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1、计算机控制系统论文本讲稿第一页，共二十三页内容内容安徽理工大学毕业设计一一 、研究背景及意义、研究背景及意义二、水箱建模与二、水箱建模与PIDPID整定理论整定理论三、三、单回路控制系统设计单回路控制系统设计四、串级控制系统设计四、串级控制系统设计五、结论五、结论本讲稿第二页，共二十三页一、研究背景及意义 双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而
2、且，双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。安徽理工大学毕业设计本讲稿第三页，共二十三页二、水箱建模与二、水箱建模与PID整定理论整定理论安徽理工大学毕业设计PIDPID控制器各控制规律的作用如下：控制器各控制规律的作用如下：（1 1）比例控制（）比例控制（P P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差有比例控制时系统输出存在
3、稳态误差（2 2）积分控制（）积分控制（I I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动
4、控制器的输这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分积分(PI)(PI)控制器，可以使系统在进控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。入稳态后无稳态误差。（3 3）微分控制（）微分控制（D D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可
5、能（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化作用的变化“超前超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。本讲稿第四页，共二十三页水箱液位控制系统的构成水箱液位控制系统的构成水箱液位控制系统AE2000B由水箱体，水位检测元件（压力传感器）
6、、水泵、数据采集模块及上位工控机(内有PCI总线插槽)构成，负责监测和变送和执行的元件包括液位传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等组成。图中的两个玻璃容器、通过连接阀门依次连接。玻璃容器通过泄水阀门可以排出容器里的水，供水泵循环使用，水泵抽出的水通过进水阀门 进入容器，这样就构成了一个封闭的回路。两个玻璃容器上各装有一个液位压力传感器作为测量元件，用来读出容器的实时液位值。进水阀门通过两个步进电机控制其开度，从而调节进入容器水量的大小。本讲稿第五页，共二十三页二、水箱建模与二、水箱建模与PID整定理论整定理论双容水箱系统构成图安徽理工大学毕业设计本讲稿第六页，共二十三页液位压力传感器将容器
7、中的水位值转换为相应的电信号传到数据采集模块，又由数据采集模块传给上位机，为各种控制算法提供实时的数据。这些数据通过相应的处理，生成恰当的控制信号，也需要经过数据采集卡给到步进电机，进一步控制阀门的开度，从而实现对各种控制算法的模拟和检验。本讲稿第七页，共二十三页二、水箱建模与二、水箱建模与PID整定理论整定理论安徽理工大学毕业设计双容水箱控制如上图所示，是两个串联在一起的水箱，水先进入水箱A,然后再通入水箱B,然后再从水箱B流出。水流入量由变频控制泵控制，流出量由用户控制。水箱水箱A A：水箱水箱B:B:其对应的拉式变化为其对应的拉式变化为:本讲稿第八页，共二十三页二、水箱建模与PID整定理
8、论令容器1、容器2相应的阀门液阻分别为 和 ,其中将几个公式合并令可得令得到传递函数安徽理工大学毕业设计本讲稿第九页，共二十三页二、水箱建模与二、水箱建模与PIDPID整定理论整定理论在该液位控制系统中，建模参数如下：控制变量：水流量Q；被控参数：下水箱液位；控制器：PID；执行器：控制阀；控制对象特性：（上水箱传递函数）下水箱传递函数下水箱传递函数下水箱传递函数本讲稿第十页，共二十三页 三、单回路控制系统设计三、单回路控制系统设计 用衰减曲线法对系统进行用衰减曲线法对系统进行PIDPID参数整定参数整定 衰减比为衰减比为1010：1 1安徽理工大学毕业设计本讲稿第十一页，共二十三页串级控制系
9、统介绍安徽理工大学毕业设计 串级控制是指通过引入副回路，使系统控制品质相对于单回路控制系统提高。在系统的结构上说，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主副调节器串联工作，主调节器输出作为副调节器的设定值，系统通过副调节器输出控制执行器动作，实现对主参数的定值控制。船机系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过他们的协调工作，是主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。本讲稿第十二页，共二十三页液位控制系统方案设计安徽理工大学毕业设计本设计采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改
10、变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果。如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，将无法得到满意的效果。本讲稿第十三页，共二十三页控制系统的PID参数整定衰减曲线法：在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控量出现10:1的衰减过程为止，记下此时比例带以及相邻波峰之间的时间。稳定边界法：在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控量出现临界振荡为止，记下临界振荡周期和临
11、界比例带。然后按照经验公式确定PID参数。Ziegler-Nichols经验公式：方法先求取系统的开环阶跃响应曲线，根据对象的纯迟延时间、时间常数和放大系数，按Ziegler-Nichols经验公式计算PID参数。积分项改进的数字PID控制：实际中常采取积分分离措施，即当偏差较大时，不施加积分控制；当偏差较小时，才施加积分控制。即：a.当 时，采用PD控制；b.当 时，采用PID控制 数字变PID控制:同一PID控制回路提供两套以上P、I、D参数，各套参数分别适用于不同的波动范围，由程序根据当时波动范围自动选择相应的PID参数。I积分时间在PID控制系统中起着消除静差的作用，I值越短积分在控制
12、系统中的作用越强，I的各个分段值应根据对PID控制系统的被调参量的波动范围确定。安徽理工大学毕业设计。本讲稿第十四页，共二十三页串级控制系统设计 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副
13、过程和主过程构成。本讲稿第十五页，共二十三页串级控制系统的特点在系统结构上，串级控制系统中主、副调节器是串联工作的。在系统结构上，串级控制系统中主、副调节器是串联工作的。主回路是定值控制系统，而副回路是个随动控制系统主回路是定值控制系统，而副回路是个随动控制系统在串级控制系统中，主变量是反映产品质量或生产过程运行情况在串级控制系统中，主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制系统设计的目的就在于稳定这一变量，使的主要工艺变量。控制系统设计的目的就在于稳定这一变量，使它等于工艺规定的给定值。它等于工艺规定的给定值。在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引人，改善了对象在系统特性上
14、，串级控制系统由于副回路的引人，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质童。克服滞后，提高了控制质童。由于增加了副回路作用，因此具有一定的自适应能力，可用由于增加了副回路作用，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。于负荷和操作条件有较大变化的场合。本讲稿第十六页，共二十三页在串级控制系统中。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差。在液位串级控制系统中，我们选择下水箱
15、液位为主要被控参数，液体流量为控制变量。所以，选择PID调节器作为主调节器的调节规律。副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，因而可以允许在一定范围内变化，并允许有静差。为此，副调节器调节规律选择P调节规律本讲稿第十七页，共二十三页 串级控制系统的参数整定串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。但是逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法是按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主
16、控制器的方法。此法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次10:1衰减曲线法的实测.两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上，提出了一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。本讲稿第十八页，共二十三页加入调节模块的串级控制系统对主回路进行PID调节，对副回路只进行P调节然后进行主副回路参数整定四、串级控制系统设计本讲稿第十九页，共二十三页经过多组数据验证得出较理想的仿真图如下调节时间 Ts=7s超调量 =3%稳态误差 Ess=0可见各项指标都达到要求四、串级控制系统设计本讲稿第二十页，共二十三页单回路控制系统和串级
17、控制系统的比较单回路控制系统结构简单，容易实现，但控制品质一般串级控制系统提高了控制品质，改善了过程的动态特性 对于此设计 它减少了调节时间 降低了超调量 降低了稳态误差 使系统各项指标打到要求本讲稿第二十一页，共二十三页 串级串级PIDPID控制的设计方案完成对水箱液位的控制控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节是可行的。而且在改善系统的动态特性、抗扰调节是可行的。而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。之动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。之前整定出的主副控制器前整定出的主副控制器PIDPID参数值也是合适可用的。参数值也是合适可用的。但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际系统仿真但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际系统仿真得到的较理想的模拟曲线。实际系统设计现场必须得到的较理想的模拟曲线。实际系统设计现场必须综合考虑各方面的因素综合考虑各方面的因素,不可能得到与计算机仿真一不可能得到与计算机仿真一致的理想曲线和控制性能，这点需要注意。致的理想曲线和控制性能，这点需要注意。五、结论五、结论安徽理工大学毕业设计本讲稿第二十二页，共二十三页谢谢大家安徽理工大学毕业设计本讲稿第二十三页，共二十三页