双容水箱液位控制系统毕业设计

1、摘要本设计以JBS-GK04型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，实现计算机与现场设备之间的数据交换。利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调

2、节阀来实现控制目标。在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。关键词: 液位；PID 控制；组态软件；参数整定AbstractThe design is based on the JBS-GK04 type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for

3、 the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tanks liquid level cascade control system. It overcomes

4、the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asias PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does

5、 not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electri

6、c control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-s

7、tate error-free control, with good steady state performance and dynamic performance.Keywords: LevelPID control; configuration software; parameter tuning目录摘要0Abstract1目录2第一章 绪论31.1课题研究背景及意义31.2本文主要研究的内容3第二章 JBS-GK04型过程控制实验装置52.1系统组成52.2系统特点52.3.工艺流程62.4技术规格72.5、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明9第三章 双容水箱液位控制系统方

8、案设计133.1双容水箱液位控制系统分析133.2 双容水箱液位控制系统方案设计133.2.1控制方案的选定133.2.2串级控制系统的特点143.2.3串级控制系统的设计143.2.4计算机串级控制算法实施173.2.5液位串级控制系统工作过程183.3液位控制系统参数整定193.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响203.3.2几种工程整定方法介绍203.3.3串级控制系统的参数整定22第四章 组态软件设计244.1“组态王”简介244.2组态画面的建立244.2.1建立工程244.2.2设备配置254.2.3变量定义264.2.4画面设计与动画连接284.2.5实时曲线和历史曲线的建立

9、30总结32第一章 绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的发展，现代工业生产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平。特别地，在出入液流量较大的情况下，为了平抑液位的变化，实际生产中往往选用多个互相连通的蓄液容器。上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱

10、的液位控制问题。由于工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平的要求也越来越高。每一个先进、实现的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。最近几年，国内一些控制领域已接近甚至超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的，但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的使用装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。在过程工业中，被控量通常有以

11、下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成的实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，它不仅能够满足实际现场的应用要求，而且可以对新理论的研究论证提供强有力的平台。因此，液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。1.2本文主要研究的内容本课题主要以双容水箱液位过程控制实验系统作为研究对象，介绍了其硬件构成、系统建模并进行相关控制方案及控制算法的分析、研究。利用JBS-GK04过程控制实验装置系统结合计算机控制技术，在组态软件下编程并且通过调整和改进控制算法，从而实现双容水箱

12、液位控制系统的设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。通过本设计掌握控制系统的基本概念最后对实验结果进行分析总结，针对实验过程中的存在的一些问题进行下一步的改进。第二章 JBS-GK04型过程控制实验装置2.1系统组成 JBS-GK04型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、管路有机地组成；控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等，控制器通过通讯电缆与上位机通讯。被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。示意图如下：被控对象 变送器信号 控制桌 屏蔽电缆上位机 通讯

13、电缆 屏蔽电缆 以上为系统的示意图。变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4-20mA标准信号；数显表一共6块，分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块，实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。具体见下面说明：被控对象：两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。检测装置：两个液位变送器，一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。执行机构：一个电动调节阀，两个变频器及两台水泵, 一个固态继电

14、器（控制加热器用）。 控制系统：西门子小型PLC（S7-200 CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟两输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM232，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度），可组成多种控制实验。2.2系统特点为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵, 在单输入单输出控制回路中一台水泵供水，另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量。3、实验操作简单、直观 人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验2、充分模拟工业控制现场，实验效果很好报表等。控制

15、桌上装有变频器BOP面板，六个智能显示仪表，PLC控制单元和液晶显示器。实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观。4、可组成非线性系统 本实验装置有四个水槽，分上下两组，上面一组水槽有三个，互相通过手调阀连接，其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细，另一个下粗上细）。这样可组成两组线性/非线性的液位控制系统，而且可以在控制过程中改变水槽之间的连接状态来改变被控对象的模型，可进行非线性系统的控制，也检验控制算法的鲁棒性。2.3.工艺流程上一节已经对装置做了简单的介绍，这一节将着重介绍装置的工作情况，请参考下图：水 箱FT/01水槽1水槽2FT/02 阀1 阀2

16、阀4 LT/01阀3 阀5 阀6阀7 阀8 220 LT/02 阀10 压力表1 压力表2 阀9 电动阀 PT/01 水泵1 水泵2 阀12阀11 被控对象示意图注： * 带箭头的粗线表示实验时水流方向。*“阀？”表示的是手动阀，也就是普通的球阀，其标号只为说明方便。水泵1从水箱中抽水，经过电动阀、流量计1、阀1和阀7分别给水槽1和水槽2供水；水泵2也从水箱中抽水，通过阀12、流量计2、阀2和阀8分别给水槽1和水槽2供水 。水槽1通过阀6可自己走水，水槽2也可通过阀10自己走水，水槽1和水槽2通过阀5连接。水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分，其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节

17、阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。实际制作时，我们将这两部分非线性和在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样，只是在里面加了一个倾斜的挡板。两个水泵由控制桌（上节中一提过）上的两个变频器分别控制，控制器中的EM232的两个模拟输出（0-10V）分别控制两台变频器；电动阀由控制器中EM235的模拟输出（4-20mA）控制；加热器采用PWM控制（PLC主机的Q0.1）。变送器安装如下：水槽1装有一个液位变送器（LT/01），水槽2装有一个温度变送器（TT/01）和一个液位变送器（LT/02），水泵2出水口处装有一个压力变送器（PT/01）和一个流量变送器（FT/02），水泵1出水口处装

18、有一个流量变送器（FT/01）。这些信号通过屏蔽电缆被送到数显表和模拟量输入模块中（EM235和EM231），原理图如下：AI模块变送器数显表 - + 信号+ - 注： * 24V电源给变送器供电，AI模块和数显表采集的是变送器输出的电流信号 加热器的控制原理图 ： 220VIN+ OUT+固态继电器IN- OUT- Q0.1 加热器 M本节最后，我们为您提供详细的电气原理图2.4技术规格1、技术条件供电电源： 单相三线 220VAC5%，50Hz功耗： 未加热时最大1KW，加热时最大2.5KW环境温度： 0+50相对湿度： 95% 无结露大气压： 86106KPa工艺介质： 水环境空气： 不

19、含腐蚀性气体被控对象尺寸： 11006001890（长*宽*高）控制桌尺寸： 10006201560（长*宽*高）2、输入规格：热电阻Pt100 ：0100 对应电流信号 420mA（精度0.5%）液位变送器：0400mmH2O 对应电流信号 420mA（精度0.5%）压力变送器：00.06MPa 对应电流信号 420mA（精度0.5%）流量变送器: 1001000L/H 对应电流信号 420mA（精度1.5%）3、输出规格电动调节阀：电流输入 420mA 对应于阀开度0100（死区1.0%）变频器： 050Hz 对应于水泵转速 03000r/min4、接线要求被控对象与控制桌之间由航空插头对

20、应连接即可。上位机按计算机系统要求接好电源即可。被控对象供电时必须接地，220VAC的L，N相要接对。2.5、JBS-GK04过程控制实验装置上位机操作说明本套实验装置的上位机画面，我们采用组态王6.51编写，液位控制图如下： 在上位机画面中，有流程图、实时趋势曲线、参数设定、数据报表、历史趋势曲线、回路选择、实时趋势曲线2几种画面。下面分别对各个画面做详细介绍，进入程序运行环境后，出现的就是上图，点击“回路选择”按钮后，出现下图：“回路选择”画面的功能就是选择要做的某个实验，每个实验都对应一个选择点，选中某个实验后，点击右侧的“确定”按钮，系统就自动弹出此实验的流程图。根据提供的流程图，熟悉

21、此实验的原理和流程。了解了此实验的原理和流程后，再点击”参数设定“画面，如下图“参数设定”画面的作用是设定PID参数值、设定值、正反作用、和手动控制器的值、采样时间等。下面对“参数设定”画面中的一些符号进行说明：调节PID参数说明： 100 1Mn = * en + * en + MX + TD * enen-1 P TI注： * 在上式中100/P = KC , 1/TI = KI , TD = KD其中KC , KI , KD 相当于通常的PID参数。因此，上位机“参数设定”画面中，P值越大，比例作用越弱；TI值越大，积分作用越弱，TD 值越大，微分作用越强。* 各参数范围：P： 1999

22、99 ；TI：199999；TD：099999符号说明：ACT：正反作用，N为负反馈（默认），P为正反馈。AM：手自动，A为自动，M为手动，为串级位。 MV：执行器的输出，范围为0至100。手动时可直接写数值，自动时显示PID输出值 P测量值 SV：设定值 TS：采样周期，每5秒采样一次。各回路参数范围：LT01.PV=LT01、SV：0400（单位为毫米） LT02.PV=LT02、SV：0400（单位为毫米） PT01.PV=PT01、SV：0600（对应00.06MPa） TT01.PV=TT01、SV：0100（单位为摄氏度） FT01.PV=FT01、SV：1001000（单位为L/

23、h） FT02.PV=FT02、SV：1001000（单位为L/h） MV：0100（对应变频器是050Hz或电动阀0100开度）注：* 手动调节时，每个回路的SV值跟踪PV值，实现手动到自动切换的无扰动 SV PV PV S S手动 自动 手动时SV不跟踪PV SV SV跟踪PV PV 手动 自动手动时SV跟踪PV经过对以上两幅图的比较可以看出，带有无扰动的曲线看上去更加直观。“实时趋势曲线”的功能就是对被控对象上的6个参数进行上位机的实时曲线显示。实时趋势曲线共有2个画面，每个画面包括4个显示控件，其中一个画面的4个控件分别显示液位1、液位2、流量1和流量2，另一个显示液位1、液位2、压力

24、和温度。下面是其中一个画面：每个控件显示一个被控量的PV值、SV值和MV值。控件的横坐标是时间；纵坐标是PV值、SV值和MV值的百分比，而且用不同的颜色表示：PV用红色线表示，SV用绿色线表示，MV用蓝色线表示。画面左上角有一个PV值显示，分别显示此画面中4个量的PV值。“历史趋势曲线”的主要功能是可读取历史曲线（建议每次开始新的实验前删除旧的历史记录，这样便于记录查询）。历史趋势曲线不但能进行被控对象上6个参数PV值的实时显示，还可以对过去时间控制过的量的PV值进行读取。 “数据报表”的功能是对某段时间内的6个被控参数的PV值、SV值以及PID设定值进行读取，读取的时间间隔可任意设定。数据报

25、表是一定时间内，按照一定的时间间隔对被控量有关参数的数值显示。记录好了相关参数，再结合历史趋势曲线。就可对做过的某个或多个实验进行合理的分析。 第三章 双容水箱液位控制系统方案设计3.1双容水箱液位控制系统分析对被控系统的分析，是设计过程控制系统的基础资料或基本依据。要对现代日益复杂和庞大的被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须了解其工作过程及其数学模型等。因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化校制具有极为重要的意义。被控对象的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量关系的数学描述。或者说是描述被控过程因输人作用导致输出量(被控变量)变化的数学表达式。被

26、控过程可能既受控制输人的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输人还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。一般说来，用于控制的数学模型并不要求十分准确。闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。建

27、立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。测试法一般只用于建立输入输出模型。是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。3.2 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，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书

28、等。3.2.1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，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，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进行控制是难以奏效的。该分析结果，也得到实验证实，经现场反复调试得知，在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优点，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

29、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。这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统就叫做串级控制系统。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。 图3.3串级控制系统方框图3.2.2串级控制系统的特点串级控制

30、系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在：1)对进人副回路的二次干扰有很强的克服能力；2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；3)串级控制系统减小了对象时间常数；4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，一般应用在下列情况：1)控制通道纯延迟时间较长；2)对象容量滞后大；3)负荷变化大，被控对象又具有非线性；4)系统存在变化剧烈的干扰 3.2

31、.3串级控制系统的设计相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要包括以下几项：主、副参数的选择及主、副回路设计；比例、积分及微分控制规律的选择；控制算法的确定。1.主、副参数和主、副回路的选择串级控制系统的设计主要是主、副参数的选择和主、副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。(1) 主参数的选择和主回路的设计主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量

32、有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路，如图3.3中的外回路即为主回路。(2) 副参数的选择和副回路的设计串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。所以在此选择上水

33、箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图3.3中的内回路即为副回路。2控制规律的选择调节器控制规律通常指比例(P)、积分(I)、微分(D)控制规律。PID控制规律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。以下就比例、积分、微分控制规律做简要介绍。比例(P)控制：比例控制是一种最

34、简单的控制方式。对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。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。积分(I)控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。在控制器中必须引入“积分项”。积分项

35、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：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。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，它能预测误差变化的趋势，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超

36、调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。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。而在实际应用时通常需要综合各方面的因素去考虑各种控制规律的选择，这样才可达到既经济又实用的效果。虽然PID控制规律综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的。只有根据被控对象的特性，合理选择比例度、积分时间和微分时间，才能获得较高的控制质量。各类生产过程常

37、用的控制规律如下：液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；流量：时间常数小，测量信息中杂有噪声，用PI或加反微分控制规律；压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时间常数中等，用P或则控制规律；温度：容量滞后较大，用PID控制规律。 在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。因此，主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。这是选择控制规律的基本出发点。一般主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分3作用控制规律，副控制器采用单比例作用或比例积分作用控制规律即可。而在双容水箱液

38、位控制系统中，又存在着一定的容量滞后，所以综上所述在此系统中，主回路选择比例、积分、微分控制规律，而副回路只需单纯的比例控制即可。3.控制算法的确定(1)增量型PID算法增量型PID算法中调节器输出的是一个变化量，是当前计算值和上一次计算值得差，当控制回路稳定即偏差为零时控制器的输出也为零，它一般被用于控制步进电机。其具体表达式如下： 式(3-1)式中，u(k)对应于两次采样时间间隔内控制阀开度的变化量，可通过步进电动机等累积机构，将其转换成模拟量。采用增量式PID控制算法时，可以从手动时的u(k-1)出发，直接计算出投入自动运行时控制器应有的输出变化量u(k)，从而方便了手动自动切换。另外，

39、由于这种算法对偏差不加以累积，从而不会引起积分饱和现象。因此，在实际中较多使用该算法。(2)位置型PID算法在过程控制中通常选用位置型PID算法，其具体算法如下； 式(3-2)式中，为积分系数，；为微分系数，；为采样间隔时间(也常用Ts表示)。注意到，u(k)不是控制器的输出的变化量，而是其实际的输出，经过数模(D/A)转换后的模拟信号与阀门的位置一一对应，故有位置式之称；每次需计算阀的绝对位置；控制器输出需与数字式控制阀连接，否则需经D/A转换成模拟量，并需保持电路将输出信号保持到下一采样时刻；需采用必要措施来防止积分饱和及进行手动或自动切换。在此，可以利用增量的概念对位置型算式作些改进，即

40、可得位置型PID控制算式的递推算法。具体算法如下： 式(3-3)此式即为最终所选定的PID控制算法。3.2.4计算机串级控制算法实施在选定控制算法后，便可设计串级PID控制算法，其计算顺序是先主回路后副回路，计算步骤为：(1)计算主回路的偏差 式(3-4)(2)计算主调节器的位置输出 式(3-5)(3)计算副回路的偏差 式(3-6)(4)计算副调节器的位置输出 式(3-7) (5) 在扰动大的场合，可能导致计算机的输出突然大范围跳动，超过执行机构的工作范围，不利于安全操作。此时要考虑输出限幅。在此将限制在0-1000的范围内。每个采样周期计算一次，并将副调节器的输出送D/A转换器，经D/A转换

41、成模拟信号驱动执行机构，去控制被控对象。当执行机构可接受数字信号时，则可不必进行D/A转换，直接将限幅后的送往执行机构。串级PID控制算法的具体流程如图3.4所示。图3.4串级PID控制算法流程图3.2.5液位串级控制系统工作过程经过对液位控制系统分析并确定了控制方案之后，可得到如图3.5所示的液位串级控制系统工艺流程图。液位串级控制系统是以实验室的水箱作为工业被控过程，其基本工作过程为，当下水箱液位发生变化时，由液位变送器L2T检测到该信号，并输出1-5V标准电压信号到主液位控制器L2C，再和给定值sp作比较，将比较后的偏差结果输出作为副控制器L1C的设定值，而副液位变送器L1T将所检测的上

42、水箱的液位值输出给副控制器，这样在L1C中按照预定的控制规律运算，最后输出信号控制电动调节阀的开度，以实现水箱液位的控制控制。图3.5液位控制系统工艺流程图3.3液位控制系统参数整定调节器参数的整定是过程控制系统设计的核心内容之一。它的目的是：根据被控过特性确定调节器的比例度、积分时间TI以及微分时间TD的大小。在简单过程控制系统中、调节器参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为0.750.9(对应衰减比为4：110：1)为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量(对于大多数过程控制系统来说，系统过渡过程的瞬态响应曲线达到4：1的衰减比状态时，则为最佳的过程曲线)；此外，在满足4：1主要指标的条件下

43、，还应尽量满足系统的稳态误差(又称静差、余差)、最大动态偏差(超调)和过渡过程时间等其它指标。由于不同的过程控制系统对控制品质的要求有不同的侧重点，也有用系统响应的平方误差积分(ISE)、绝对误差积分(IAE)、时间乘以绝对误差的积分(ITAE)分别取极小作为指标来整定调节器参数的。调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖数学模型，所得到的计算数据未必可直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。因此，理论计算整定法除了有理论指导意

44、义外，工程实际中较少采用：二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，量方法简单、易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。调节器参数的工程整定方法，主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。 3.3.1Kp、Ti、Td对控制质量的影响(1) 比例系数 KP增大比例系数KP能加快系统的响应速度，在有静差系统中有利于减小静差，但加大比例系数只能减小静差，却不能从根本上消除静差。而且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。比例系数太小，又会使系统的动作迟缓。(2) 积分时间常数 TI积分控制

45、通常与比例控制或比例微分控制联合使用，构成PI或 PID控制。增大积分时间常数 TI(积分变弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。(3) 微分时间常数TD微分控制也和比例控制和比例积分控制联合使用，组成 PD或 PID控制。微分控制可改善系统的动态特性，如减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。但应当注意，微分时间常数TD 偏大或偏小时，系统的超调量仍然较大，调节时间仍然较长，只有合适的微分时间常数，才能获得比较满意的过渡过程。此外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。

46、从PID控制器的三个参数的作用可以看出三个参数直接影响控制效果的好坏，所以要取得较好的控制效果，就必须对比例、积分、微分三种控制作用进行调节。总之，比例主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；积分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。3.3.2几种工程整定方法介绍 1临界比例度法这是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性，因而方法简单，使用方便，获得了广泛的应用。具体步骤如下：(1)先将调节器的积分时间TI置于最大(TI=)，微分时间TD置零(TD0)，比例带置为较大的数值，使系统投入闭环运行。

47、(2)待系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小，直到系统出现如图5.1所示的等幅振荡。记录下此时的k (临界比例带)和等幅振荡周期Tk。 (3)根据所记录的的k和Tk，按表5.1给出的经验公式计算出调节器的P、TI及TD参数。图3.5 系统的临界振荡整定参数调 调节规律（%）TITDP2PI2.20.85PID1.70.50.125表3.1 采用临界比例度法整定参数2衰减曲线法这种方法与临界比例度法相类似，所不同的是无需出现等幅振荡过程。具体方法如下：(1) 先置调节器积分时间TI=，微分时间TD0，比例带置于较大数值，将系统投入运行。(2) 待系统工作稳定后，对设定值作阶跃扰动，然

48、后观察系统的响应。总响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之，则增大比例带。如此反复，直到出现如图3.6a所示的衰减比为4：1的振荡过程、或者如图3.6b所示的衰减比为10：1的振荡过程时，记录下此时的值(设为)，以及的值(如图3.6a中所示)，或者值(如图3.6b中所示)。图3.6衰减曲线法参数整定曲线表3.2 衰减曲线法整定计算公式衰减率整定参数调节规律（%）TITD0.75PPI1.20.5TSPID0.80.3 TS0.1 TS0.90PPI1.22TrPID0.81.2Tr0.4 Tr(3) 按表3.2中所给的经验公，计算、TI及TD；Ts为衰减振荡周期Tr为响应上升时间。衰减曲线法对多数过程都适用该方法的最大缺点是较难推确确定4：1(或10：1)的衰减程度，从而较难得到准确的s值和Ts(或Tr)值。3.3.3串级控制系统的参数整定串级系统的整定比单回路复杂。因为两个调节器串在一起工作，各回路之间相互联系，相互影响。改变主、副调节器中的任何一个整定参数，对主、副回路的过渡过程都有影响，这种影响程度取决于主、副对象的动态特性、而且待整定的参数比单回路多，因此，串级系统的整定必然比较困难和繁琐。串级控制系统常用的工程整定方法有：两步整定法和一步整定法。以下做具体介绍。1两步整定法两步整定法是第一步整定副回路的副调节器，第二步整定主回路的主调