【正文】 減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時要延長系統(tǒng)消除靜差的時間。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用控制理論中的根軌跡法，頻率特性法等，經(jīng)過理論計算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。 串級 PID 控制算法的具體流程如圖 所示。 注意到， u(k)不是控制器的輸出的變化量，而是其實際的輸出，經(jīng)過 數(shù) 模 (D/A)轉(zhuǎn)換后的模擬信號與閥門的位置一一對應，故有位置式之稱；每次需計算閥的絕對位置；控制器輸 出需與數(shù)字式控制閥連接，否則需經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，并需保持電路將輸出信號保持到下一采樣時刻； 需 采用必要措施來防止積分飽和及進行手動或自動切換。一般主控制器可采用比例、積分兩作用或比例、積分、微分 3 作用控制規(guī)律，副控制器采用單比例作用或比例積分作用控制規(guī)律即可。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差 進一步減小，直到等于零。對偏差進行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù) Kp， Kp 越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下， Kp 減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。 因為它是串級控制系統(tǒng)正常運行的主要條件，是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施 。 凡直接或間接與 生產(chǎn)過程運行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可選擇作 主參數(shù)。該 控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)?？刂葡到y(tǒng)的方案設(shè)計是整個設(shè)計的核心，是關(guān)鍵的第一步。 圖 雙容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 液位控制系統(tǒng)的控制目標 水箱的液位變化范圍為 h=0300mm，要求通過設(shè)計合適的控制器，能使被控對象 (下水箱 )的液位值穩(wěn)、準、快地穩(wěn)定在所給定的液位值上，穩(wěn)態(tài)液位誤差不超過 5mm。 液位控制系統(tǒng)組成 該液位控制系統(tǒng)主要是基于 PCTⅢ型遠程數(shù)據(jù)采集過程 控制裝置。對于數(shù)學模型，應根據(jù)實際應用情況提出適當?shù)囊?。要對現(xiàn)代日益復雜和龐大的被控過程進行研究分析、實施控制，尤其是進行最優(yōu)設(shè)計時，必須 了解其工作過程及 其數(shù)學模型 等 。 水箱液位 實驗 控制系統(tǒng) 的用途 水箱液位控制實驗系統(tǒng)是 PCT 實驗裝置中的重要組成部分，可單獨進行各種實驗的分析和研究，且它是 一種非線性、強耦合 、多變量和大滯后的復雜系統(tǒng)，是進行控制理論與控制工程教學、實驗和研究的理想平臺，具有 強大的實驗功能 。 8024 是 D/A 模塊， 4通道模擬輸出模塊。 (7) 由內(nèi)部控制切換到外部控制步驟 ： ① 按變頻器 STOP 鍵停止變頻器 。如果有誤差可通過調(diào)節(jié)壓力傳感器零點調(diào)節(jié)和量程調(diào)節(jié)電位器調(diào)準。 水箱 I（上位水箱）液位高度： 0～ 280mm 水箱 II（下位水箱）液位高度： 0～ 280mm 水箱 III（不銹鋼儲水箱）液位高度： 0～ 500mm 液位傳感器連接水箱的底部，檢測水箱的液位，同時輸出 4～ 20mA 的電流信號。 并將串級控制系統(tǒng)參數(shù)投運到實驗中。 液位 控制裝置也是過程控制最常用的實驗裝置 ， 國外很多實驗室有此類裝置 ， 如瑞典LUND 大學等 ， 很多重要的研究報告 、 模擬仿真均出自此類裝置 。 由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)過程的自動化控制水平的要求 也 越來越高。 PID control。在控制過程中不需要下位機，通過在組太王軟件工程瀏覽器中的命 令語言編輯對話框里面輸入 PID 控制源程序，實現(xiàn)計算機直接控制的方式，通過 RS232/485轉(zhuǎn)換器和牛頓模塊實現(xiàn)計算機與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。并利用變頻器使抽水泵工作在恒壓供水的狀態(tài)下，通過電動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)控制目標。 configuration software。每一個先進、實現(xiàn)的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動作用。 因此， 液位控制系統(tǒng)是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實際意義。 最后對實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，針對實驗過程中的存在的一些問題進行下一步的改進。提供給計算機作為液位檢測信號。 采用三菱 FRS500 變頻器， 4～ 20mA 控制信號輸入，可對流量或壓力進行控制。 ② 按 “ PU/EXT” 鍵使 EXT 燈亮 。 電流輸出： 4～ 20 mA， 0～ 20 mA； 電壓輸出： +/10V， 0～ 10V， +/5V。它不僅可以實現(xiàn) 一 階對象、二階對象，還可以實現(xiàn)更高階對象的分析、研究， 而且它還可 以作為一種多功能型實驗設(shè)備去驗證各種新型算法。因此，數(shù)學模型對過程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計、實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化校制具有極 為重要的意義。一般說來，用于控制的數(shù)學模 型并不要求十分準確。系統(tǒng)的主要目的是控制上下水箱的液位。當系統(tǒng)發(fā)生擾動 (正擾動或負擾動 )時，被控量能迅速恢復到系統(tǒng)原來所要求的液位值。要通過廣泛的調(diào)研和反復的論 證來確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認、操縱變量的選擇與確認、檢測點的初步選擇及系統(tǒng)組成、繪制出帶控制點的工藝流程圖和編寫初步控制方案設(shè)計說明書等 。一個閉環(huán)在里面，被稱為副回路；一個閉環(huán)在外面，被稱為主回路，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。所以在此選擇上水箱液位高度為副參數(shù)，而由其所構(gòu)成的回路也即為副回路，如圖 中的內(nèi)回路即為副回路。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 而在實際應用時通常需要綜合各方面的因素去考慮各種控制規(guī)律的選擇， 這樣才可達到既經(jīng)濟又實用的效果。 而在 雙容水箱液位控制系統(tǒng)中， 又存在著一定的容量滯后，所以綜上所述在此系統(tǒng)中，主回路選擇比例、積分、微分控制規(guī)律，而副回路只需單純的比例控制即可。 在此，可以利用 增量的概念對位置型算式作些改進，即可得位置型 PID 控制算式的遞推算法。 開 始初 始 化 P I D 參 數(shù)取 上 次 保 存 的 歷 史 數(shù) 據(jù) 采 樣)(),(),( 211 kykykr)()()( 111 kykrke ??)()()( 212 kykuke ?? 輸 出ADku /)(2 ?返 回計 算 主 回 路 偏 差)]2()1(2)([)()]1()([)1()()1()(1111111111111???????????????kekekeKkeKkekeKkukukukudip計 算 主 調(diào) 節(jié) 器 輸 出)2()1()1()()1()(111111???????kekekekekuku保 存 歷 史 數(shù) 據(jù)計 算 副 回 路 偏 差計 算 副 調(diào) 節(jié) 器 輸 出)2()1()1()()1()(222222???????kekekekekuku保 存 歷 史 數(shù) 據(jù))]2()1(2)([)()]1()([)1()()1()(2222222222222???????????????kekekeKkeKkekeKkukukukudip輸 出 限 幅 圖 串級 PID 控制算法流程圖 液位串級控制系統(tǒng)工作過程 經(jīng)過對液位控制系統(tǒng)分析并確定了控制方案之后，可得到如圖 所示的液位 串級 控制系統(tǒng)工藝流程圖。這種方法不僅計算繁瑣，而且過分依賴數(shù)學模型，所得到的計算數(shù)據(jù)未必可直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。積分時間常數(shù)太小會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進 行，不需要測試過程的動態(tài)特性，因而方法簡單，使用方便，獲得了廣泛的應用?？傢憫袷幩p太快，就減小比例帶；反之，則增大比例帶。 a)無自衡能力過程 b)有自謝能力過程 圖 廣義過程的單位階躍響應曲線 表 ψ = 調(diào)節(jié)規(guī)律 Gc（ S） ? （ %） TI P ?/1 ?? PI ?/)/11( SI?? ?? ? PID ?/)/11( SS DI ???? ?? 2? 表 ψ = 過程有自衡能力時的整定計算公式 調(diào)節(jié)規(guī)律 Gc（ S） τ/T0≤ ≤τ/T0≤ δ TI TD δ TI TD P ?/1 0.1??? 00 ??????? PI ?/)/11( SI?? ??? .00??????? PID ?/)/11( SS DI ???? ??? 2τ .00??????? + TI 串級系統(tǒng)的整定比單回路 復雜 。 逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例帶，如用 4： 1 衰減法來整定副回路，則求出副參數(shù)在 4： 1 衰減時的副調(diào)節(jié)器比例帶 δ 2 S和操作周期 T2 0。 (3) 加干擾試驗進行驗證，觀察過渡過程曲線，根據(jù) KC KC 2相匹配的原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)控制精度最好。 組態(tài)軟件提供了豐富的用于工業(yè)自動化監(jiān)控的功能，用戶根據(jù)自己工程的需要進行選擇、配置等較為簡單的工作來建立自己所需要的監(jiān)控系統(tǒng)。 TouchView 是 “組態(tài)王 ”軟件的實時 運行環(huán)境，用于顯示畫面開發(fā)系統(tǒng)中建立的動畫圖形畫面，并負責數(shù)據(jù)庫與 I/O 服務程序的數(shù)據(jù)交換 ,通過實時數(shù)據(jù)庫管理從一組工業(yè)控制對象采集到的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式形象地表示出來，同時完成報警、歷史記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。如（圖 b）。這樣就能夠把從配電器傳送過來的 4— 2mA 電流信號通過 250Ω標準電阻轉(zhuǎn)換為 15V電壓，再轉(zhuǎn)換為 實際的液位高度 。 在工程瀏覽器的工程目錄顯示區(qū)中單擊“文件”大綱項下面的“畫面”成員名，然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)中雙擊“新建 ”圖標，出現(xiàn)“新畫面”對話框。 如果需要對文本的字體進行修改，可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“字體” 按鈕，則彈出“字體”對話框，用戶可以在此對話拒中選擇文字的字體、字形和大小。如果需要修改文字的顏色，則可以在選中該文本后，單擊“工具箱”中的“顯示調(diào)色板” 按鈕，然后在出現(xiàn)的“調(diào)色板”中單擊“字符色”按鈕，此時便可以在“調(diào)色板”下面的多個顏色按鈕中選擇適當?shù)奈谋绢伾?。雙擊此圖標，進入了組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，并且已經(jīng)打開了“雙容水箱液位 控制系統(tǒng)”主畫面。 圖 (2) 其他變量的定義。此時在工程瀏覽器的“目錄內(nèi)容顯示區(qū)”中出現(xiàn)了“ IO 模塊 ”圖 標。 組態(tài)畫面的建立 建立工程 單擊“開始” “程序” “組態(tài)王 ” “組態(tài)王”，在“組態(tài)王工程管理器”窗口中建立名稱為“雙容水箱 液位 控制系統(tǒng)”的工程，最后單擊“完 成”按鈕，并且在出現(xiàn)的“是否將新建的工程設(shè)置為組態(tài)王當前工程” 的 話框中單擊“是”按鈕，完成了工程的建立，如圖 所示。組態(tài)軟件既可以完成對小型的自動化設(shè)備的集中監(jiān)控，也能由互相聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機完成復雜的大型分布式監(jiān)控。 第 四 章 組態(tài) 軟件 設(shè)計 組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)（ DCS）、 PC 總線控制機及計算機控制技術(shù)的日趨成熟 而發(fā)展起來的。使副調(diào)節(jié)器比例帶置于δ 2 S的數(shù)值上，逐漸降低主調(diào)節(jié)器的比例帶δ 1 S，求出同樣衰減比時主回路的過渡過程曲線，記錄此時主調(diào)節(jié)器的比例帶δ 1 S和操作周期 T1 0。 改變主、副調(diào)節(jié)器中的任何一個整定參數(shù)，對主、副回路的過渡過程都有影響，這種影響程度取決于主、副對象的動態(tài)特性、而且待整定的參數(shù)比單回路多，因此，串級系統(tǒng)的整定必然比較困難和繁瑣 。 圖 衰減曲線法參數(shù)整定曲線 表 衰減曲線法整定計算公式 衰減率 整定參數(shù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 ? （ %） TI TD P s? PI s? PID s? TS TS P s? PI s? 2Tr PID s? Tr (3) 按表 中所給的經(jīng)驗公 ， 計算 δ、 TI及 TD； Ts 為衰減振蕩周期 Tr 為響應上升時間。 (2)待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個階躍擾動，并減小δ，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖 所示的等幅振蕩 。微分控制可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例度法、反應曲線法和衰減曲線法。 L 2 TL