【文章內(nèi)容簡介】 制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 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)通過線性組合構(gòu)成控制量，對過程對象進行控制，故稱為PID控制器?？刂埔?guī)律為 其中－比例系數(shù), －積分時間常數(shù) －微分時間常數(shù) 比例（P）控制　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(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”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。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。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。 微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。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。 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)計的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于實驗測定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，又稱實驗法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。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。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。本設(shè)計采用實驗法，通過不斷改變PID控制器的參數(shù)得到理想曲線，進而確定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中對控制方案進行仿真實驗，以驗證方案的可行性和和加深對于PID參數(shù)調(diào)整的定性認識。以三容水箱作為被控對象，其數(shù)學(xué)模型為三個單容水箱的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)在上一章已建立?？紤]到后兩級水箱的輸入是上級水箱的液位輸出，與前面已建立的模型相差一個增益，在下面的仿真實驗中，設(shè)該增益為1。另外可增加一個切換開關(guān)（Manual Switch），通過手動切換開關(guān)可以實現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力。 SIMULINK仿真框圖 加入副回路的仿真 在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=6， TI=，TD=120。仿真結(jié)束時間設(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控制系統(tǒng)后動態(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，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強。 加入擾動維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應(yīng)曲線. 經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄?shù)不變。 SIMULINK加入擾動仿真框圖 MATLAB加入副回路擾動仿真曲線 MATLAB不加入副回路擾動仿真曲線，引入副回路組成三容水箱液位串級控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進入副回路的擾動,。 綜上所述,、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的。,不可能得到與計算機仿真一致的理想曲線和控制性能。 在現(xiàn)實生活以及生產(chǎn)實踐中，液位控制主要有過程儀表控制和計算機控制兩種方案，由于條件有限，無法對著兩種方案進行設(shè)計和驗證，因此參考其他資料對其進行簡單的介紹和比較，作初步的了解。 20世紀50年代前后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)過程實現(xiàn)了儀表化和局部自動化。這是過程控制發(fā)展的一個重要階段。到了六十年代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對過程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，也為自動化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件，氣動和電動單元組合儀表應(yīng)運而生。大規(guī)模集成電路制造成功與微處理器的相繼問世，使得自動化技術(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）的開發(fā)和廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計所要實現(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。儀表過程控制系統(tǒng)是利用智能儀表與一次儀表、執(zhí)行機構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等動作裝置組建的控制系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場控制，其控制方式可以是直接手動調(diào)節(jié)給定輸出值，也可是儀表可按其預(yù)設(shè)工作方式自動調(diào)節(jié)輸出信號進行控制。 過程儀表介紹 檢測部分在過程控制系統(tǒng)設(shè)計中，測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)的測量和變送必須迅速正確地反映其實際變化情況，為系統(tǒng)設(shè)計提供準確的依據(jù)。三容水箱液位系統(tǒng)檢測裝置采用壓力傳感器、液位變送器對下水箱液位進行檢測、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，實現(xiàn)對流體壓力的測量，并適用于各種場合全天候環(huán)境及各種腐蝕性液體。工作原理：過程壓力通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，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應(yīng)關(guān)系的標準電流輸出信號。主要技術(shù)指標如下：測量范圍：100KPa100Mpa準確度： 電源電壓：24V DC二線、三線；220V AC 四線過載極限：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。它準確度高、穩(wěn)定。安裝、使用簡便。工作原理：當被測介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，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)換成與被測介質(zhì)（液體）的液位壓力成線形對應(yīng)關(guān)系的420mA標準電流輸出信號。主要技術(shù)指標：量程：0500M準確度：%FS %FS %FS輸出信號：兩線制420Ma電源電壓：24V DC 220V AC 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)(閥),它接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號,并轉(zhuǎn)換趁直線位移或角位移來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程的流體介質(zhì)的流量,從而實現(xiàn)了對過程參數(shù)的控制.QSVP系列智能電動單坐調(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)的自動控制中.電動執(zhí)行機構(gòu)接受010mA/420mA/05V/15V等控制信號,改變閥的開度,同時將閥門的隔離信號反饋給控制系統(tǒng),實現(xiàn)對壓力,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:010mA/420mADC/05VDC/15VDC輸出信號。 420Madc電源:220V/50Hz流量特性:線形,等百分比,快開可調(diào)范圍:50:1 控制器本控制系統(tǒng)采用上海萬訊公司的AI系列調(diào)節(jié)儀表，主要特點有：（1）全球通用的85246VAC范圍開關(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，測量精確穩(wěn)定。（3）采用先進的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。（4）采用先進的模塊化結(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)定后突加階躍的過渡過程曲線。 儀表控制系統(tǒng)突加階躍信號過渡過程曲線穩(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突加階躍信號后超調(diào)15%，調(diào)整時間6分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。遠程計算機控制系統(tǒng)是設(shè)計中所采用的過程實驗裝置的擴展上位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過ICP－7000系列智能采集模塊將傳感器檢測到的被控參數(shù)標準信號通過A/D轉(zhuǎn)換送入計算機，計算機同時控制運算發(fā)出的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器、可控調(diào)壓器）。該上位機控制系統(tǒng)實際上屬于計算機DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)，只不過是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出AO模塊，開關(guān)量輸入/輸出DI,DO模塊置于計算機之外，計算機由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，但那時更多的是作為一種輔助性的角色，即作為一個對于儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視的平臺。而在遠程數(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平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用MCGS，用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內(nèi)輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能全面，維護量小并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，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、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 MCGS組態(tài)軟件的特點與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，MCGS ：全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開發(fā)界面，符合中國人的使用習(xí)慣和要求，真正的32位程序，可運行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)。龐大的標準圖形庫、完備的繪圖工具以及豐富的多媒體支持，使您能夠快速地開發(fā)出集圖像、聲音、動畫等于一體的漂亮、生動的工程畫面。全新的ActiveX動畫構(gòu)件，包括存盤數(shù)據(jù)處理、條件曲線、計劃曲線、相對曲線、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，同時可以方便地定制各種設(shè)備驅(qū)動；此外，獨特的組態(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)間的配合天衣無縫。簡單易學(xué)的類Basic腳本語言與豐富的MCGS策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開發(fā)出復(fù)雜的流程控制系統(tǒng)。強大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各種方式進行統(tǒng)計處理，使您能夠在第一時間獲得有關(guān)現(xiàn)場情況的第一手數(shù)據(jù)。方便的報警設(shè)置、豐富的報警類型、報警存貯與應(yīng)答、實時打印報警報表以及靈活的報警處理函數(shù)，使您能夠方便、及時、準確地捕捉到任何報警信息。完善的安全機制，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、工程運行期限等功能，以保護組態(tài)開發(fā)者的成果。強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各種無線網(wǎng)絡(luò)和無線電臺等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。良好的可擴充性，可通過OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機制，方便地擴展MCGS ，并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開發(fā)的軟件進行連接。提供了WWW瀏覽功能，能夠方便地實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場控制與企業(yè)管理的集成。在整個企業(yè)范圍內(nèi)，只使用IE瀏覽器就可以在任意一臺計算機上方便地瀏覽與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的動畫畫面，實時和歷史的生產(chǎn)信息，包括歷史趨勢，生產(chǎn)報表等等，并提供完善的用戶權(quán)限控制下面就是遠程計算機控制系統(tǒng)的在穩(wěn)定后突加階躍的過渡過程曲線。 遠程計算機系統(tǒng)突加階躍過渡過程曲線PID參數(shù)：調(diào)節(jié)器1的參數(shù):P=70。I=60。D=25調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=30。I=0。D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=20。I=0。D=0調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值為7cm,突加階躍后設(shè)定值到8cm,此時