【正文】 從而較難得到準(zhǔn)確的δs值和Ts(或Tr)值。如此反復(fù)，：1的振蕩過程、：1的振蕩過程時，記錄下此時的值(設(shè)為)，以及的值()，或者值()。(2) 待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，對設(shè)定值作階躍擾動，然后觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。 系統(tǒng)的臨界振蕩 采用臨界比例度法整定參數(shù)整定參數(shù)調(diào) 調(diào)節(jié)規(guī)律（%）TITDP2PIPID2．衰減曲線法這種方法與臨界比例度法相類似，所不同的是無需出現(xiàn)等幅振蕩過程。記錄下此時的δk (臨界比例帶)和等幅振蕩周期Tk。具體步驟如下：(1)先將調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大(TI=∞)，微分時間TD置零(TD＝0)，比例帶置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 1．臨界比例度法這是一種閉環(huán)整定方法。從PID控制器的三個參數(shù)的作用可以看出三個參數(shù)直接影響控制效果的好壞，所以要取得較好的控制效果，就必須對比例、積分、微分三種控制作用進(jìn)行調(diào)節(jié)。但應(yīng)當(dāng)注意，微分時間常數(shù)TD 偏大或偏小時，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào)節(jié)時間仍然較長，只有合適的微分時間常數(shù)，才能獲得比較滿意的過渡過程。(3) 微分時間常數(shù)TD微分控制也和比例控制和比例積分控制聯(lián)合使用，組成 PD或 PID控制。增大積分時間常數(shù) TI(積分變?nèi)?有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時要延長系統(tǒng)消除靜差的時間。比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動作遲緩。 、Ti、Td對控制質(zhì)量的影響(1) 比例系數(shù) KP增大比例系數(shù)KP能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜差系統(tǒng)中有利于減小靜差，但加大比例系數(shù)只能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差。因此，理論計算整定法除了有理論指導(dǎo)意義外，工程實際中較少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)的實驗中進(jìn)行，量方法簡單、易于掌握，相當(dāng)實用，從而在工程實際中被廣泛采用。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論中的根軌跡法，頻率特性法等，經(jīng)過理論計算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)的數(shù)值。由于不同的過程控制系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求有不同的側(cè)重點，也有用系統(tǒng)響應(yīng)的平方誤差積分(ISE)、絕對誤差積分(IAE)、時間乘以絕對誤差的積分(ITAE)分別取極小作為指標(biāo)來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的。它的目的是：根據(jù)被控過特性確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI以及微分時間TD的大小。液位串級控制系統(tǒng)是以實驗室的水箱作為工業(yè)被控過程，其基本工作過程為，當(dāng)下水箱液位發(fā)生變化時，由液位變送器L2T檢測到該信號，并輸出15V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號到主液位控制器L2C，再和給定值sp作比較，將比較后的偏差結(jié)果輸出作為副控制器L1C的設(shè)定值，而副液位變送器L1T將所檢測的上水箱的液位值輸出給副控制器，這樣在L1C中按照預(yù)定的控制規(guī)律運算，最后輸出信號控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以實現(xiàn)水箱液位的控制控制。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)可接受數(shù)字信號時，則可不必進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，直接將限幅后的送往執(zhí)行機構(gòu)。在此將限制在01000的范圍內(nèi)。在選定控制算法后，便可設(shè)計串級PID控制算法，其計算順序是先主回路后副回路，計算步驟為：(1)計算主回路的偏差 式(34)(2)計算主調(diào)節(jié)器的位置輸出 式(35)(3)計算副回路的偏差 式(36)(4)計算副調(diào)節(jié)器的位置輸出 式(37) (5) 在擾動大的場合，可能導(dǎo)致計算機的輸出突然大范圍跳動，超過執(zhí)行機構(gòu)的工作范圍，不利于安全操作。在此，可以利用增量的概念對位置型算式作些改進(jìn)，即可得位置型PID控制算式的遞推算法。(2)位置型PID算法在過程控制中通常選用位置型PID算法，其具體算法如下； 式(32)式中，為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，；為采樣間隔時間(也常用Ts表示)。另外，由于這種算法對偏差不加以累積，從而不會引起積分飽和現(xiàn)象。其具體表達(dá)式如下： 式(31)式中，△u(k)對應(yīng)于兩次采樣時間間隔內(nèi)控制閥開度的變化量，可通過步進(jìn)電動機等累積機構(gòu)，將其轉(zhuǎn)換成模擬量。而在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，又存在著一定的容量滯后，所以綜上所述在此系統(tǒng)中，主回路選擇比例、積分、微分控制規(guī)律，而副回路只需單純的比例控制即可。這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點。 在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器對主控制器輸出起隨動控制作用，而對擾動作用起定值控制作用。只有根據(jù)被控對象的特性，合理選擇比例度、積分時間和微分時間，才能獲得較高的控制質(zhì)量。而在實際應(yīng)用時通常需要綜合各方面的因素去考慮各種控制規(guī)律的選擇，這樣才可達(dá)到既經(jīng)濟又實用的效果。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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。它能敏感出誤差的變化趨勢，可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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)。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。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。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。積分(I)控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。比例(P)控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制規(guī)律以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。所以在此選擇上水箱液位高度為副參數(shù)，而由其所構(gòu)成的回路也即為副回路。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計時，必須注意主、副過程時間常數(shù)的匹配問題。(2) 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動能力強的特點。另外，對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因為它最直接也最有效。(1) 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計主回路是一個定值控制系統(tǒng)，對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(jìn)行。串級控制系統(tǒng)適用于時間常數(shù)及純滯后較大的對象．串級系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的區(qū)別在于前者可獲得可測中間變量，并利用它構(gòu)成副反饋回路，對影響中間變量的干擾進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)，從而改善整個系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)．串級控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)控制質(zhì)量方面主要表現(xiàn)在：1)對進(jìn)人副回路的二次干擾有很強的克服能力；2)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3)串級控制系統(tǒng)減小了對象時間常數(shù)；4)對負(fù)荷或操作條件的變化有較強的適應(yīng)能力．串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量都比單回路要好，一般應(yīng)用在下列情況：1)控制通道純延遲時間較長；2)對象容量滯后大；3)負(fù)荷變化大，被控對象又具有非線性；4)系統(tǒng)存在變化劇烈的干擾 ．相比單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，串級控制系統(tǒng)的設(shè)計也較為簡單，其主要包括以下幾項：①主、副參數(shù)的選擇及主、副回路設(shè)計；②比例、積分及微分控制規(guī)律的選擇；③控制算法的確定。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)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。一個閉環(huán)在里面，被稱為副回路；一個閉環(huán)在外面，被稱為主回路，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。與單回路方案相比，串級控制系統(tǒng)具有明顯優(yōu)點，在克服容量滯后和純滯后對控制質(zhì)量的影響方面有其獨到之處。該分析結(jié)果，也得到實驗證實，經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試得知，在有干擾作用或給定值變化的情形下，系統(tǒng)是無法穩(wěn)定的。若按單回路方法設(shè)計控制系統(tǒng)，則因作用于系統(tǒng)的擾動要經(jīng)過一個滯后時間才能使被控量有所反應(yīng)，而調(diào)節(jié)器的控制作用又不能及時反映出來，因此將導(dǎo)致控制過頭，產(chǎn)生振蕩。要通過廣泛的調(diào)研和反復(fù)的論證來確定控制方案，它包括被控變量的選擇與確認(rèn)、操縱變量的選擇與確認(rèn)、檢測點的初步選擇及系統(tǒng)組成、繪制出帶控制點的工藝流程圖和編寫初步控制方案設(shè)計說明書等。對于比較大的控制系統(tǒng)工程，更要從實際情況出發(fā)，反復(fù)多方論證，以避免大的失誤。 雙容水箱模型圖根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，即在單位時間內(nèi)貯罐的液體流入量與單位時間內(nèi)貯罐的液體流出量之差應(yīng)等于貯罐中液體貯存量的變化率，可列出以下增量方程： 式(21) 式(22) 式(23) 式(24)由式(21)和式(23)消去得： 式(25)將其轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式得： 式(26)其中。解析法建模的一般步驟為：① 明確過程的輸出變量、輸入變量和其他中間變量；② 依據(jù)過程的內(nèi)在機理和有關(guān)定理、定律以及公式列寫靜態(tài)方程或動態(tài)方程；③ 消去中間變量，求取輸入、輸出變量的關(guān)系方程；④ 將其簡化成控制要求的某種形式，如高階微分（差分）方程或傳遞函數(shù)（脈沖傳遞函數(shù)）等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(正擾動或負(fù)擾動)時，被控量能迅速恢復(fù)到系統(tǒng)原來所要求的液位值。變頻器用于控制水泵進(jìn)行恒壓供水。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)上水箱的進(jìn)水量的大小，液位變送器用于檢測上水箱和下水箱的液位。系統(tǒng)的主要目的是控制上下水箱的液位。是把被研究的工業(yè)過程視為一個黑匣子，完全從外部特性上測試和描述它的動態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機理。建立數(shù)學(xué)模型有兩個基本方法，即機理法和測試法。實際生產(chǎn)過程的動態(tài)特性非常復(fù)雜，往往需要作很多近似處理。一般說來，用于控制的數(shù)學(xué)模型并不要求十分準(zhǔn)確。工業(yè)過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)方式很多，其復(fù)雜程度相差懸殊?？刂戚斎肟偸橇D使被控過程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動量一般總是影響被控過程偏離期望運行狀態(tài)。或者說是描述被控過程因輸人作用導(dǎo)致輸出量(被控變量)變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。因此，數(shù)學(xué)模型對過程控制系統(tǒng)的分析設(shè)計、實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化校制具有極為重要的意義。第三章 雙容水箱液位控制系統(tǒng)分析設(shè)計對被控系統(tǒng)的分析，是設(shè)計過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料或基本依據(jù)。開放的控制器實驗裝置，便于我們進(jìn)行自己的控制器設(shè)計，滿足創(chuàng)新研究的需要。我們還可以通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實驗與研究。它不僅可以實現(xiàn)一階對象、二階對象，還可以實現(xiàn)更高階對象的分析、研究，而且它還可以作為一種多功能型實驗設(shè)備去驗證各種新型算法。 液位控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖上水箱和下水箱的液位信號分別由兩壓力傳感器檢測，檢測到的液位信號經(jīng)液位變送器轉(zhuǎn)換成4 20 mA 的電流信號，串聯(lián)250歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為15V電壓信號，再通過A/ D 模塊(Nudam7017)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)RS485 總線，再由RS232/485轉(zhuǎn)換器傳送給計算機，計算機采集到的數(shù)字信號在組態(tài)軟件中由PID 控制器進(jìn)