【正文】 法、 反 應(yīng)曲線 法和衰減法。 （四） PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是 控制系統(tǒng)設(shè)計 的核心內(nèi)容。 Td 越大，則它的抑制 e（ t）變化的作用越強(qiáng)； Td 越小， 則它的反抗 e（ t）變化的作用越弱。反映偏差信號的變化趨勢（變化規(guī)律），并能在偏差信號變太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 微分控制 是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)的速度。 （三） 微分控制 Kd。當(dāng) Ti 較大時，則積分作用較弱，這時，系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時間較長；當(dāng) Ti 較小時，則積分作用較強(qiáng)，這時系統(tǒng)過渡過程中油可能會產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需要 的時間較短。因而，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷增加。能對誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)靜差。 （二） 積分控制 Ki。 Kp 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但過大將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果 Kp 取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。當(dāng)系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的對象朝著減小誤差的方向變化。其控制器的輸出與輸 入誤差信號成比例關(guān)系。 （一） 比例控制 Kp。 ? 魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。按 PID 控制進(jìn)行工作的自動調(diào)節(jié)器早已商品化，在具體實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了機(jī)械式、液動式、氣動式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離 PID 控制的范疇。 ? 適應(yīng)性強(qiáng)。直到現(xiàn)在為止， PID 控制得到極其廣泛的應(yīng)用，概括起來，該算法具有如下優(yōu)點(diǎn)： ? 原理簡單，使用方便。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD控制。 圖 雙容過程的階躍響應(yīng)曲線 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 3 PID 控制和模糊控制 PID 控制 PID 簡述 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又 稱 PID 調(diào)節(jié)。由圖可見，雙容過程的階躍響應(yīng)曲線從一開始就變化緩慢。 兩個水箱的物料平衡方程有： dthdA 1121 ???? dthdA 2232 ???? Δ Q1=k1*Δ x 1212 R hhQ ????? 223 RhQ ??? 整理可得： xRkhhdt hdT 112111 ?????? 0hrhdthT 1222 ????? T1=A1*R1 212122 RR RRAT ?? 212RRRr ?? 消去Δ h1 得到一個二階微分方程： ? ? ? ? xRrKhr1dt hdTTdt hdTT 1122212 2221 ???????? 得傳遞函數(shù)： ? ? ? ? ? ? 1sTTsTT Ksx sHsG 212212 ????? ?????? 因?yàn)檩斎肓拷?jīng)過控制閥以速度 v 進(jìn)入水箱，所以系統(tǒng)有純滯后て，則傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? s21 0e1sT1sT KsG ???? ? ? ? ? ? ?? ?? ? s121 0esQ1sT1sT KsH ????????????? ??? 式中： A A2 分別為上、下水箱橫截面積；Δ hΔ h2 分別為上、下水箱液位微 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 變量； T T2 分別為上、下水箱時間常數(shù)； K 為靜態(tài)增益。兩容器的流出閥均為手動閥門，流量 Q1 只與容器 1 的液位 h1 有關(guān)，與容器 2 的液位 h2 無關(guān)，容器 2 的液位也不 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 會被容器 1 影響。 圖 為雙容水箱串級控制系統(tǒng)簡圖。 圖 水箱模型串級控制系統(tǒng)圖 雙容水箱數(shù)學(xué)模型建立與分析 系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 程的 機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模比機(jī)理法建模簡單，但對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理法建模。 低位水箱的液位 傳感器 檢測 到 的液位信號 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 與給定液位值進(jìn)行比較 ，然后將結(jié)果 送人主調(diào)節(jié)器， 主調(diào)節(jié)器 經(jīng) 模糊 PID 運(yùn)算后， 建立合適的模糊控制器，如果下水箱液位值小于給定值則加大上水箱出水流量，如果液位值大于等于給定值，則減少上水箱出水流量。蓄水池中水由水泵抽出，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥注入上水箱，再由手動調(diào)節(jié)閥 1 流到下水箱，最后經(jīng)手動調(diào)節(jié)閥 2 流回蓄水池。電動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量，液位變送器用于檢測水箱液位。 在主、副環(huán)均閉合的情況下 適當(dāng)調(diào)整主控制器的參數(shù)，使主變量的品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求 [6]。 根據(jù)副變量的類型，參照有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選好副控制器參數(shù)，并將其設(shè)置于副控制器上。 將上述計算所得控制器參數(shù)按先副環(huán)、后主環(huán)、先比例次積分后微分的順序在主、副控制器上放好，觀察控制過程曲線。找出主變量出現(xiàn) 4:1 衰減震蕩過程時的比例度 s1? 及振蕩周期 s1T 。將副控制器比例度放于 s2? 值，積分時間放最大，微分時間放最小。然后按照 4： 1 整定方法直接整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4:1 震蕩過程時的比例度 s2? 及振蕩周期 s2T 。 (1)兩步法 兩步整定法是一種先整定副環(huán)，后整定主環(huán)的方法，具體步驟是： 先整定副環(huán)。 串級控制系統(tǒng)投運(yùn)順序是先副環(huán)，后主環(huán)，要求必須保證無擾動切換，而且應(yīng)該是 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 無平衡無擾動切換。串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖 所示。主調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；副調(diào)節(jié)器檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 論文結(jié)構(gòu) 圖 論文結(jié)構(gòu)框圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 2 水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計及模型分析 水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計 串級控制系統(tǒng)是采用兩個控制器串聯(lián)工作，包括兩個控制回路，主回路和副回路。 三、將設(shè)計好的模糊控制算法通過 MATLAB 進(jìn)行仿真，與常規(guī) PID 控制器的性能作比較。 以實(shí)驗(yàn)室中 AE2020 控制系統(tǒng)中的雙容水箱為實(shí)際的被控對象進(jìn)行基于 PLC 的模糊 PID 水箱液位控制系統(tǒng)的 設(shè)計。 課題研究的主要內(nèi)容與論文結(jié)構(gòu) 課題研究內(nèi)容 一、本文以水箱為研究對象，水箱的液位為被控制量。模塊式的 PLC 的結(jié)構(gòu)形式如圖 所示。 可編程控制器的硬件組成 整體式和模塊式兩種可編程控制器具有不同的結(jié)構(gòu)形式。 （ 6）發(fā)展容錯技術(shù)：采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 （ 5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化。 （ 4）新器件 和模塊不斷推出。 （ 2） PLC 在閉環(huán)過程中應(yīng)用日益廣泛。大： I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá) 14336 點(diǎn)、 32 位微處理器、多 CPU 并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便 [4]。 6． 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間 的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。作為工業(yè)控制計算機(jī)， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 2． 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。隨著 PLC 性能價格比的不斷提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，大致可歸納 為如下幾類。這很適合多品種、小批量生產(chǎn)。 （三） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，易于改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)別外部恩德 接線，是控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得更為容易。近年來 PLC 功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外 圍器件的故障自診斷程序。從PLC 機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。 （一） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 及有關(guān)的外圍設(shè)備的設(shè)計都應(yīng)易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形 成一個整體，易于擴(kuò)展其功能 [3]。 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義：“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)合，取長補(bǔ)短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由此可以組成更接近于人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人 [2]。至今，世界上研究“模糊”的學(xué)者已過萬人，發(fā)表的重要論文 5000 多篇，研究范圍從單純的模糊數(shù)學(xué)到模糊理論應(yīng)用、模糊系統(tǒng)及其硬件集成，與知識工程和控制方面有關(guān)的 研究方向主要包括模糊建模理論、模糊序列、模糊識別、模糊知識庫、模糊語言規(guī)則、模糊近似推理等。 1975 年以后，產(chǎn)生了許多模糊理論應(yīng)用的例子。英國科學(xué)家曼尼爾首次將模糊集理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)的控制系統(tǒng)中，開辟了模糊集理論應(yīng)用新領(lǐng)域。正是 在這種背景下，作為模糊數(shù)學(xué)的一個重要分 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 支的模糊控制理論便應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了。模糊集和理論的誕生，為處理客觀世界中存在的一類模糊性問題提供了有力的工具。 美國控制理論專家扎德教授于 1965 年首先提出了模糊控制集合的概念，開創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的新紀(jì)元。因?yàn)槿四X的重要特點(diǎn)之一就是有能力對模糊事物進(jìn)行 識別和判決，看起來似乎不確切的模糊控制手段常?？梢赃_(dá)到精確控制的目的。還有一些生產(chǎn)過程缺乏適當(dāng)?shù)臏y試手段，或者測試裝置不能進(jìn)入被測試 區(qū)域，致使無法建立過程的數(shù)學(xué)模型。然而，在許多情況下被控對象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計算機(jī) 集成制造系統(tǒng) (CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個 生產(chǎn)系統(tǒng) 信息管理的最優(yōu)化 [1]。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高以及市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安 全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為 工業(yè)自動化 重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對控制器要求較高。各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮，如較常用的浮子式、磁電式和接近開關(guān)式。液位是過程控制中重要的控制形式之一，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控 量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。 自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 70 年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結(jié)合的多級 計算機(jī)控制系統(tǒng) 。過程控制系統(tǒng)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的提高和技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了一個相當(dāng)長的過程。由于被控過程的多樣性，而且控制參數(shù)多屬于多變量、非線性、分布參數(shù)和時變參數(shù)，因此過程控制中應(yīng)用的控制方案的種類和內(nèi)容十分豐富。實(shí)驗(yàn)表明模糊控制器具有良好的動、靜態(tài)控制效果。 通過西門子 SIMATIC S7300 PLC 編程系統(tǒng)和力控組態(tài)軟件 設(shè)計了西門子 PLC的常規(guī) PID 系統(tǒng)和模糊 PID 控制算法。 本文首先通過機(jī)理法建立液位控制系統(tǒng)水箱的數(shù)學(xué)模型，為了改善調(diào)節(jié)過程的動態(tài)特性，采用串級控制，主調(diào)節(jié)器用模糊控制，副調(diào)節(jié)