計算機控制系統(tǒng)論文課件

內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義

二、水箱建模與PID整定理論

三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計

五、結(jié)論

內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義

二、水箱建模1一、研究背景及意義

雙容水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強的代表性，有較強的工業(yè)背景，對雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，雙容水箱的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義雙容水箱是較為典型的非2

雙容水箱系統(tǒng)具有較強代表性和工業(yè)應(yīng)用背景，具有非常重要的研究意義和價值，主要是因為它具有如下特點：1、通過改變各個閥門的狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對象，如一階對象、二階對象等；2、雙容水箱系統(tǒng)是典型的非線性、時延對象，所以可對其進行非線性系統(tǒng)的辨識和控制等相關(guān)研究；3、雙容水箱系統(tǒng)可構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)等，從而對各種控制系統(tǒng)的研究提供可靠對象；4、由于對雙容水箱系統(tǒng)的控制主要通過計算機來完成，所以，可由計算機編程實現(xiàn)各種控制算法來對水箱系統(tǒng)進行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗平臺；5、可以在控制過程中隨時改變泄水閥門的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對象和試驗平臺。一、研究背景及意義安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)具有較強代表性和工業(yè)應(yīng)用背景，具有非常重3二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。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)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PID控制4水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體，水位檢測元件（壓力傳感器）、水泵、數(shù)據(jù)采集模塊及上位工控機(內(nèi)有PCI總線插槽)構(gòu)成，負責監(jiān)測和變送和執(zhí)行的元件包括液位傳感器、渦輪流量計、壓力表、電動調(diào)節(jié)閥等組成。圖中的兩個玻璃容器、通過連接閥門依次連接。玻璃容器通過泄水閥門可以排出容器里的水，供水泵循環(huán)使用，水泵抽出的水通過進水閥門進入容器，這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路。兩個玻璃容器上各裝有一個液位壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實時液位值。進水閥門通過兩個步進電機控制其開度，從而調(diào)節(jié)進入容器水量的大小。水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體5二、水箱建模與PID整定理論

雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計二、水箱建模與PID整定理論

雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)6液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號傳到數(shù)據(jù)采集模塊，又由數(shù)據(jù)采集模塊傳給上位機，為各種控制算法提供實時的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的處理，生成恰當?shù)目刂菩盘?，也需要?jīng)過數(shù)據(jù)采集卡給到步進電機，進一步控制閥門的開度，從而實現(xiàn)對各種控制算法的模擬和檢驗。液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號傳到數(shù)據(jù)采集7二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱控制如上圖所示，是兩個串聯(lián)在一起的水箱，水先進入水箱A,然后再通入水箱B,然后再從水箱B流出。水流入量由變頻控制泵控制，流出量由用戶控制。水箱A：

水箱B:其對應(yīng)的拉式變化為:

二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱控8二、水箱建模與PID整定理論令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分別為和,其中將幾個公式合并令可得令得到傳遞函數(shù)

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計二、水箱建模與PID整定理論令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分9二、水箱建模與PID整定理論

在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制變量：水流量Q；被控參數(shù)：下水箱液位；控制器：PID；執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）下水箱傳遞函數(shù)下水箱傳遞函數(shù)二、水箱建模與PID整定理論

在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如10

三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

用衰減曲線法對系統(tǒng)進行PID參數(shù)整定

衰減比為10：1安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

用衰減曲線法對系統(tǒng)進行P11串級控制系統(tǒng)介紹安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計

串級控制是指通過引入副回路，使系統(tǒng)控制品質(zhì)相對于單回路控制系統(tǒng)提高。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上說，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對主參數(shù)的定值控制。船機系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過他們的協(xié)調(diào)工作，是主參數(shù)能夠準確地控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。串級控制系統(tǒng)介紹安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計串級控制是指通12液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計本設(shè)計采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果。如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果。液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計本設(shè)計采用閉環(huán)系統(tǒng)，13控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定衰減曲線法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。穩(wěn)定邊界法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗公式確定PID參數(shù)。Ziegler-Nichols經(jīng)驗公式：方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對象的純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗公式計算PID參數(shù)。積分項改進的數(shù)字PID控制：實際中常采取積分分離措施，即當偏差較大時，不施加積分控制；當偏差較小時，才施加積分控制。即：

a.當

時，采用PD控制；b.當

時，采用PID控制

數(shù)字變PID控制:同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動范圍，由程序根據(jù)當時波動范圍自動選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。

I積分時間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強，I的各個分段值應(yīng)根據(jù)對PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動范圍確定。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計。。控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定衰減曲線法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比14串級控制系統(tǒng)設(shè)計

串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所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；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所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。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)15串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的。主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是個隨動控制系統(tǒng)在串級控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝變量?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計的目的就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī)定的給定值。在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)童。由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是16在串級控制系統(tǒng)中。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數(shù)，液體流量為控制變量。所以，選擇PID調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律在串級控制系統(tǒng)中。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制17

串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。但是逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法是按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。此法雖然比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次10:1衰減曲線法的實測.兩步整定法進行簡化，在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按照一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方18此時K1=9.8

Ti=無窮大

TD=0

周期Ts=14s

根據(jù)衰減曲線法經(jīng)驗公式得出參數(shù)：

K1=12，Ti=16.8，TD=5.6三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

此時K1=9.8

Ti=無窮大

19以上面的參數(shù)為參照，改變PID的參數(shù)，最終得出控制效果較好的仿真圖調(diào)節(jié)時間Ts=9s

超調(diào)量σ=4%

穩(wěn)態(tài)誤差Ess=7.6

可見穩(wěn)態(tài)誤差不

符合設(shè)計的要求三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

以上面的參數(shù)為參照，改變PID的參數(shù)，最終得出控制效果較好的20四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計未加校正的串級控制系統(tǒng)框圖四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計未加校正的串級控制系統(tǒng)框圖21四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計對上面框圖進行仿真得出下圖

可以看出此圖各項指標并不符合設(shè)計要求四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計對上面框圖進行仿真得出下圖22加入調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對主回路進行PID調(diào)節(jié)，對副回路只進行P調(diào)節(jié)

然后進行主副回路參數(shù)整定四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計加入調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對主回路進行PID調(diào)節(jié)，對副回路只23經(jīng)過多組數(shù)據(jù)驗證得出較理想的仿真圖如下調(diào)節(jié)時間Ts=7s

超調(diào)量σ=3%穩(wěn)態(tài)誤差Ess=0

可見各項指標都

達到要求四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過多組數(shù)據(jù)驗證得出較理想的仿真圖如下調(diào)節(jié)時間Ts=7s24單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的比較單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但控制品質(zhì)一般串級控制系統(tǒng)提高了控制品質(zhì)，改善了過程的動態(tài)特性對于此設(shè)計它減少了調(diào)節(jié)時間

降低了超調(diào)量降低了穩(wěn)態(tài)誤差使系統(tǒng)各項指標打到要求單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的比較單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，容25串級PID控制的設(shè)計方案完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)是可行的。而且在改善系統(tǒng)的動態(tài)特性、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的。之前整定出的主副控制器PID參數(shù)值也是合適可用的。但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線。實際系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)場必須綜合考慮各方面的因素,不可能得到與計算機仿真一致的理想曲線和控制性能，這點需要注意。五、結(jié)論安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計串級PID控制的設(shè)計方案完成對水箱液位的控制五、結(jié)論26謝謝大家安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計謝謝大家安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計27內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義

二、水箱建模與PID整定理論

三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

四、串級控制系統(tǒng)設(shè)計

五、結(jié)論

內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義

二、水箱建模28一、研究背景及意義

雙容水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強的代表性，有較強的工業(yè)背景，對雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，雙容水箱的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一、研究背景及意義雙容水箱是較為典型的非29

雙容水箱系統(tǒng)具有較強代表性和工業(yè)應(yīng)用背景，具有非常重要的研究意義和價值，主要是因為它具有如下特點：1、通過改變各個閥門的狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對象，如一階對象、二階對象等；2、雙容水箱系統(tǒng)是典型的非線性、時延對象，所以可對其進行非線性系統(tǒng)的辨識和控制等相關(guān)研究；3、雙容水箱系統(tǒng)可構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、復(fù)雜過程控制系統(tǒng)等，從而對各種控制系統(tǒng)的研究提供可靠對象；4、由于對雙容水箱系統(tǒng)的控制主要通過計算機來完成，所以，可由計算機編程實現(xiàn)各種控制算法來對水箱系統(tǒng)進行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗平臺；5、可以在控制過程中隨時改變泄水閥門的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對象和試驗平臺。一、研究背景及意義安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)具有較強代表性和工業(yè)應(yīng)用背景，具有非常重30二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。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)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PID控制31水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體，水位檢測元件（壓力傳感器）、水泵、數(shù)據(jù)采集模塊及上位工控機(內(nèi)有PCI總線插槽)構(gòu)成，負責監(jiān)測和變送和執(zhí)行的元件包括液位傳感器、渦輪流量計、壓力表、電動調(diào)節(jié)閥等組成。圖中的兩個玻璃容器、通過連接閥門依次連接。玻璃容器通過泄水閥門可以排出容器里的水，供水泵循環(huán)使用，水泵抽出的水通過進水閥門進入容器，這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路。兩個玻璃容器上各裝有一個液位壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實時液位值。進水閥門通過兩個步進電機控制其開度，從而調(diào)節(jié)進入容器水量的大小。水箱液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成水箱液位控制系統(tǒng)AE2000B由水箱體32二、水箱建模與PID整定理論

雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計二、水箱建模與PID整定理論

雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)33液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號傳到數(shù)據(jù)采集模塊，又由數(shù)據(jù)采集模塊傳給上位機，為各種控制算法提供實時的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的處理，生成恰當?shù)目刂菩盘?，也需要?jīng)過數(shù)據(jù)采集卡給到步進電機，進一步控制閥門的開度，從而實現(xiàn)對各種控制算法的模擬和檢驗。液位壓力傳感器將容器中的水位值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號傳到數(shù)據(jù)采集34二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱控制如上圖所示，是兩個串聯(lián)在一起的水箱，水先進入水箱A,然后再通入水箱B,然后再從水箱B流出。水流入量由變頻控制泵控制，流出量由用戶控制。水箱A：

水箱B:其對應(yīng)的拉式變化為:

二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱控35二、水箱建模與PID整定理論令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分別為和,其中將幾個公式合并令可得令得到傳遞函數(shù)

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計二、水箱建模與PID整定理論令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分36二、水箱建模與PID整定理論

在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制變量：水流量Q；被控參數(shù)：下水箱液位；控制器：PID；執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）下水箱傳遞函數(shù)下水箱傳遞函數(shù)二、水箱建模與PID整定理論

在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如37

三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

用衰減曲線法對系統(tǒng)進行PID參數(shù)整定

衰減比為10：1安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計三、單回路控制系統(tǒng)設(shè)計

用衰減曲線法對系統(tǒng)進行P38串級控制系統(tǒng)介紹安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計

串級控制是指通過引入副回路，使系統(tǒng)控制品質(zhì)相對于單回路控制系統(tǒng)提高。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上說，串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：主回路和副回路，主副調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，主調(diào)節(jié)器輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器輸出控制執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對主參數(shù)的定值控制。船機系統(tǒng)的主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動控制系統(tǒng)，通過他們的協(xié)調(diào)工作，是主參數(shù)能夠準確地控制在工藝規(guī)定的范圍之內(nèi)。串級控制系統(tǒng)介紹安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計串級控制是指通39液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計本設(shè)計采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果。如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果。液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計本設(shè)計采用閉環(huán)系統(tǒng)，40控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定衰減曲線法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。穩(wěn)定邊界法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗公式確定PID參數(shù)。Ziegler-Nichols經(jīng)驗公式：方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對象的純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗公式計算PID參數(shù)。積分項改進的數(shù)字PID控制：實際中常采取積分分離措施，即當偏差較大時，不施加積分控制；當偏差較小時，才施加積分控制。即：

a.當

時，采用PD控制；b.當

時，采用PID控制

數(shù)字變PID控制:同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動范圍，由程序根據(jù)當時波動范圍自動選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。

I積分時間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強，I的各個分段值應(yīng)根據(jù)對PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動范圍確定。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計。?？刂葡到y(tǒng)的PID參數(shù)整定衰減曲線法：在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比41串級控制系統(tǒng)設(shè)計

串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所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；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所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。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)42串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的。主回路是定值控制系統(tǒng)，而副回路是個隨動控制系統(tǒng)在串級控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝變量。控制系統(tǒng)設(shè)計的目的就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī)定的給定值。在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)童。由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。串級控制系統(tǒng)的特點在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是43在串級控制系統(tǒng)中。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數(shù)，液體流量為控制變量。所以，選擇PID調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律在串級控制系統(tǒng)中。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制44

串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。但是逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法是按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。此法雖然比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次10:1衰減曲線法的實測.兩步整定法進行簡化，在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按照一般單