基于MATLAB與力控的雙容水箱串級(jí)控制

過程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告摘要串聯(lián)雙容水箱在工業(yè)過程控制中應(yīng)用非常廣泛。在串聯(lián)雙容水箱水位的控制中，進(jìn)水首先進(jìn)人第一個(gè)水箱，然后通過第二個(gè)水箱流出，與一個(gè)水箱相比，由于增加了一個(gè)水箱，使得被控量的響應(yīng)在時(shí)間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導(dǎo)致該過程的難以控制。串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)過程動(dòng)態(tài)性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲。隨著工業(yè)的發(fā)展，液位控制在各種過程控制中的應(yīng)用越來越廣泛。本設(shè)計(jì)以二容水箱實(shí)驗(yàn)液位控制模型為研究對(duì)象，采用PID控制，并用力控組態(tài)進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)。組態(tài)界面包括：水箱實(shí)驗(yàn)界面（包括實(shí)時(shí)趨勢曲線）、報(bào)警窗口、歷史趨勢曲線。所有畫面的動(dòng)態(tài)顯示用增強(qiáng)按鈕連接。關(guān)鍵詞：串級(jí)控制MATLABPID組態(tài)力控小組成員及學(xué)號(hào)姓名學(xué)號(hào)本人工作任務(wù)詳細(xì)說明參與設(shè)計(jì)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)，完成其運(yùn)行效果；觀看力控監(jiān)控組態(tài)軟件演示工程中的雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)，熟悉其運(yùn)行及各主要監(jiān)控參數(shù)；和組員在網(wǎng)上以及參考文獻(xiàn)中搜集雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理、多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工藝流程圖、雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)主要控制參數(shù)，雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控功能等資料；參與建立雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的工程畫面，創(chuàng)建相應(yīng)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的組態(tài)界面，創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，制作相應(yīng)動(dòng)畫連接；根據(jù)工藝流程圖及設(shè)計(jì)思想?yún)⑴c進(jìn)行主要的系統(tǒng)程序編寫，并和組員一起檢查更正、完善系統(tǒng)程序；觀看雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果圖；寫雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)習(xí)報(bào)告。目錄第一章MATLAB設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 11.1MATLAB設(shè)計(jì) 11.2MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù) 11.3MATLAB設(shè)計(jì)要求 11.4MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)分析 21.5MATLAB設(shè)計(jì)內(nèi)容 51.5.1主回路的設(shè)計(jì) 51.5.2副回路的設(shè)計(jì) 61.5.3主、副回路的匹配 61.5.4單回路PID控制的設(shè)計(jì) 71.5.5串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11第二章力控設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 182.1力控設(shè)計(jì) 182.2力控設(shè)計(jì)任務(wù) 182.3制作工程畫面 182.4建立動(dòng)畫連接 212.5力控軟件與MATLAB的通信 232.5.1服務(wù)器節(jié)點(diǎn)配置 232.5.2.客戶端節(jié)點(diǎn)配置 252.6運(yùn)行調(diào)試及參數(shù)整定 282.7作品展示 30第三章串級(jí)控制設(shè)計(jì)報(bào)告任務(wù)說明書 313.1小組成員及學(xué)號(hào) 313.2本人工作任務(wù)詳細(xì)說明 31第四章實(shí)習(xí)心得 32致謝 33參考文獻(xiàn)： 34第一章MATLAB設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.1MATLAB設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對(duì)下水箱液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1.1.3MATLAB設(shè)計(jì)要求1.已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：，。要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2.針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，其中PID參數(shù)的整定要求寫出整定的依據(jù)（選擇何種整定方法，P、I、D各參數(shù)整定的依據(jù)如何），對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述；3.針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述。1.4MATLAB設(shè)計(jì)任務(wù)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(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一般較機(jī)理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理建模法。串級(jí)控制雙容液位過程如圖1.4.1所示。圖1.4.1串級(jí)控制的雙容液位過程兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量只與容器1的液位有關(guān)，與容器2的液位無關(guān)。容器2的液位也不會(huì)影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，故有非線性方程：(4-1)(4-2)過程的原始數(shù)據(jù)模型為：(4-3)令容器1、容器2相應(yīng)的線性水阻分別為和：(4-4)(4-5)其中為容器1的初始液位，為容器2的初始液位。則有過程傳遞函數(shù)：(4-6)(4-7)而由式（2-41）可以退出：(4-8)因此有：(4-9)令時(shí)間常數(shù)和，最終可得該過程的傳遞函數(shù)為：(4-10)可見，雖然容器1的液位會(huì)影響容器2的液位，但容器2的液位不會(huì)影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對(duì)液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為：(4-11)由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個(gè)具有自平衡能力的過程。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快，反之，若時(shí)間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時(shí)間常數(shù)，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。因此通?？捎靡浑A慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似無相互影響的多容系統(tǒng)在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對(duì)象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）；（下水箱傳遞函數(shù)）?？刂破鳎篜ID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對(duì)象是單水箱時(shí)，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(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果。考慮到串級(jí)控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測上水箱液位，將液位信號(hào)送至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：圖1.4.2在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。然后，加入副回路、副控制器，再有干擾的情況下，比較單回路控制、串級(jí)控制系統(tǒng)性能的變化，串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如下：圖1.4.3串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下：圖1.4.4串級(jí)1.5MATLAB設(shè)計(jì)內(nèi)容1.5.1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)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題。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。1.5.2副回路的設(shè)計(jì)由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。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。(2)將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。(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。(4)要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。(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。在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧(2)和(3)的綜合。1.5.3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)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會(huì)降低。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。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在3～10之間。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。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。(2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、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。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入I或D控制。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。(3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。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。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。1.5.4單回路PID控制的設(shè)計(jì)MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：圖1.5.1先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。將積分時(shí)間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0，微分時(shí)間常數(shù)TD調(diào)為零，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10：1時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖：參數(shù)：K1=9.8，Ti=無窮大，TD=0圖1.5.2單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形經(jīng)觀測，此時(shí)衰減比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C．根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.3觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善。現(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.4參數(shù)：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6圖1.5.5比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=10，TD=5.6圖1.5.6參數(shù)：K1=12，Ti=1，TD=5.6圖1.5.7比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6圖1.5.8參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6圖1.比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大。現(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：圖1.階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6圖1.觀察以上曲線，并與無干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時(shí)，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時(shí)間的小幅震蕩，由此可見，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級(jí)控制。1.5.5串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：圖1.當(dāng)無噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3圖1.比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級(jí)控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5圖1.參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0圖1.5.15參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5圖1.觀察以上曲線可知，當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了，在干擾作用下，當(dāng)增益相同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小。可以取得令人滿意的控制效果。1.5.6串級(jí)控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，隨著各種技術(shù)和理論的發(fā)展，PID參數(shù)整定的方法越來越多。1.傳統(tǒng)整定方法(1)Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式(Z-N公式法)。該方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對(duì)象的純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)。此方法簡單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，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(dòng)，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(yàn)公式確定PID參數(shù)。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí);對(duì)干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，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(dòng)，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過程為止，記下此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定主要是一些手動(dòng)整定方法，階躍響應(yīng)是其整定PID參數(shù)的主要依據(jù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，因其簡單實(shí)用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;同時(shí)，對(duì)于一些系統(tǒng)，由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。1984年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計(jì)值，再利用Z-N經(jīng)驗(yàn)公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算出PID的參數(shù)。從根本上說，這仍然是根據(jù)過程響應(yīng)來整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標(biāo)。(4)積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制在一般的PID控制中，當(dāng)存在較大的擾動(dòng)和大幅度給定值變化時(shí)，此時(shí)有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會(huì)導(dǎo)致超大的超調(diào)和長時(shí)間的調(diào)節(jié)時(shí)間。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時(shí)，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時(shí)，才施加積分控制。即：a.當(dāng)時(shí)，采用PD控制；b.當(dāng)時(shí)，采用PID控制。其中，為積分分離值，它可根據(jù)具體對(duì)象及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來確定。實(shí)際中的值要選的合適，若值過大，則達(dá)不到積分分離的目的；若值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。積分分離時(shí)，取常見的積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5)數(shù)字變PID控制對(duì)于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因?yàn)槠胀≒ID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個(gè)參數(shù)在整定時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的被調(diào)參量可能是合適的，但是被調(diào)參量時(shí)刻都在變化并且有時(shí)可能波動(dòng)范圍很大。此時(shí)如果再用以前已整定好的PID參數(shù)來控制此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動(dòng)情況由控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：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(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。I積分時(shí)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(qiáng)，I的各個(gè)分段值應(yīng)根據(jù)對(duì)PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動(dòng)范圍確定。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù)PID控制系統(tǒng)的要求而定。2.最優(yōu)整定方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展，PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問題新的生命力，PID控制器的最優(yōu)化整定方法是針對(duì)特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。常用的性能指標(biāo)除ISE，IAE，ISTE，ITAE，IST2E等指標(biāo)外，還有改進(jìn)ITAE指標(biāo)，對(duì)階躍響應(yīng)過程中不同響應(yīng)階段區(qū)別對(duì)待，不同階段的偏差賦予不同的權(quán)重，以獲得更佳的控制品質(zhì);加權(quán)二次型性能言指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。目前還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實(shí)用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，求取被控對(duì)象的等效純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計(jì)算得出一系列參數(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)整定方法來說，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結(jié)果比較精確，控制效果比較好。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo);此外，從某種意義上說，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小;而且某種數(shù)值解法通常只對(duì)某一類問題適用，對(duì)于不同的系統(tǒng)，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇合適的方法。3.智能整定方法近年來，隨著智能控制理論的發(fā)展，專家系統(tǒng)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)日益受到控制界的重視，出現(xiàn)了一些智能優(yōu)化手段，主要有如下幾種:（1）專家智能型PID參數(shù)自整定技術(shù)。該自整定技術(shù)在線觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可識(shí)別過程的響應(yīng)參數(shù)，并由此確定PID控制器參數(shù)。識(shí)別過程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無需對(duì)被控對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。通過對(duì)干擾響應(yīng)的觀察，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程的識(shí)別，然后由專家系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。專家系統(tǒng)的核心就是知識(shí)庫，控制器參數(shù)的調(diào)整完全依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)，無需過程對(duì)象模型，但不同的專家整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)不同，因而針對(duì)相同的過程會(huì)出現(xiàn)不同的整定參數(shù)。此外，由于缺少特定過程的先驗(yàn)知識(shí)，投運(yùn)初期，會(huì)有一個(gè)比較長的自整定過程才能達(dá)到穩(wěn)定。（2）基于模糊推理的PID自整定。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于運(yùn)用模糊理論和方法將操作人員或?qū)＜业恼ń?jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為模糊規(guī)則模型，形成微機(jī)的查詢表格及解析式，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理來實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整。這種控制器不依賴于特定的過程，因而魯棒性很強(qiáng)。該方法根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在給定的PID參數(shù)附近對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)整，屬于一種局部尋優(yōu)方案，而且預(yù)給定的PID參數(shù)必須具有一定品質(zhì)。(3)基于遺傳算法的PID參數(shù)整定。最常見的是標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法SGA。優(yōu)化PID控制器時(shí)，將控制器參數(shù)按二進(jìn)制或其它形式編碼，按Kp、TI和TD拼接成一條染色體個(gè)體，然后隨機(jī)生成一組個(gè)體，稱為群體。它以個(gè)體的適應(yīng)度判斷個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)一般基于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)，常為各種積分型指標(biāo)的某種函數(shù)。依據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度按概率從當(dāng)前群體中選擇個(gè)體進(jìn)行交叉、變異產(chǎn)生下一代群體。個(gè)體的適應(yīng)度越高，其被選擇的概率越大，然后再對(duì)下一代群體進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)勝劣汰。因?yàn)樵谶\(yùn)用遺傳算法對(duì)PID參數(shù)尋優(yōu)的個(gè)體評(píng)價(jià)過程中，許多個(gè)體所對(duì)應(yīng)的參數(shù)都可能使實(shí)際過程系統(tǒng)失控，這在應(yīng)用中是不能接受的，因此一般采用的是基于模型的PID控制器參數(shù)優(yōu)化，對(duì)過程不產(chǎn)生任何影響;同時(shí)優(yōu)化是基于模型，對(duì)模型響應(yīng)的評(píng)價(jià)大大加快，可以在較短的時(shí)間里得到最優(yōu)化結(jié)果。遺傳算法操作的是解空間的一組個(gè)體，而非單個(gè)解，因而可以有效地減小局部收斂的危險(xiǎn)。此外，遺傳算法采用純數(shù)值計(jì)算方法和隨機(jī)進(jìn)行策略，無需模型梯度信息，使得問題的處理更具靈活性、適應(yīng)性、全局性和魯棒性。從理論上來看，它能有效地攻克十分困難的優(yōu)化問題。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，它不僅能提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，而且能降低設(shè)計(jì)的難度，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管遺傳算法在優(yōu)化問題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但由于其本身還存在著一些問題，如理論上還不完善、收斂性問題、未成熟收斂(早熟)、局部搜索能力差等，遺傳算法的應(yīng)用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進(jìn)的遺傳算法。此外，還有其它的一些策略有助于改進(jìn)遺傳算法的收斂性。第二章力控設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告2.1力控設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2力控設(shè)計(jì)任務(wù)串級(jí)控制系統(tǒng)是指把兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)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(biāo)；后一個(gè)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(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)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。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。2.3制作工程畫面2.3.1創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在該系統(tǒng)中，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)擁有14個(gè)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的創(chuàng)建的步驟：選擇“變量”——“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，再對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)的“點(diǎn)名”等進(jìn)行逐次設(shè)置。數(shù)據(jù)圖庫如下圖:圖2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫2.3.2制作工程畫面第一步：選擇“文件”——“新建”創(chuàng)建一個(gè)“串級(jí)控制”窗口。第二步：打開DRAW的“工具箱”，選擇相應(yīng)的儲(chǔ)罐和閥門，并按照規(guī)范正確連接，并設(shè)置相應(yīng)的“按鈕”，其工程畫面如下圖：圖2.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)工程畫面圖第三步：控制策略的連接，打開“工具”中的“控制策略”按要求進(jìn)行連接如下圖：圖2.3.3串級(jí)控制系統(tǒng)控制策略圖第四步：點(diǎn)擊“工具欄”——“常用組件”——“趨勢曲線”，雙擊曲線，通過如圖所示，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，得到相應(yīng)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線：圖2.3.4串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)曲線設(shè)置圖圖2.3.5串級(jí)控制系統(tǒng)歷史曲線設(shè)置圖2.4建立動(dòng)畫連接2.4.1液位動(dòng)畫建立雙擊“罐”圖，彈出圖1-7-1所示對(duì)話框，在表達(dá)式一欄填入液位變量pv.PV。點(diǎn)擊“確定”按鈕，此時(shí)灌的液位會(huì)隨pv.PV的值變化。圖2.4.1罐向?qū)D2.4.2閥門開關(guān)動(dòng)畫在閥門上雙擊，彈出圖1-7-2所示對(duì)話框，填入表達(dá)式，并設(shè)置兩種顏色。此時(shí)當(dāng)表達(dá)式為假即閥門為關(guān)閉狀態(tài)，呈現(xiàn)關(guān)閉時(shí)的顏色。反之，為打開時(shí)的顏色。圖2.4.2閥門向?qū)D2.4.3PID手操器的建立在圖庫中找出PID手操器，并進(jìn)行設(shè)置如下圖：圖2.4.3PID手抄器圖雙擊PID手操器，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置如下圖：圖2.4.4P圖2.4.5PID手操器變量設(shè)置圖圖2.4.6PID手操器參數(shù)整定設(shè)置圖2.5力控軟件與MATLAB的通信2.5.1服務(wù)器節(jié)點(diǎn)配置要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置，在開發(fā)系統(tǒng)DRAW導(dǎo)航欄中選擇“系統(tǒng)配置”頁中的“節(jié)點(diǎn)配置”該項(xiàng)下有三個(gè)子項(xiàng)：“本機(jī)配置”、“網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)”和“數(shù)據(jù)源配置”。1、本機(jī)配置本機(jī)配置用于指定該節(jié)點(diǎn)被其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)訪問時(shí)涉及的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，雙擊該項(xiàng)彈出“本機(jī)配置”對(duì)話框，如下圖所示：圖2.5.1本機(jī)配置圖選擇手工配置，選擇該項(xiàng)，可以由用戶自行制定本機(jī)被其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).2、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置節(jié)點(diǎn)配置用于指定本節(jié)點(diǎn)訪問其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是涉及的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。雙擊該項(xiàng)彈出“節(jié)點(diǎn)配置”對(duì)話框：圖2.5.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置3、數(shù)據(jù)源配置雙擊數(shù)據(jù)源，彈出數(shù)據(jù)源對(duì)話框：圖2.5.3數(shù)據(jù)源對(duì)話框在點(diǎn)擊添加按鈕，出現(xiàn)如下對(duì)話框：圖2.5.名稱：數(shù)據(jù)源名稱，可以任意指定。2.5.2.客戶端節(jié)點(diǎn)配置1、本機(jī)配置本機(jī)配置用于指定該節(jié)點(diǎn)被其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)訪問時(shí)涉及的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，雙擊該項(xiàng)彈出“本機(jī)配置”對(duì)話框，如下圖所示：圖2.5.圖2.5.62、數(shù)據(jù)源配置雙擊數(shù)據(jù)源，彈出數(shù)據(jù)源對(duì)話框：圖2.5.圖2.5.上述參數(shù)設(shè)置完后，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕。通信時(shí)下位機(jī)初始啟動(dòng)設(shè)置中的設(shè)置，“Netserver”項(xiàng)要被選中，如4.22圖所示：圖2.5.9通過上面步驟，就配置好了力控客戶端∕端服務(wù)器（Netserver）。從此便不但能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信并且能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制了。2.6運(yùn)行調(diào)試及參數(shù)整定2.力控工程監(jiān)理完成之后，進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段。首先保存所有組態(tài)內(nèi)容，點(diǎn)擊“全部調(diào)試”，然后在選擇“文件”——“進(jìn)入運(yùn)行”，得到如下畫面：圖2.6.1選擇“文件”——“打開”就可以選擇你想運(yùn)行的工程。圖2.62.61、串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)如何整定從整體上來看，串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定制控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度，副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，只要求副參數(shù)能快速而準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。工程實(shí)踐中，其參數(shù)整定的方法主要有三種：逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求數(shù)值上，使主回路閉合以求去主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求出第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。比較兩次控制質(zhì)量，若達(dá)到要求，則整定結(jié)束。否則，再按此法求取第二次主調(diào)節(jié)器參數(shù)，依次循環(huán)，直到求的合適整定參數(shù)。本方法適用于主、副過程的時(shí)間常數(shù)相差不大，二者動(dòng)態(tài)聯(lián)系較密切的情況。兩步整定法，先整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，先比例后積分最后微分，觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。此方法適用于主、副回路的工作頻率和操作周期相差很大，其動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小的情況。一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，其理論依據(jù)是串級(jí)控制系統(tǒng)可等價(jià)為單回路反饋系統(tǒng)，等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)為主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)與副調(diào)節(jié)器等效放大系數(shù)的乘積。該方法對(duì)于那些對(duì)主參數(shù)要求高、而副參數(shù)要求不嚴(yán)的串級(jí)控制系統(tǒng)更為有效。整定步驟：實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來的50～80％，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過步驟（2），PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。2、評(píng)估控制器參數(shù)對(duì)控制效果的影響從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來評(píng)價(jià)Kc、Ti和Td參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的作用，如下：比例參數(shù)Kc的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度。P越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生大的超調(diào)，甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩；P過小，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)很慢，調(diào)節(jié)精度降低，其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。積分參數(shù)Ti的作用消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但當(dāng)Ti過小，會(huì)在響應(yīng)初期產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，引起較大的超調(diào)；過大的Ti會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。微分參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢，提前引入修正信號(hào)，加快系統(tǒng)動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3、分析串級(jí)控制效果以及與單回路PID控制不同之處在加入了副回路控制后，可有效及時(shí)地克服二次擾動(dòng)（上水箱液位）對(duì)控制系統(tǒng)的影響。在實(shí)際串級(jí)控制系統(tǒng)中，一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減小，主、副調(diào)節(jié)器共同作用，執(zhí)行閥的開度大幅度變化，使得下水箱液位迅速回到設(shè)定值范圍內(nèi)。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)一個(gè)增大，另一個(gè)減小，此時(shí)兩調(diào)節(jié)器的控制方向相反，調(diào)節(jié)閥的開度只需較小變動(dòng)即可滿足控制要求。串級(jí)控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)的作用，主調(diào)節(jié)器具有細(xì)調(diào)的作用，兩者互相配合，控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)相對(duì)于單回路控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；）提高了系統(tǒng)的工作頻率；對(duì)負(fù)荷變化有一定的適應(yīng)能力,可以減小或消除副對(duì)象的非線性。2.7作品展示經(jīng)過反復(fù)的修改和調(diào)試，最終的設(shè)計(jì)成果展示如下：點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，上水箱進(jìn)液閥門打開，液體經(jīng)進(jìn)液管道流進(jìn)下水箱，下水箱液位慢慢升高，如下圖所示：圖2.隨著時(shí)間的變化，下水箱液位穩(wěn)定在5m，如下圖：圖2.最后，下水箱液位穩(wěn)定在5m，如下圖：圖2.7.3當(dāng)設(shè)定值設(shè)置好，系統(tǒng)將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)串級(jí)控制，在右邊設(shè)置了直觀的實(shí)時(shí)趨勢曲線，顯示檢測值和設(shè)定值的狀態(tài)，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)12小時(shí)、6小時(shí)、1小時(shí)、30分、15分、5分、1分鐘的時(shí)間段的曲線顯示。還設(shè)置了對(duì)曲線的設(shè)置，如對(duì)曲線的打印和曲線的樣式設(shè)定，這樣會(huì)更加直觀的對(duì)系統(tǒng)的控制力進(jìn)行顯示。 第三章課程設(shè)計(jì)總結(jié)近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，MATLAB和組態(tài)控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是監(jiān)控行業(yè)中，由于組態(tài)控制可以讓監(jiān)控行業(yè)朝高質(zhì)量，高精度，高效率方向發(fā)展，最重要的一點(diǎn)是還可以利用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，對(duì)一些危險(xiǎn)的地方進(jìn)行監(jiān)控，這樣可以降低成本，提高安全效益。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通?？梢苑譃樵O(shè)備層、控制層、監(jiān)控層、管理層四個(gè)層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個(gè)分布式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。其中設(shè)備層負(fù)責(zé)將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字或標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，控制層完成對(duì)現(xiàn)場工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，監(jiān)控層通過對(duì)多個(gè)控制設(shè)備的集中管理，來完成監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行過程的目的，管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)和查詢。監(jiān)控組態(tài)軟件一般是位于監(jiān)控層的專用軟件，負(fù)責(zé)對(duì)下集中管理控制層，向上連接管理層，是企業(yè)生產(chǎn)信息化的重要組成部分。在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過對(duì)MATLAB和力控監(jiān)控組態(tài)軟件的學(xué)習(xí)和使用，我了解和認(rèn)識(shí)到力控監(jiān)控組態(tài)軟件是現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制的專用軟件，最大的特點(diǎn)是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，縮短了自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成的時(shí)間，大大地提高了集成效率。力控監(jiān)控組態(tài)軟件是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)，它能同時(shí)和國內(nèi)外各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，它可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可以達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便的向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，來實(shí)現(xiàn)與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)來進(jìn)行集成。MATLAB和力控的應(yīng)用范圍廣泛，可用于開發(fā)石油、化工、半導(dǎo)體、汽車、電力、機(jī)械、冶金、交通樓宇自動(dòng)化、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、管理監(jiān)測、工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)視/遠(yuǎn)程診斷、企業(yè)管理/資源計(jì)劃等系統(tǒng)。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB有以下特點(diǎn)：高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能,能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來;具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化;友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言,使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握;)功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信