双容水箱PID分析.doc

双容水箱PID分析PID 是控制系统中的重要参数，指控制方式，指输出与输入之间的响应方式。PID调节器。工程上常常用在闭环系统中加入PID环节，对系统的传递函数进行修正，以快速的跟踪变化，消除稳态误差。以下就比例、积分、微分控制规律作简要介绍比例（P）控制 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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（D）控制 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能会出现振荡甚至失稳。微分是输出只对输入变化部分敏感，特别是输入有尖峰的时候，输出剧烈的响应，但输入不变，不管有多大，输出就为零，因此，也叫超前调节，起加速作用，等效串联一个电容其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，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作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。例如直流电机中加入PID调节器，可以实现快速启动。当系统中突发干扰、负载变化或者使用者主动调速是，PID环节可以帮助电机缩减过渡时间、进入新的稳定状态。液压控制系统的组成，系统的主要目的是控制上下水箱的液位。主要干扰源为随即流入水箱中的水使水位上涨，超过警戒水位；同时出于某种考虑，不能使水位低于某个值。控制系统的原理：单回路系统调节，一般使指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。双容水箱液位PID控制系统也是一种单回路调节系统如图双容水箱 液位PID控制系统的方框图在双容水箱 液位PID控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，只有在单回路调节系统不能满足生产更高要求的情况下，才采用复杂的调节系统。PID调节规律PID控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。目前，PID控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的控制规律有：、，可根据被控对象的特点和整个液位控制系统结构图如下图。它由计算机、电动调节阀、上水箱、下水箱、液位变送器、变频器和水泵模块等组成。电动调节阀用于调节上水箱的进水量的大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。计算机的输出量用于控制电动调节阀的开度。变频器用于控制水泵进行恒压供水。液位控制系统的控制目标 水箱的液位变化范围为h=0-300mm，通过合适的控制器，能使被控对象（下水箱）的液位值准、稳、快的稳定在所给定的液位值上，稳态液位误差不超过5mm。当系统发生扰动时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。液位控制系统的模型分析 在此利用解析法对双容水箱进行建模。解析法建模的一般步骤为： 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方程； 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； 将其简化成空间要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函数 双容水箱液位控制系统方案设计首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。要通过广泛的调研和反复的论证来确定控制方案，它包括被控质量的选择与确认、操控空变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出控制点的工艺流程图和编写出不控制方案审计说明书等。 控制方案的选定 从上面的模型可知，该系统是一个有时间延迟的二阶系统，自身不稳定。若按单回路方法设计控制系统，则因作用与控制系统的扰动要经过一个滞后时间才能是被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生振荡。理论分析表明，用单回路方法对上述过程控制是难以奏效的。该分析结果，也得带实验证实，经现场反复调研得知，再有干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。而且由于该串联式双容液位过程两贮槽串联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。与单回路方案相比，串级控制系统具有明显有点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处，据此设计了如图3.3所示的串级控制系统。该控制系统在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求，这种有两个调节器串联接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。朱调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器