控制的工作原理，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了以雙容水箱為對(duì)象，建立數(shù)學(xué)模型，在 matlab 軟件環(huán)境下，對(duì)控制水箱液位的控制算法進(jìn)行仿真研究。 4）從設(shè)計(jì)內(nèi)容來講，或許學(xué)習(xí)的是僅僅過程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是 MATLAB的操作，但設(shè)計(jì)過程中，從設(shè)計(jì)思想，到研究方法，再到 結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也許更重要。 碰到問題 老師 給予我的不是現(xiàn)成的答案而是尋求答案的思路和方法，讓我在完成一篇畢業(yè)論文的過程中得到的不僅是知識(shí)上更是思維上的突破。感謝母校在學(xué)習(xí)上、生活上給我的幫助，在這里有誨人不倦的老師，是他們引導(dǎo)我在知識(shí)的海洋里徜徉；在這里有著積極上進(jìn)、勤奮好學(xué)的同學(xué)，與他們一道，我們演繹出了大學(xué)的精彩和美好。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，他既是對(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好開端，畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué) 知識(shí)理論的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問題的能力；是我在校期間向?qū)W校所交的最后一份綜和性作業(yè) .畢業(yè)的時(shí)間一天一天的臨近，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過 程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。29 膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿 蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。在沒有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來所學(xué)知識(shí)的大概總結(jié)，但是真的面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯(cuò)誤的 ,畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。使我在各方面取得顯著的進(jìn)步。 謝謝 你 對(duì)我的指導(dǎo)和幫助！ 同樣很感謝和我一起做畢設(shè)的同學(xué)們，我們?cè)谝粋€(gè)團(tuán)隊(duì)中，一起提高，一起奮斗著，希望我們的友誼長(zhǎng)存。在這過程中得到了我的指導(dǎo)老師 趙靜老師 的悉心指導(dǎo)。 2）基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的 PID 參數(shù)整定方法，對(duì) PID 調(diào)節(jié)器中的 P、I、 D 各個(gè)參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。主調(diào)節(jié)器的輸出能按照負(fù)荷和操作條件 的變化而變化，從而不斷改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使副回路調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷并隨操作條件而變化，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 24 即具有一定的自適應(yīng)能力。 u 串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，減小了該回路中環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，增加了它的帶寬，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制更為及時(shí)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 無調(diào)節(jié)模塊的串級(jí)控制系統(tǒng) 對(duì)系統(tǒng)只加了串級(jí)，不加調(diào)節(jié)模塊的系統(tǒng)框圖如下 圖 411 無調(diào)節(jié)模塊的串級(jí)系統(tǒng)框圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 對(duì)其進(jìn)行仿真，如下： 圖 412 串級(jí)無矯正 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 加入調(diào)節(jié)模塊的串級(jí)控制系統(tǒng) 對(duì)上面系統(tǒng)加入調(diào)節(jié)模塊后的系統(tǒng)框圖 圖 413 串級(jí)控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示： 參 數(shù)： K1=12， Ti=， TD=， K2=12 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 圖 414 串級(jí) MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 得出：調(diào)節(jié)時(shí)間 ts =7s，超調(diào)量σ %=3%, 靜態(tài)誤差 ess =0 可見，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。 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=7， Ti=， TD= 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 圖 44 單回路 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 參數(shù)： K1=2， Ti=， TD= 圖 45 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 的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 第四章 控制系統(tǒng)的仿真 單回路控制系統(tǒng)的仿真 不加串級(jí)控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖如下： 圖 41 單回路 MATLAB 仿真框圖 先對(duì)控制對(duì)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。具體的正定步驟為： A 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。此法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)化了調(diào)試過程，但還是要做兩次 10:1 衰減曲線法的實(shí)測(cè)。 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 P 調(diào)節(jié)規(guī)律。 主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無靜差。當(dāng)負(fù)荷或操作條件發(fā)生變化時(shí)，主調(diào)節(jié)器能夠適應(yīng)這一變化，及時(shí)改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)器參數(shù)是在一定的負(fù)荷，一定的操作條件下，按一定的質(zhì)量 ,指標(biāo)整定得到的。所以，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主變量的選擇原則與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中介紹的被控變童選擇原則是一 樣的。主調(diào)節(jié)器的翰出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱執(zhí)行器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主變最的定值控制。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。其基本思想為：同一 PID 控制回路提供兩套以上 P、 I、 D 參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的 PID參數(shù)。 (5) 數(shù)字變 PID 控制 對(duì)于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的 PID 控制效果往往不能滿足控制的要求。即： ()en ?? 時(shí)，采用 PD控制； 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 ()en ?? 時(shí)，采 用 PID控制。從根本上說，這仍然是根據(jù)過程響應(yīng)來整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足 一定的性能指標(biāo)。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 。此 方法簡(jiǎn)單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù) T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí) 。該