【文章內(nèi)容簡介】 而且不便于編程，為此改進式（）。 增量型算法第(n1)時刻控制量M(n1),即 （）將式()減式()得n時刻控制量的增量為 （）其中 KC：比例增益，KI：積分系數(shù)，KD：微分系數(shù)式()中的?M(n)對應(yīng)于第n時刻閥門位置的增量，故稱此式為增量型算式。因此第n時刻的實際控制量為 （）其中M（n1）為第（n1）時刻的控制量。計算?M(n)和M(n)要用到第(n1)，(n2)時刻的歷史數(shù)據(jù)e(n1),e(n2)和M(n1),這三個歷史數(shù)據(jù)也已在前時刻存于內(nèi)存儲器中。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。采用增量型算式計算M(n)的優(yōu)點是：編程簡單，歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲單元少，運算速度快。 PID 調(diào)節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 水箱液位控制系統(tǒng)的目前主要采用PID(比例積分微分)控制方式，這種方式，對不同的控制對象要用不同的PID參數(shù)。 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 比例作用實際上是一種線性放大(縮小)功能。比例調(diào)節(jié)的顯著特點是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負荷的擾動下調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。采樣偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用，使被調(diào)量朝誤差減小方向變化，其作用大小通過比例增益度量，比例增益大時響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，但會產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定，而Kc過小會使響應(yīng)速度緩慢。調(diào)節(jié)時間加長，調(diào)節(jié)精度降低。在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號u(n)與偏差信號e成比例，比例系數(shù)為Kc，稱為比例增益。在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系，即 （）δ稱為比例帶。δ具有重要的物理意義。如果M直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量, 那么δ就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100％即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。根據(jù)P調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方而考慮，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)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。δ很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時間也很長；減小δ就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。δ有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進一步減小δ系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。δ的臨界值可以根據(jù)實驗測定。 比例積分調(diào)節(jié)積分作用則是一種記憶，對誤差進行累積，有利于消除靜差。但積分作用如果太強，會引起較大超調(diào)或振蕩，且在實際當(dāng)中會經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點是無差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對比。只有當(dāng)偏差e為零時，I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。這意味著被控對象在負荷擾動下的調(diào)節(jié)過程后，被調(diào)量沒有殘差，而調(diào)節(jié)閥可以停在新的負荷所要求的開度上。PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時利用I調(diào)節(jié)消除余差。PI調(diào)節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差的同時，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)器的比例帶必須適當(dāng)加大。所以PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶不變的情況下，減小積分時間，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇，調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。 比例積分微分調(diào)節(jié)微分作用上要是用于產(chǎn)生提前的控制作用，改善動態(tài)特性，減小調(diào)整時間，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時的偏差方向和大小進行調(diào)節(jié)的。不管被控對象中流入流出量之間有多大的不平衡。而這個不平衡決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。由于被調(diào)量的變化速度(包括大小和方向)可以反映當(dāng)時或稍前一些時間流入、流出量間的不平衡情況，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調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動作稱為微分調(diào)節(jié)。單純微分的調(diào)節(jié)器是不能工作的，這是因為實際的調(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，調(diào)節(jié)器并不會動作。當(dāng)時間經(jīng)過相當(dāng)長的時間后，被調(diào)量偏移卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況是不被容許的。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)動作結(jié)合成PD和PI調(diào)節(jié)動作[2]。 串級控制在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動態(tài)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對控制質(zhì)量的要求很高，此時單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運用新的控制系統(tǒng)，以進一步提高控制量。對于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級水箱液位控制比單級水箱液位控制困難，會遇到許多的問題，滯后時間比較長，對于環(huán)境的變化多少會受一定的影響，如想要好的控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達到控制精度和要求。串級控制系統(tǒng)、前饋補償控制、大時延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。 一般串級控制系統(tǒng)框圖串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)（或副回路），它的輸出送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過程。串級控制只多了一個測量變送器。增加的儀表并不多，而控制效果卻得到了顯著的改善。串級控制特點及應(yīng)用范圍是：特點：（1）能夠迅速克服進入副回路的干擾，抗干擾能力強，控制質(zhì)量強；（2）改善過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；（3）對負荷和操作條件的變化適應(yīng)性強； 應(yīng)用范圍：（1）應(yīng)用于容量滯后較大的過程；（2）應(yīng)用于純時延較大的過程； （3）應(yīng)用于干擾變化激烈的而且幅度大的過程；（4）應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程；（5）應(yīng)用于非線性過程；串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)。一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制中起粗調(diào)的作用；一個環(huán)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成細調(diào)任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則被送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。采用串級可以大大提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。在上水箱下水箱液位串級控制系統(tǒng)中，用上水箱的液位來控制調(diào)節(jié)閥，然后再用下水箱液位來修正上水箱的給定值。由圖可以看出，上水箱的擾動包括在副環(huán)內(nèi)，可以減小這個擾動對系統(tǒng)的影響。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 主回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計同單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計類似，設(shè)計過程可以按照簡單一控制系統(tǒng)設(shè)計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(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。 副回路的設(shè)計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）要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的部分歸于副對象。（5）在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時，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，在實際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼顧（2）和（3）的綜合[3]。 主、副回路的匹配 （1）主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù)的匹配設(shè)計中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動，同時一也要注意主、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)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在3~1之間。比值過高，即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(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，副回路的時間常數(shù)接近主回路的時間常數(shù)，甚至大于主回路的時間常數(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，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴(yán)重時會出現(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)律的匹配與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，副調(diào)節(jié)器是隨動控制。系統(tǒng)對于幾個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，因為副回路采用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 一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負反饋副調(diào)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[4]。 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 用于克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)生產(chǎn)工藝的要求控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)，利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路