【正文】 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 致謝 35 致 謝 本課。對于前人以前的所做的液位控制系統(tǒng)本系統(tǒng)更加的人性化，可以隨時修改液位的設(shè)定值。 比例調(diào)節(jié)器 e? u? （ a） （ b） 圖 比例調(diào)節(jié)器的實驗特性圖 0 0 0 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 5 運行 33 圖 階躍輸入后 PI調(diào)節(jié)器的實驗變化曲線 + = t t t t e? Pu? Iu? PIu? 0 0 0 0 Iu? t t t t t e? Pu? Du? PIDu? 0 0 0 0 0 圖 PID 階躍響應(yīng)實驗曲線圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 6 結(jié)論 34 6 結(jié)論 通過本次畢業(yè)論文的創(chuàng)作， 我知道了液位控制系統(tǒng)在生活中的重要性。 上水箱液位比例積分微分調(diào)節(jié) 對上水箱進行比例積分微分調(diào)節(jié)即 PID 調(diào)節(jié)進行實驗。 上水箱液位比例積分調(diào)節(jié) 當(dāng)輸入信號為階躍變化時，才用 PI 調(diào)節(jié)器的情況。在輸入的偏差信號 e? 為階躍信號。 軟件設(shè)計 現(xiàn)在以上水箱的液位控制系統(tǒng)為例，畫出其流程圖如圖 。 系統(tǒng)應(yīng)用的是 三菱 FX2 系列的 PLC，其結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活且易于維護。 控制單元 控制單元是整個 系統(tǒng)的心臟。當(dāng) Ii=If 時，電動機停止轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)閥處于某一開度，即 Q=KIi，式中 Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角， K 為比例常數(shù)。電動執(zhí)行機構(gòu)的組成框圖。當(dāng)位置反饋信號與輸入信號相等時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥處于某一開度。執(zhí)行機構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(diào)節(jié)機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的。 執(zhí)行單元 執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。 液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激 光式、放射性式等。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)主對象 副對象 執(zhí)行器 PID1 PID2 A/D D/A 主變送器 副變送器 A/D SP + —— —— PV e 圖 上下水箱控制方框圖 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 30 量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進行。 硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。它有兩個 PID 回路，分別是PID1 和 PID2。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動。 上水 箱下水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖 所示，該系統(tǒng)中，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象。所以系統(tǒng)能實時地調(diào)節(jié)水箱的液位。其中 SP 為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定，PV 為控制變量，它們的差是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號，經(jīng)過 PLC 的 PID 程序運算后輸出，調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)過 PLC的 D/A 轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電信號后輸出到電動調(diào)節(jié)閥中調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以控制 水的流量，使水箱的液位保持設(shè)定值。當(dāng)液位升高到設(shè)定高度時，設(shè)定值與控制變量平衡， PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號為零，電動調(diào)節(jié)閥就維持在那個開度，流量也不變，同時水箱的液位也維持不變。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 4 控制方案設(shè)計 28 當(dāng)上水箱的液位小于設(shè)定值時，壓力變送器檢測到的信號小于設(shè)定值，設(shè)定值與反饋值的差就是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號。系統(tǒng)原理圖如圖 所示。手工調(diào)整積分項前值時，必須小心謹(jǐn)慎，還應(yīng)保證寫入的值在 之間。用戶可以在執(zhí)行 PID 指令以前修改回路表中積分項前值。而且重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 26 積分項前值也要限制在 之間，然后在每次 PID 運算結(jié)束之后。 如果使用積分控制，積分項前值要根據(jù) PID運算結(jié)果更新。輸出變量是由 PID 運算產(chǎn)生的，所以在每一次 PID 運算完成之后，需更新回路表中的輸出值， 輸出值被限定在 之間。第一步是使用下面給出的公式，將回路輸出轉(zhuǎn)換成一個標(biāo)定的實數(shù)值： RScal = ( nM 偏移量 ) * 跨度 其中： RScal 是回路輸出經(jīng)過標(biāo)定的實數(shù)值 nM 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值 偏移量對于單極性值為 ，對于雙極性值為 跨度值域大小，可能的最大值減去可能的最小值 對于單極性為 32,000 (典型值 ) 對于雙極性為 64,000 (典型值 ) 變量的范圍 過程變量和設(shè)定值是 PID 運算的輸入值。在回路輸出可以用于驅(qū)動模擬輸出之前，回路輸出必須轉(zhuǎn)換成一個 16位的標(biāo)定 整數(shù)值。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 25 二、 回路輸出值轉(zhuǎn)換成刻度整數(shù)值 回路輸出值一般是控制變量，比如，在汽車速度控制中，可以是油閥開度的設(shè)置。 跨度是最大可能值減去最小可能值： 對于單極性數(shù)值 (典型值 )為 32,000。 偏移量對于單極性為 。下面的算式可以用于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定值或過程變量值： ])/[( 偏移量跨度 ?? R r a wR n o rm 其中： Rnorm 是現(xiàn)實世界數(shù)值的標(biāo) 準(zhǔn)化的實數(shù)值表達式 。簡化算式是： )( 1????????? nnDxnInPn eeKMeKeKM 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 。由于計算機從第一次采樣開始，每有一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，只 需要保存偏差前值和積分項前值。微分項是當(dāng)前采樣和前一次采樣的函數(shù)，比例項僅是當(dāng)前采樣的函數(shù)。 輸出 =比例項 +積分項 +微分項 dtdeKMi ni tale dtKeKM DIPt ?????? ?)( 其中： tM 是作為時間函數(shù)的回路輸出 K 是回路增益 e 是回路誤差 (設(shè)定值和過程變量之間的差 ) Minitial 是回路輸出的初始值 為了能讓數(shù)字計算機處理這個控制算式，連續(xù) 算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。偏差 (e)是設(shè)定值 (SP)和 過程變量 (PV)的差 。 當(dāng) X0=ON 時執(zhí)行 PID 指令，把 PID 控制回路的設(shè)定值存放在 D100D124 這 25個數(shù)據(jù)寄存器中，對 [S2]的當(dāng)前值（ D1）和（ S1）的設(shè)定值 （ D0）進行比較，通過 PID 回路處理數(shù)值之間的偏差后計算出一個調(diào)節(jié)值，此調(diào)節(jié)值存入目標(biāo)操作數(shù)D150 中。 PID 指令用的算術(shù)表達式為： 輸出值 )( 1 ????? dtTdtdTKK IDDP ??? 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 23 上式中 ? 表示誤差。 BIT2 輸出變化量（增方）超出。 [S3]+24：報警輸出 BIT0 輸入變化量（增方）超出。 [S3]+22：輸出變化量（增方）報警設(shè)定值， 032767。 [S3]+20：輸入變化量（增方）報警設(shè)定值， 032767。 [S3]+6：微分時間 常數(shù)（ DT ）， 032767（ *100ms），為 0時無微分。 [S3]+4：積分時間常數(shù)（ IT ）， 032767（ *100ms），為 0和 ? 時無積分。 [S3]+2：輸入濾波常數(shù)， 099%。 BIT1： 0為無輸入變化量報警， 1為輸入變化量報警有效。 [S3]：指定存放控制回路參數(shù)值的首地址，共占用 25 個數(shù)據(jù)寄存器，其選用范圍為 D0D75，各元件存放的參數(shù)如下： [S3]：采樣時間（ ST ），取值范 圍為 132767（ ms）。 [S2]：存放當(dāng)前值（ PV）的地址。 三菱 FX2 系列 PLC 中 PID 指令的使用 比例積分微分指令即 PID 指令其指令格式如下： FNC88 PID 操作數(shù)： [S1]、 [S2]、 [S3][D]：全部用數(shù)據(jù)寄存器 D。 （ 4）根據(jù)上述計算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。逐漸減小比例度，即 ? 減小 ，直至系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時的比例放大系數(shù)記為 r? ,臨界振蕩周期記 為 rT 。 表 臨界振蕩整定計算公式 調(diào)節(jié)參數(shù) 控制 規(guī) 律 ? IT DT P 2 r? PI r? rT / PID r? rT IT （ 2）用選定的 ST 使系統(tǒng)工作。 整定步驟： 擴充比例度法整定數(shù)字 PID 控制器參數(shù)的步驟是： （ 1）預(yù)選 擇一個足夠短的采樣周期 ST 。 擴充臨界比例度法 實驗經(jīng)驗法調(diào)整 PID參數(shù)的方法中較常用的是擴充臨界比例度法 ,其最大的優(yōu)點是，參數(shù)的整定不依賴受控對象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。 在圖 的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到，由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變 送環(huán)節(jié)為正。則 VK 為正，氣關(guān) VK 為負(fù)。 各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的：對于調(diào)節(jié)器 CK ，當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則 CK 為負(fù) 值（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之， CK 為正（即反作用調(diào)節(jié)器）。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(fù)反饋。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。系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同。 2) 主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、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。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。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。 （ 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，同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。 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重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 PID調(diào)節(jié)及串級控制系統(tǒng) 20 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。 (4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。 (2) 將更多的擾動包括在副回路中。 歸納如下。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。 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 （ 1） 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控制系統(tǒng)設(shè)計原則進行。 三、 提高了系統(tǒng)的工作頻率。 其特點有以下幾點： 一、 改善了過程的動態(tài)特性 ， 提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。 串級控制系統(tǒng)的特點 在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。 結(jié)構(gòu)圖如圖 。為了提高控制品質(zhì)，在單回路控制方案的 基礎(chǔ)上，開發(fā)出了串級控制系統(tǒng)。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比 PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨使用。適當(dāng)選取這三個參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。對于一個固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用