【正文】 果控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥， 系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定， 會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費﹑產(chǎn)品的不合格， 影響工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。 水箱液位控制實驗系統(tǒng)是一個研究和開發(fā)先進(jìn)的控制方法、策略的平臺，它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點，它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，還可以通過大量的實驗來對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。同時也可以對液位控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計、驗證與研究。 液位串級控制系統(tǒng)的介紹 在 單回路控制系統(tǒng)是過程控制中結(jié)構(gòu)最簡單的一種形式，它只用一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個輸入信號，從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。但是也有另外一些情況，譬如調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性決定了它很難控制，而工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求又很高；或者調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性雖然并不復(fù)雜，但控制的任務(wù)卻比較特殊，則單回路控制系統(tǒng)就無能為力了，而串級控制系統(tǒng)可以改善和提高控制品質(zhì) 。在大多數(shù)情況下，這種簡單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求。 液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個參數(shù)，對液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。而串級控制系統(tǒng)則可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進(jìn)行控制。該草案中對可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度 、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS 系統(tǒng)。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機； 從控制能力上來說，誕生了 各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC 的應(yīng)用。上海 東屋電氣有限公司生產(chǎn)的 CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的 DKK 及 D 系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的 S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的 YZ 系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。而串級控制系統(tǒng)可以將流量納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，能夠?qū)σ何粚嵭休^快的控制。 當(dāng)然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補償控制。 液位 控制系統(tǒng) 組成 液位控制系統(tǒng)的 構(gòu) 成 如下 圖 中所示 ， 圖 液位控制系統(tǒng) 的組成結(jié)構(gòu) 該水箱流量和液位串級控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、電動調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、渦輪流量計、可編程控制器及其輸入（檢測）輸出（控制）通道電路構(gòu)成。 PLC 的模擬量輸入模塊 SM235 相連， SM235 和CPU 直接相連 。 管道里連接流量變送器 檢測管道水的流量 ， 水箱底部連接 液位傳感器 檢測液位， 并 轉(zhuǎn)換成 模擬信號 后傳送給的模擬量輸入接口 。 流量液位 串級控制系統(tǒng)的 工作原理 該系統(tǒng)有主 調(diào)節(jié)器 、副 調(diào)節(jié)器 兩個控制回路 串接工作 ， 液位控制是外回路（主調(diào)節(jié)器）負(fù)責(zé)液位的定值控制，流量控制是隨動控制的內(nèi)回路（副調(diào)節(jié)器）。 圖 副調(diào)節(jié)器 電動閥 流量 水箱液位 流量變送器 液位變送器 h（液位） 一次干擾 二次干擾 給定值 + + Q1 主調(diào)節(jié)器 調(diào) 節(jié)器 主變量就是主回路的輸出，所以說主回路是定值控制系統(tǒng)。 主控制器的輸出作為副控制器的給定值，副控制器的輸出去操縱控制閥，以實現(xiàn)對變量的定值控制 其中主調(diào)節(jié)器有自己獨立的給定值 R，它的輸出 m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) C1。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。 本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度 H，副控量為氣動調(diào)節(jié)閥支路流量 Q，它是一個輔助的控制變量。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)的主控制量 H 等于給定 值，因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為 PI 或 PID 控制。但選擇流量作副控參數(shù)時，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定，比例度必須選得較大，這樣比例控制作用偏弱，為此需引入積分作用，即采用 PI控制規(guī)律。顯然，由于副對象管道的時間常數(shù)小于主對象上水箱的時間常數(shù)，因而當(dāng)主擾動（二次擾動）作用于副回路時，通過副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動的影響。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應(yīng)速度。 2 克服被控過程的純滯后 被控過程中存在純滯后會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。只要在設(shè)計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。這會導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時整個 系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。 PID 控制算法 PLC 中的 PID 算法 常規(guī)的 PID 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。 PID 控制算法的理想形式為 01 tcdideu K e ed t TT d t??? ? ?????? 式中 cK —— 控制器比例增益； iT —— 積分時間； dT —— 微分時間。 由連續(xù)的 PID 算法 換算成離散的表達(dá)式如下： ? ? ? ? ? ? ? ?0 s11 Tkc k s diie k e ku k K e e i T TT?????? ? ?????? 其中， sT 為采樣周期。其微分項采用微分先行改進(jìn)，積分項采用抗積分飽和法改進(jìn)?？癸柡头e分，是指對計算出的控制量限幅。 對控制量的限幅為 1 . 0 ( ) 1 . 0( ) 0 . 0n n nn n nM X M P M D MM X M P M D M? ? ? ??? ? ? ? ?? 式中 nMP —— 第 n 次采樣的比例計算輸出數(shù)值； nMD —— 第 n 次采樣的積分計算輸出數(shù)值； nM —— 第 n次采樣的 PID 控制量計算輸出數(shù)值?？刂屏恳脖还潭ㄔ?~。 在過程控制中習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系： ? ? ? ?1u t e t?? （ ） 其中 ? 稱為比例帶。 比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。此時，如果余差過大，則需通 過其它的途徑解決。減小 ? 就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應(yīng)減小。 二、積分調(diào)節(jié)（ I 調(diào)節(jié)）的特點 ? ?36 在 I 調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度 du (t)/d t 與偏差信號 e 成正比，即 ? ? ? ?Idu t K e tdt ? （ 或 ? ? ? ?0tIu t K e t dt? ? （ ） 式中 KI稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。 I調(diào)節(jié)的特點是無差調(diào)節(jié)，與 P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對比。然而與此同時，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。 I 調(diào)節(jié)的另一特點是它的穩(wěn)定作用比 P 調(diào)節(jié)差。 對于同一個被控對象，采用 I 調(diào)節(jié)時其調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行總比采用 P調(diào)節(jié)時緩慢，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。相角滯后。相角滯后。 采用 I調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度 KI成正比。因為 KI愈大，則調(diào)節(jié)閥 的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。被調(diào)量最后都沒有余差，這是 I調(diào)節(jié)的特點。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為： ? ? ? ? ? ?0tcIu t K e t K e t d t?? ? () 或 ? ? ? ? ? ?011 tIu t e t e t d tT? ????????? () 式中 ? 為比例帶，可 IT 為積分時間。圖 是PI 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。當(dāng) t=TI時，調(diào)節(jié)器的總輸出為 2Δ e/δ。還可以注意到，當(dāng) t=TI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。 e(t) A O t △ u(t) 2KcA KcA O TI t 圖 [1] PI調(diào)節(jié)器引入積分動作帶來消除余差之好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 四、微分調(diào)節(jié)的特點 比例調(diào)節(jié)和積分 調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而不管那時被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。此時調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 ? ? ? ?D de tu t K dt? () 然而，單純按上訴規(guī)律動作的調(diào)節(jié)器是不能工作的。但是經(jīng)過相當(dāng)長時間以后，被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。 因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PD 和