【正文】 (1)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過多個(gè)PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果。確切地說，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)振動(dòng)不敏感。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： (1)原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器。 串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過程的影響，在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。如果引入I控制，會(huì)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?yàn)楦被芈凡捎肞控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)對(duì)于幾個(gè)回路的要求有所不同。 （2）主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配與選擇在串級(jí)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(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)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(dòng)數(shù)量過少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被控過程的動(dòng)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(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。 主、副回路的匹配 （1）主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)一也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問題。（5）在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。（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。歸納如下 （1）在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。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。 上水箱下水箱液位控制系統(tǒng)框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)同單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以按照簡(jiǎn)單一控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。在上水箱下水箱液位串級(jí)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。系統(tǒng)有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)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(hào)則被送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。串級(jí)控制特點(diǎn)及應(yīng)用范圍是：特點(diǎn)：（1）能夠迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，抗干擾能力強(qiáng)，控制質(zhì)量強(qiáng)；（2）改善過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；（3）對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)； 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(shí)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(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。串級(jí)控制只多了一個(gè)測(cè)量變送器。對(duì)于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級(jí)水箱液位控制比單級(jí)水箱液位控制困難，會(huì)遇到許多的問題，滯后時(shí)間比較長，對(duì)于環(huán)境的變化多少會(huì)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(yùn)用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達(dá)到控制精度和要求。 串級(jí)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。這種情況是不被容許的。單純微分的調(diào)節(jié)器是不能工作的，這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對(duì)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(shí)，調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。而這個(gè)不平衡決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。以上的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)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。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。PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對(duì)比。 比例積分調(diào)節(jié)積分作用則是一種記憶，對(duì)誤差進(jìn)行累積，有利于消除靜差。δ有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小δ系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。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。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。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(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。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。調(diào)節(jié)時(shí)間加長，調(diào)節(jié)精度降低。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)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。 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)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(duì)不同的控制對(duì)象要用不同的PID參數(shù)。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。因此第n時(shí)刻的實(shí)際控制量為 （）其中M（n1）為第（n1）時(shí)刻的控制量。因?yàn)橛?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(j)，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編程，為此改進(jìn)式（）。由式（）可知，數(shù)字PID控制器的輸出控制量M(n)也和閥門位置對(duì)應(yīng)，所以式（）即是位置型算式。如果控制周期T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)TD比較是相對(duì)小的，那么這種近似合理的，并與連續(xù)控制十分接近。），e(n1)和e(n)分別為第(n1)和第n控制周期所得的偏差。比例作用最終達(dá)不到設(shè)定值，而有余差?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速的使T(s)達(dá)到設(shè)定值1。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用PI控制方式控制對(duì)象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇PID控制方式。式中等號(hào)右邊前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，他們分別與誤差、誤差的積分和微分呈正比。 PID控制系統(tǒng)原理圖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e(t)構(gòu)成偏差 e(t)=r(t)c(t) PID控制算法典型的PID 。 。 在過去的十幾年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。測(cè)量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。3 PID控制簡(jiǎn)介及其整定方法 PID控制簡(jiǎn)介 PID控制原理 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型。 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。（1）Simulink的功能： Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的二個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科性工具包：功能性工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能；學(xué)科性工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包、信號(hào)處理工具包、通信工具包等都屬于此類。（5）功能強(qiáng)大的工具箱MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。 （4）圖形功能強(qiáng)大 MATLAB里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。MATLAB的函數(shù)命令眾多，各函數(shù)的功能及使用又可由MATLAB圖形界面下的菜單來查詢，為用戶提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。由于庫函數(shù)都由各領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。（2）語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活MATLAB提供的庫函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫函數(shù)。MATLAB其有以下主要特點(diǎn)： （1）功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣 MATLAB除了具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算。如果應(yīng)用MATLB的Toolbox及Simulink集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了MATLAB仿真[4]。 （3）編制控制系統(tǒng)的仿真軟件 采用各種各樣的計(jì)算機(jī)語言(Basic、FORTRAN、C語言等)編制控制系統(tǒng)的仿真程序，或直接利用一些仿真語言。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。（4）比較單回路控制和串級(jí)兩種控制方式的優(yōu)劣。（2）設(shè)計(jì)PID控制器，對(duì)單容、雙容水箱在Simulink上進(jìn)行仿真。（2）對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著耦合的多變量過程的多變量參數(shù)整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。按照發(fā)展階段劃分，可分