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【正文】 先要做的是測量過程流體的出口溫度，這一任務(wù)由傳感器(熱電偶、熱電阻等 )完成。將傳感器連接到變送器上，由變送器將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為足夠大的信號傳送給控制器?？刂破鹘邮张c溫度相關(guān)的信號并與期望值比較。根據(jù)比較的結(jié)果，控制器確定保持溫度為期望值的控制作用?；谶@一結(jié)果，控制器再發(fā)一信號給執(zhí)行機構(gòu)來控制蒸汽流量。 下面介紹控制系統(tǒng)中的 4種基本元件，分別是： (1)傳感器，也稱為一次元件。 (2)變送器，也稱二次元件。 (3)調(diào)節(jié) 器，控制系統(tǒng)的“大腦”。 (4)執(zhí)行機構(gòu)，通常是一個控制閥，但并不全是。其他常用的執(zhí)行機構(gòu)有變速泵、傳送裝置和電動機。 這些元件的重要性在于它們執(zhí)行每個控制系統(tǒng)中都必不可少的 3 個基本操作，即： (1)測量：被控量的測量通常由傳感器和變送器共同完成。 (2)決策：根據(jù)測量結(jié)果，為了維持輸出為期望值，控制器必須決定如何操作。 (3)操作 : 根據(jù)控器的處理 ,系統(tǒng)必須執(zhí)行某種操作 ,這通常由執(zhí)行機構(gòu)來完成 . 如上所述 ,每個控制系統(tǒng)都有 M,D 和 A這 3種操作 . 有些系統(tǒng)的決策任務(wù)簡單 ,而有些很復(fù)雜 .設(shè)計控制系統(tǒng)的工程師必須確保所采取確保所采取的操作能影響被控變量 ,也就是說 ,該操作要影響測量值 .否則 ,系統(tǒng)是不可控的 ,還會帶來許多危害 . PID 控制器可以是獨立控制器（也可以叫做單回路控制器），可編程控制器（ PLCs）中的控制器，嵌入式控制器或者是用 Vb或 C編寫的計算機程序軟件。 PID 控制器是過程控制器，它具有如下特征： 連續(xù)過程控制； 模擬輸入（也被稱為“測量量”或“過程變量”或“ PV”）； 模擬輸出（簡稱為“輸出”）； 基準點（ SP）； 比例、積分以及 /或者 微分常數(shù)； “連續(xù)過程控制”的例子有溫度、壓力、流量及水位控制。例如：控制一個容器的熱量。對于簡單的控制，你使用兩個具有溫度限定功能的傳感器 (一個限定低溫，一個限定高溫 )。當?shù)蜏叵薅▊鞲衅鹘油〞r就會打開加熱器，當溫度升高到高溫限定傳感器時就會關(guān) 加熱器。這類似于大多數(shù)家庭使用的空調(diào)及供暖系統(tǒng)的溫度自動調(diào)節(jié)器。 反過來， PID 控制器能夠接受像實際溫度這樣的輸入，控制閥門，這個閥門能夠控制 進入加熱器的氣體流量。 PID 控制器自動地找到加熱器中氣體的合適流量，這樣就保持了溫度在基準點穩(wěn)定。溫度穩(wěn)定了，就不會在高低兩點間上下跳動了。如果基準點降低， PID控制器就會自動降低加熱器中氣體的流量。如果基準點升高， PID 控制器就會自動的增加加熱器中氣體的流量。同樣地，對于高溫，晴朗的天氣 (當外界溫度高于加熱器時 )及陰冷，多云的天氣， PID 控制器都會自動調(diào)節(jié)。 模擬輸入 (測量量 )也叫做“過程變量”或“ PV39。’。你希望 PV 能夠達到你所控制過程參數(shù)的高精確度。例如，如果我們想要保持溫度為 +1 度或 — 1度，我們至少要為此努力，使其 精度保持在 0． 1度。如果是一個 12位的模擬輸入，傳感器的溫度范圍是從 0 度到 400 度，我們計算的理論精確度就是 4096 除 400 度=0． 097656 度。我們之所以說這是理論上因為我們假定溫度傳感器，電線及模擬轉(zhuǎn)換器上沒有噪音和誤差。還有其他的假定。例如，線性等等。即使是有大量的噪音和其他問題，按理論精確度的 1／ 10 計算， 1度精確度的數(shù)值應(yīng)該很容易得到的。 模擬輸出經(jīng)常被簡稱為“輸出”。經(jīng)常在 0％到 100％之間給出。在這個熱量的例子中閥門完全關(guān)閉 (0％ )，完全打開 (100％ )。 基準點 (SP)很簡 單，即你想要什么樣的過程量。在這個例子中一你想要過程處于怎樣的溫度。 PID 控制器的任務(wù)是維持輸出在一個程度上，這樣在過程變量 (PV)和基準點(SP)上就沒有偏差 (誤差 )。 在圖 3中，閥門用來控制進入加熱器的氣體，冷卻器的制冷，水管的壓力，水管的流量，容器的水位或其他的過程控制系統(tǒng)。 PID 控制器所觀察的是 PV和 SP 之間的偏差 (或誤差 )。它觀察絕對偏差和偏差變換率。絕對偏差就是一 39。PV 和 SP 之間偏差大還是小。偏差變換率就是 ——PV和 SP 之間的偏差隨著時間的變化是越來越小還是越來越大。 如果存在過程擾動，即過程變量或基準點變化時一 PID 控制器就要迅速改變輸出，這樣過程變量就返回到基準點。如果你有一個 PID控制的可進入的冷凍裝置，某個人打開門進入，溫度 (過程變量 )將會迅速升高。因此， PID 控制器不得不提高冷度 (輸出 )來補償這個溫度的升高。 一旦過程變量等同于基準點，一個好的 PID 控制器就不會改變輸出。你所要的輸出就會穩(wěn)定 (不改變 )。如果閥門 (發(fā)動機或其他控制元件 )不斷改變，而不是維持恒量，這將造成控制元件更多的磨損。 這樣就有了兩個矛盾的目標。當有“過程擾動”時能 夠快速反應(yīng) (快速改變輸出 )。當 PV 接近基準點時就緩慢反應(yīng) (平穩(wěn)輸出 )。 我們注意到輸出量經(jīng)常超過穩(wěn)定狀態(tài)輸出使過程變量回到基準點。比如，一個制冷器通常打開它的制冷閥門的 34％，就可以維持在零度 (在制冷器關(guān)閉和溫度降低后 )。如果某人打開制冷器，走進去，四處走，找東西，然后再走出來，再關(guān)上制冷器的門 PID 控制器會非?；钴S，因為溫度可能將上升 20度。這樣制冷閥門就可能打開 50％， 75％甚至 100％ —— 目的是趕快降低制冷器的溫度 —— 然后慢慢關(guān)閉制冷閥門到它的 34％。 讓我們思考一 下如何設(shè)計一個 PID 控制器。 我們主要集中在過程變量 (PV)和基準點 (SP)之間的偏差 (誤差 )上。有三種定義誤差的方式。 絕對偏差 他說明的是 PV 和 SP之間的偏差有多大。如果 PV和 SP之間偏差小 —— 那我們就在輸出時作一個小的改變。如果 PV和 SP之間偏差大 —— 那我們就在輸出時作一個大的改變。絕對偏差就是 PID 控制器的比例環(huán)節(jié)。 累積誤差 給我們點兒時間，我們將會明白為什么僅僅簡單地觀察絕對偏差 (比例環(huán)節(jié) )是一個問題。累積誤差是很重要的，我們把它稱為是 PID 控制器的積分環(huán)節(jié)。每次我們運行 PID 算法時，我們總會把最近的誤差添加到誤差總和中。換句話說，累積誤差二誤差 1+誤差 2+誤差 3+誤差 4+?。 滯后時間 滯后時間指的是 PV 引起的變化由發(fā)現(xiàn)到改變之間的延時。典型的例子就是調(diào)整你的烤爐在合適的溫度。當你剛剛加熱的時候，烤爐熱起來需要一定時間。這就是滯后時間。如果你設(shè)置一個初始溫度，等待烤爐達到這個初始溫度，然后你認為你設(shè)定了錯誤的溫度，烤爐達到這個新的溫度基準點還需要一段時間。這也就被認為是 PID 控制器的微分環(huán)節(jié)。這就抑制了某些將來的變化因為輸出值已經(jīng)發(fā)生了改變，但并不是受過程變量的影 響。 絕對偏差／比例環(huán)節(jié) 有關(guān)設(shè)計自動過程控制器，人們最初想法之一是設(shè)計比例環(huán)節(jié)。意思就是，如果 PV 和 SP 之間的偏差很小 —— 那么我們就在輸出處作一個小的修改；如果PV和 SP 之間的偏差很大 那么我們就在輸出處作一個大的修改。當然這個想法是有意義的。 我們在 MicrosoftExcel 僅對比例控制器進行仿真。圖 4 是顯示首次仿真結(jié)果的表格。 (滯后時間二 0，只含比例環(huán)節(jié) ) 比例、積分控制器 PID 控制器中的積分環(huán)節(jié)是用來負責純比例控制器中的補償問題的。我們有另外一個 Excel 的擴展表格 ，表格上仿真的是一個具有比例積分功能的 PID 控制器。這里 (Pig． 5)是比例積分控制器最初的仿真表格 (滯后時間＝ 0，比例常數(shù)二0． 4)。 眾所周知，比例積分控制器要比僅有比例功能的比例控制器好得多，但是等于 0 的滯后時間并不常見。 微分控制 微分控制器考慮的是：如果你改變輸出，那么要在輸入 (PV)處反映這個改變就需要些時間。比如，讓我們拿烤爐的加熱為例。 如果我們增大氣體的流量，那么從產(chǎn)生熱量，熱量分布烤爐的四周，到溫度傳感器檢測升高的溫度都將需要時間。 PID 控制器中微分環(huán)節(jié)具有抑制功能， 因為有些溫度增量會在以后不需要的情況下產(chǎn)生了。正確地設(shè)置微分系數(shù)有利于你對比例系數(shù)和積分系數(shù)的確定。