【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)c(t)。將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。控制規(guī)律為 其中－比例系數(shù), －積分時(shí)間常數(shù) －微分時(shí)間常數(shù) 比例（P）控制　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。 積分（I）控制　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID控制器參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)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)整定的方法分為兩大類：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)。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的過(guò)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過(guò)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，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，又稱實(shí)驗(yàn)法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，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)曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過(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。本設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)不斷改變PID控制器的參數(shù)得到理想曲線，進(jìn)而確定PID控制器的參數(shù)。 階躍響應(yīng)性能 在完成了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立以及控制系統(tǒng)方案的選擇后，可以在Simulink中對(duì)控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的可行性和和加深對(duì)于PID參數(shù)調(diào)整的定性認(rèn)識(shí)。以三容水箱作為被控對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型為三個(gè)單容水箱的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)在上一章已建立?？紤]到后兩級(jí)水箱的輸入是上級(jí)水箱的液位輸出，與前面已建立的模型相差一個(gè)增益，在下面的仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)該增益為1。另外可增加一個(gè)切換開(kāi)關(guān)（Manual Switch），通過(guò)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響,比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。 SIMULINK仿真框圖 加入副回路的仿真 在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=6， TI=，TD=120。仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為500s，仿真得到的波形圖如下： MATLAB加入副回路仿真曲線圖 去除副回路的仿真 將切換開(kāi)關(guān)置于上，去掉副回路，系統(tǒng)成為單回路控制系統(tǒng)，重新運(yùn)行仿真，得到仿真圖入下圖所示： MATLAB不加入副回路仿真曲線，引入副回路組成三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善，使不穩(wěn)定的三階系統(tǒng)變得穩(wěn)定，對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。 加入擾動(dòng)維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線. 經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。 SIMULINK加入擾動(dòng)仿真框圖 MATLAB加入副回路擾動(dòng)仿真曲線 MATLAB不加入副回路擾動(dòng)仿真曲線，引入副回路組成三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng),。 綜上所述,、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。,不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。 在現(xiàn)實(shí)生活以及生產(chǎn)實(shí)踐中，液位控制主要有過(guò)程儀表控制和計(jì)算機(jī)控制兩種方案，由于條件有限，無(wú)法對(duì)著兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，因此參考其他資料對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和比較，作初步的了解。 20世紀(jì)50年代前后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。這是過(guò)程控制發(fā)展的一個(gè)重要階段。到了六十年代以來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)過(guò)程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模集成電路制造成功與微處理器的相繼問(wèn)世，使得自動(dòng)化技術(shù)工具方面有了新的發(fā)展，諸如以微處理器為核心的智能單元組合儀表（包括可編程調(diào)節(jié)器和DDZш系列智能儀表）的開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的儀表控制系統(tǒng)方案中所使用的調(diào)節(jié)器就是一種智能單元組合儀表。儀表過(guò)程控制系統(tǒng)是利用智能儀表與一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等動(dòng)作裝置組建的控制系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，其控制方式可以是直接手動(dòng)調(diào)節(jié)給定輸出值，也可是儀表可按其預(yù)設(shè)工作方式自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)進(jìn)行控制。 過(guò)程儀表介紹 檢測(cè)部分在過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，測(cè)量和變送是信息獲取和傳送的重要環(huán)節(jié)，在工程上為了提高控制精度，被控參數(shù)的測(cè)量和變送必須迅速正確地反映其實(shí)際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。三容水箱液位系統(tǒng)檢測(cè)裝置采用壓力傳感器、液位變送器對(duì)下水箱液位進(jìn)行檢測(cè)、變送。本系統(tǒng)使用的BP800型壓力傳感器廣泛應(yīng)用與石油、化工、冶金、建材等企事業(yè)單位，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體壓力的測(cè)量，并適用于各種場(chǎng)合全天候環(huán)境及各種腐蝕性液體。工作原理：過(guò)程壓力通過(guò)壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后，再經(jīng)V/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線形對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：100KPa100Mpa準(zhǔn)確度： 電源電壓：24V DC二線、三線；220V AC 四線過(guò)載極限：BP900系列液位變送器廣泛應(yīng)用于石油、海洋、化工等企事業(yè)單位。它準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定。安裝、使用簡(jiǎn)便。工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線形對(duì)應(yīng)關(guān)系的420mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。主要技術(shù)指標(biāo)：量程：0500M準(zhǔn)確度：%FS %FS %FS輸出信號(hào)：兩線制420Ma電源電壓：24V DC 220V AC 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(閥),它接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào),并轉(zhuǎn)換趁直線位移或角位移來(lái)改變閥芯與閥座間的流通截面積以控制流入或流出被控過(guò)程的流體介質(zhì)的流量,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)程參數(shù)的控制.QSVP系列智能電動(dòng)單坐調(diào)節(jié)閥是一種高性能的調(diào)節(jié)閥,廣泛用于電力,冶金,石油,化工,醫(yī)藥,鍋爐,輕工等行業(yè)的自動(dòng)控制中.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受010mA/420mA/05V/15V等控制信號(hào),改變閥的開(kāi)度,同時(shí)將閥門的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力,溫度,流量,液位等參數(shù)的調(diào)節(jié).主要技術(shù)參數(shù):輸入信號(hào):010mA/420mADC/05VDC/15VDC輸出信號(hào)。 420Madc電源:220V/50Hz流量特性:線形,等百分比,快開(kāi)可調(diào)范圍:50:1 控制器本控制系統(tǒng)采用上海萬(wàn)訊公司的AI系列調(diào)節(jié)儀表，主要特點(diǎn)有：（1）全球通用的85246VAC范圍開(kāi)關(guān)電源或者24VDC電源供電。（2）輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電偶和熱電阻非線形校正表格，測(cè)量精確穩(wěn)定。（3）采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無(wú)超調(diào)，具備自整定（AT）功能。（4）采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐富的輸出規(guī)格，能滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。下面就是儀表控制系統(tǒng)的在穩(wěn)定后突加階躍的過(guò)渡過(guò)程曲線。 儀表控制系統(tǒng)突加階躍信號(hào)過(guò)渡過(guò)程曲線穩(wěn)態(tài)值為5cm,階躍量為1cm.調(diào)節(jié)器1的參數(shù):P=70。I=60。D=20調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=20。I=0。D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=10。I=0。D=0突加階躍信號(hào)后超調(diào)15%，調(diào)整時(shí)間6分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中所采用的過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置的擴(kuò)展上位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過(guò)ICP－7000系列智能采集模塊將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)同時(shí)控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器、可控調(diào)壓器）。該上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際上屬于計(jì)算機(jī)DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)，只不過(guò)是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出AO模塊，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出DI,DO模塊置于計(jì)算機(jī)之外，計(jì)算機(jī)由RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置同ICP7000系列模塊（自帶RS485通訊接口）通訊。 MCGS組態(tài)軟件概述在儀器儀表系統(tǒng)中，組態(tài)軟件就被提及與使用，但那時(shí)更多的是作為一種輔助性的角色，即作為一個(gè)對(duì)于儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視的平臺(tái)。而在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。組態(tài)軟件起到了舉足輕重的作用。在這次設(shè)計(jì)中所使用的組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)出品的MCGS組態(tài)軟件，這是一款優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)全中文工控組態(tài)軟件。MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用MCGS，用戶無(wú)須具備計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)，就可以在短時(shí)間內(nèi)輕而易舉地完成一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定，功能全面，維護(hù)量小并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。MCGS具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，MCGS ：全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開(kāi)發(fā)界面，符合中國(guó)人的使用習(xí)慣和要求，真正的32位程序，可運(yùn)行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)。龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)、完備的繪圖工具以及豐富的多媒體支持，使您能夠快速地開(kāi)發(fā)出集圖像、聲音、動(dòng)畫等于一體的漂亮、生動(dòng)的工程畫面。全新的ActiveX動(dòng)畫構(gòu)件，包括存盤數(shù)據(jù)處理、條件曲線、計(jì)劃曲線、相對(duì)曲線、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處理、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。支持目前絕大多數(shù)硬件設(shè)備，同時(shí)可以方便地定制各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)；此外，獨(dú)特的組態(tài)環(huán)境調(diào)試功能與靈活的設(shè)備操作命令相結(jié)合，使硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)間的配合天衣無(wú)縫。簡(jiǎn)單易學(xué)的類Basic腳本語(yǔ)言與豐富的MCGS策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開(kāi)發(fā)出復(fù)雜的流程控制系統(tǒng)。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，使您能夠在第一時(shí)間獲得有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)情況的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。方便的報(bào)警設(shè)置、豐富的報(bào)警類型、報(bào)警存貯與應(yīng)答、實(shí)時(shí)打印報(bào)警報(bào)表以及靈活的報(bào)警處理函數(shù)，使您能夠方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到任何報(bào)警信息。完善的安全機(jī)制，允許用戶自由設(shè)定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。此外，MCGS 、鎖定軟件狗、工程運(yùn)行期限等功能，以保護(hù)組態(tài)開(kāi)發(fā)者的成果。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電臺(tái)等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。良好的可擴(kuò)充性，可通過(guò)OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機(jī)制，方便地?cái)U(kuò)展MCGS ，并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行連接。提供了WWW瀏覽功能，能夠方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制與企業(yè)管理的集成。在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)，只使用IE瀏覽器就可以在任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上方便地瀏覽與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致的動(dòng)畫畫面，實(shí)時(shí)和歷史的生產(chǎn)信息，包括歷史趨勢(shì)，生產(chǎn)報(bào)表等等，并提供完善的用戶權(quán)限控制下面就是遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的在穩(wěn)定后突加階躍的過(guò)渡過(guò)程曲線。 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)突加階躍過(guò)渡過(guò)