流量單回路過程控制系統(tǒng)設計

1、沈陽理工大學課程設計論文摘要本文簡要介紹了pid調節(jié)的工作原理，詳細論述了調節(jié)器pid 參數(shù)的整定，對于pid單回路調節(jié)器在工業(yè)中的應用具有很重要的現(xiàn)實意義。提出一種對液體流量進行實時的精確控制的設計方案. 該方案以plc 控制為基礎,由上位機、plc. 觸摸屏、靶式流量計、電動調節(jié)閥組成. 它不僅適用于流量控制,在改變動作設備后同樣適用于對溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制.關鍵詞：plc； pid調節(jié)器；流量控制系統(tǒng)；參數(shù)整定；i目 錄1 設計目的與要求11.1 設計目的11.2 設計要求12 系統(tǒng)結構設計22.1 控制方案22.2 系統(tǒng)結構33 實驗系統(tǒng)組成53.1系統(tǒng)簡介53.2系統(tǒng)

2、組成64 下位機軟件104.1 step 7簡介104.2 step 7的安裝104.3 step 7的硬件配置和程序結構115 上位機組態(tài)軟件簡介155.1 wincc 概述155.2 wincc的安裝155.3 wincc的通訊連接和畫面組態(tài)方法166 pid作用與整定176.1 實驗結果176.2 pid調節(jié)作用196.2.1 比例作用(p)196.2.2積分作用(i)196.2.3 微分作用(d)206.3控制器pid參數(shù)的整定216.3.1經(jīng)驗法216.3.2臨界比例度法22總 結24致 謝25參 考 文 獻261 設計目的與要求1.1 設計目的 通過某種組態(tài)軟件，結合實驗已有設備，

3、按照定值系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用但閉環(huán)控制結構和pid控制規(guī)律，設計一個具有美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的流量單回路過程控制系統(tǒng)。1.2 設計要求(1) 根據(jù)流量單回路過程控制系統(tǒng)的具體對象和控制要求，獨立設計控制方案，正確選用過程儀表。(2)了解單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的結構組成與原理。(3)進行單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定。(4)分析調節(jié)器相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能的影響。(5)研究p、pi、pd和pid四種控制分別對流量系統(tǒng)的控制作用。2 系統(tǒng)結構設計2.1 控制方案 整個過程控制系統(tǒng)由控制器、調節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，

4、采用算法為pid控制規(guī)律（見附錄a和附錄b），調節(jié)器為電磁閥，測量變送為hb、ft兩個組成，被控對象為流量pv。結構組成如下圖2.2所示。當系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由hb返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其整個流程圖如圖2.1所示。圖2-1 流量單回路控制系統(tǒng)流程圖2.2 系統(tǒng)結構過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設計為流量回路控制，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2.2

5、.圖2-2 流量單回路控制系統(tǒng)框圖本實驗系統(tǒng)結構圖和方框圖如圖2.2所示。被控量為氣動調節(jié)閥支路（也可采用變頻器支路）的流量，實驗要求氣動閥支路流量穩(wěn)定至給定值。將電磁流量計ft1檢測到的流量信號作為反饋信號，并與給定量比較，其差值通過調節(jié)器控制氣動調節(jié)閥的開度，以達到控制管道流量的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調節(jié)器應為pi控制，并在實驗中p、i參數(shù)設置要比較大。本實驗控制系統(tǒng)流程圖如圖3-23所示。圖2-3 實驗控制系統(tǒng)流程圖本實驗中的流量檢測裝置（電磁流量計）和執(zhí)行機構（閥門定位器）均為帶profibus-pa通訊接口的部件，掛接在profibus-pa

6、總線上，profibus-pa總線通過link和coupler組成的dp鏈路與profibus-dp總線交換數(shù)據(jù)，profibus-dp總線上掛接有控制器cpu315-2 dp，由于profibus-pa總線和profibus-dp總線中信號傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場檢測信號向cpu的傳送，又使得控制器cpu315-2 dp發(fā)出的控制信號經(jīng)由profibus-dp總線到達profibus-pa總線來控制執(zhí)行機構閥門定位器。實驗內容與步驟：本實驗選擇氣動閥支路流量作為被控對象。實驗之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門f1-1、f1-2、f1-8、f1-11全開，其余閥門均關閉。1、接通控制系

7、統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的pc機，進入的實驗主界面如本實驗指導書第二章第一節(jié)中的圖2-5所示。2、在實驗主界面中選擇本實驗項即“單回路流量pid控制實驗”，系統(tǒng)進入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實驗界面如圖3-24所示。圖2-4 實驗界面3 實驗系統(tǒng)組成3.1系統(tǒng)簡介本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于profibus和工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議、在傳統(tǒng)過程控制實驗裝置的基礎上升級而成的新一代過程控制系統(tǒng)。整個實驗裝置分為上位控制系統(tǒng)和控制對象兩部分，上位控制系統(tǒng)流程圖如圖3-1所示：圖3-1 上位控制系統(tǒng)流程圖控制對象總貌圖如圖3-2所示。圖3-2 控制對象總貌圖3.2系統(tǒng)組成一、被控對象由不銹鋼儲水箱、（上、中、下

8、）三個串接有機玻璃水箱、4.5kw三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。1水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用深藍色優(yōu)質有機玻璃，堅實耐用，透明度高，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm，h=20cm。水箱結構獨特，由三個槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進水時水管的水先流入緩沖槽，出水時工作槽的水經(jīng)過帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的

9、壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制系統(tǒng)。儲水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長寬高=68cm5243，完全能滿足上、中、下水箱的實驗供水需要。儲水箱內部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，以防雜物進入水泵和管道。2模擬鍋爐：是利用電加熱管加熱的常壓鍋爐，包括加熱層（鍋爐內膽）和冷卻層（鍋爐夾套），均由不銹鋼精制而成，可利用它進行溫度實驗。做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度，可完成溫度的定值控制、串級控制，前饋-反饋控制，解耦控制等實驗。3盤管：模擬

10、工業(yè)現(xiàn)場的管道輸送和滯后環(huán)節(jié)，長37米（43圈），在盤管上有三個不同的溫度檢測點，它們的滯后時間常數(shù)不同，在實驗過程中可根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的溫度檢測點。盤管的出水通過手動閥門的切換既可以流入鍋爐內膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計流回儲水箱。它可用來完成溫度的滯后和流量純滯后控制實驗。4管道及閥門：整個系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動閥門均采用優(yōu)質球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底部有一個出水閥，當水箱需要更換水時，把球閥打開將水直接排出。二、檢測裝置1壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0

11、5kp，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24v直流電源，輸出：420madc。（本裝置已將電流信號轉換為電壓信號）2溫度傳感器：裝置中采用了六個pt100鉑熱電阻溫度傳感器，分別用來檢測鍋爐內膽、鍋爐夾套、盤管（有3個測試點）以及上水箱出口的水溫。pt100測溫范圍：-200+420。pt100傳感器精度高，熱補償性較好。3模擬轉換器：三個模擬轉換器（渦輪流量計）分別用來對由電動調節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。它的優(yōu)點是測量精度高，反應快。

12、采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24v直流電源。流量范圍：01.2m3/h；精度：1.0%；輸出：420madc。（本裝置已將電流信號轉換為電壓信號）三、執(zhí)行機構1電動調節(jié)閥：采用智能直行程電動調節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：qstp-16k。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220v，控制信號為420madc或15vdc，輸出為420madc的閥位信號，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為16cq-8p，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180w。泵體完全

13、采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380v恒壓驅動，另一只為三相變頻220v輸出驅動。3電磁閥：在本裝置中作為電動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥工作壓力：最小壓力為0kg/2，最大壓力為1mp/2 ；工作溫度：580；工作電壓：220vac。4三相電加熱管：由三根1.5kw電加熱管星形連接而成，用來對鍋爐內膽內的水進行加溫，每根加熱管的電阻值約為50左右。3.3 plc介紹simatic s7-300 是模塊化小型plc系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用。各種單獨 西門子plc的模塊之間可進行廣泛組合構成不同要求的系統(tǒng)。與s7-200 plc比較

14、，s7-300 plc采用模塊化結構，具備高速（0.60.1s）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務已經(jīng)集成在s7-300操作系統(tǒng)內，人機對話的編程要求大大減少。simatic人機界面（hmi）從s7-300中取得數(shù)據(jù)，s7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。s7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；cpu的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改；s7

15、-300 plc設有操作方式選擇開關，操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強大的通信功能，s7-300 plc可通過編程軟件step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。s7-300 plc具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接as-i總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（mpi）集成在cpu中，用于同時連接編程器、pc機、人機界面系統(tǒng)及其他simatic s7/m7/c7等自動化控制系統(tǒng)。4 下位機軟件本套控制系統(tǒng)下位機編程軟件采用siemens

16、公司的下位編程軟件step 7。4.1 step 7簡介step 7是用于simatic s7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是siemens simatic工業(yè)軟件的組成部分。step 7以其強大的功能和靈活的編程方式廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)，總體說來，它有如下功能特性： 可通過選擇simatic工業(yè)軟件中的軟件產品進行擴展 為功能摸板和通訊處理器賦參數(shù)值 強制和多處理器模式 全局數(shù)據(jù)通訊 使用通訊功能塊的事件驅動數(shù)據(jù)傳送 組態(tài)連接4.2 step 7的安裝包含五種語言的step 7 v5.2版本能夠在以下操作系統(tǒng)上運行：1、ms wi

17、ndows 95 osr2 (95b)，推薦使用ms windows 95c。2、ms windows 98se。3、ms windows me。4、如果操作系統(tǒng)是ms windows nt 4.0 workstation，則ms windows nt 4.0 workstation至少應該是sp6a以上的版本。5、如果操作系統(tǒng)是ms windows 2000 professional，則ms windows 2000 professional至少應該是sp1以上的版本。6、ms windows xp professional，推薦使用ms windows xp professional sp

18、1，ms windows xp家庭版操作系統(tǒng)不支持step 7 v5.2。將step 7 cd放入pc機的cd-rom驅動器，安裝程序將自動啟動，根據(jù)安裝程序界面的提示即可安裝完畢。如果安裝程序沒有自動啟動，可在cd-rom的以下路徑中找到安裝程序驅動器：/step 7/disk1/setup.exe.一旦安裝完成并已重新啟動計算機，“simatic manager(simatic管理器)”的圖標將顯示在windows桌面上。4.3 step 7的硬件配置和程序結構 一般來說，要在step 7中完成一個完整自動控制項目的下位機程序設計，要經(jīng)過設計自動化任務解決方案、生成項目、組態(tài)硬件，生成程序

19、、傳送程序到cpu并調試等步驟，其結構流程圖如圖4-1所示。圖4-1 程序設計結構流程圖從其流程圖來看，設計自動化任務解決方案是首要的，它是根據(jù)實際項目的要求進行設計，本實驗指導書對此不做過多地闡述。在生成項目和傳送程序到cpu并調試步驟之間，有先組態(tài)硬件后生成程序和先生成程序后組態(tài)硬件兩種方案可供選擇，兩種方案本質都是一樣的，設計者可根據(jù)具體情況和自己的習慣來選擇其中一種。下面，我們就選擇第一種方案，從生成項目開始，逐步介紹如何完成一個自動化控制項目的下位機程序設計。（一）生成項目1、雙擊桌面上的“simatic manager”圖標，則會啟動step 7管理器及step 7新項目創(chuàng)建向導如

20、圖4-2所示。圖4-2 step 7新項目創(chuàng)建向導2、按照向導界面提示，點擊“next”，選擇好cup型號，本示例選擇的cpu型號為cpu315-2dp，設置cpu的mpi 地址為2，點擊“next”，在出現(xiàn)的界面中選擇好你所熟悉的編程語言（有梯形圖、編程指令、流程圖等可供選擇），點擊“finish”，項目生成完畢，啟動后step 7管理器界面如圖4-3所示圖4-3 step 7管理器界面（二）組態(tài)硬件硬件組態(tài)的主要工作是把控制系統(tǒng)的硬件在step 7管理器中進行相應地配置，并在配置時對模塊的參數(shù)進行設定。1、鼠標左鍵單擊step 7管理器左邊窗口中的“simatic 300 station”

21、項，則右邊窗口中會出現(xiàn)“hardware”和“cpu315-2dp(1)”兩個圖標，雙擊圖標“hardware”，打開硬件配置窗口如圖4-4所示。圖4-4 硬件配置窗口2、整個硬件配置窗口分為四部分，左上方為為模塊機架，左下方為機架上模塊的詳細內容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具體某個模塊的功能說明和訂貨號。3、要配置一個新模塊，首先要確定模塊放置在機架上的什么地方，再在硬件列表中找到相對應的模塊，雙擊模塊或者按住鼠標左鍵拖動模塊到安放位置，放好后，會自動彈出模塊屬性對話框，設置好模塊的地址和其他參數(shù)即可。4、按照上面的步驟，逐一按照實際硬件排放順序配置好所有的模塊，編譯通過后，保存所

22、配置的硬件。5、點擊“開始設置控制面板”,鼠標左鍵雙擊控制面板中的“set pg/pc interface”圖標，選擇好你的pc機和cpu的通訊接口部件后點擊“ok”按鈕退出。6、把控制系統(tǒng)的電源打開，把cpu置于stop或者run-p狀態(tài)，回到硬件配置窗口，點擊圖標，下載配置好的硬件到cpu中，把cpu置于run狀態(tài)（如果下載程序時cpu置于run-p狀態(tài)，則可省略這一步），如果cpu的sf燈不亮，亮的只有綠燈，表明硬件配置正確。7、如果cpu的sf燈亮，則表明配置出錯，點擊硬件配置窗口中圖標，則配置錯的模塊將有紅色標記，反復修改出錯模塊參數(shù)，保存并下載到cpu，直到cpu的sf燈不亮，亮的

23、只有綠燈為止。（三）程序結構配置好硬件之后，回到step 7管理器界面窗口，鼠標左鍵單擊窗口左邊的“block”選項，則右邊窗口中會出現(xiàn)“ob1”圖標，“ob1”是系統(tǒng)的主程序循環(huán)塊，“ob1”里面可以寫程序，也可以不寫程序，根據(jù)需要確定。step 7中有很多功能各異的塊，分別描述如下：1、組織塊（oganization block,簡稱ob）。組織塊是操作系統(tǒng)和用戶程序間的接口，它被操作系統(tǒng)調用。組織塊控制程序執(zhí)行的循環(huán)和中斷、plc的啟動、發(fā)送錯誤報告等。你可以通過在組織塊里編程來控制cpu的動作。2、功能函數(shù)塊（function block,簡稱fb）。功能函數(shù)塊為step 7系統(tǒng)函數(shù)，

24、每一個功能函數(shù)塊完成一種特定的功能，你可以根據(jù)實際需要調用不同的功能函數(shù)塊。3、函數(shù)（function,簡稱fc）。函數(shù)是為了滿足用戶一種特定的功能需求而由用戶自己編寫的子程序，函數(shù)編寫好之后，用戶可對它進行調用。4、數(shù)據(jù)塊（data block,簡稱db）。數(shù)據(jù)塊是用戶為了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行存儲而開辟的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。5、數(shù)據(jù)類型（data type,簡稱udt）。它是用戶用來對系統(tǒng)數(shù)據(jù)定義類型的功能模塊。6、變量標簽（variable table,簡稱vat）。用戶可以在變量標簽中加入系統(tǒng)變量，并對這些變量加上用戶易懂的注釋，方便用戶編寫程序或進行變量監(jiān)視。如果你要加入某種塊，可在右邊窗口（即出

25、現(xiàn)“ob1”的窗口）空白處單擊鼠標右鍵選擇“insert new object”選項，在其下拉菜單中鼠標左鍵單擊你所要的塊即可。添加好了你所要的塊之后就是程序編寫了，鼠標左鍵雙擊你所要編寫程序的塊即可編寫程序了（編寫程序的指令和語法可參考siemens a&d網(wǎng)站上的s7-300 cpu 31xc指令表一書）。程序寫好并編譯通過之后點擊step 7管理器界面窗口中的圖標，下載到cpu中，把cpu置于run狀態(tài)即可運行程序。5 上位機組態(tài)軟件簡介本套控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件采用siemens公司的上位監(jiān)控組態(tài)軟件simatic wincc。5.1 wincc 概述wincc指的是windows c

26、ontrol center，它是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實用性。wincc 是基于windows nt 32位操作系統(tǒng)的，在windows nt或windows 2000標準環(huán)境中，wincc具有控制自動化過程的強大功能 ，它是基于個人計算機，同時具有極高性價比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。wincc的顯著特性就是全面開放，它很容易結合用戶的下位機程序建立人機界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，wincc還建立了像dde、ole等在windonws程序

27、間交換數(shù)據(jù)的標準接口，因此能毫無困難的集成activex控制和opc服務器、客戶端功能。wincc軟件是基于多語言設計的，這意味著可以在中文、德語、英語等眾多語言之間進行選擇。5.2 wincc的安裝把wincc光盤放入pc機的光驅中，則系統(tǒng)會自動運行安裝程序（如不能自動運行，則可打開光驅所在的盤，運行setup可執(zhí)行文件即可），按照安裝界面所提示的步驟完成安裝，重新啟動系統(tǒng)，安裝即告完畢。一旦安裝了wincc，在開始菜單的simaticwicc文件夾下就建立了幾個與輔助程序的連接如圖5-1所示。圖5-1 wicc文件夾下輔助程序的連接5.3 wincc的通訊連接和畫面組態(tài)方法wincc的通訊

28、連接是組態(tài)上位機監(jiān)控界面的第一步。在wincc的變量管理器里添加新的驅動程序之后，你就會看到wincc有很多種通訊連接方式，根據(jù)你的通訊硬件配置選取正確的通訊連接方式。wincc比較常用的的通訊方式有mpi、profibus和工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，本系統(tǒng)在上位監(jiān)控機和控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通訊，在控制器和現(xiàn)場裝置之間采用profibus方式通訊。profibus（過程現(xiàn)場總線）和工業(yè)以太網(wǎng)都是一種用于單元級和現(xiàn)場級的子網(wǎng)。profibus用于在少數(shù)幾個通訊伙伴之間傳送少量數(shù)據(jù)或中等數(shù)量的數(shù)據(jù)，通過dp（分散設備）協(xié)議，profibus可與智能型現(xiàn)場設備通訊，這種通訊類型具有快速、周期性傳送數(shù)據(jù)的特

29、點。6 pid作用與整定6.1 實驗結果如下圖6-1 p作用時流量變化曲線圖6-2 pi作用時流量變化曲線圖6-3 pd作用時流量變化曲線圖6-4 pid作用時流量變化曲線對于控制系統(tǒng)來說，在設定值發(fā)生變化或系統(tǒng)受到擾動作用后，系統(tǒng)將從原來的穩(wěn)態(tài)經(jīng)歷一個過程進入另一個新的穩(wěn)態(tài)。一個自動控制系統(tǒng)的好壞在穩(wěn)態(tài)下是難以判別的，只有在過渡過程中才充分反映出來。一個良好的控制系統(tǒng)，在經(jīng)歷擾動后，一般應平穩(wěn)、迅速和準確地趨近或回復到設定值。這就需要對調節(jié)器的控制參數(shù)進行準確的設定才能達到理想的效果，而pid 調節(jié)器在出廠時一般都不會提供現(xiàn)成的pid 參數(shù)，它們只能由技術人員在生產過程中根據(jù)實際情況自己摸索

30、出來。這個工作能鑒別一個自控人員是否具有足夠實踐經(jīng)驗和清晰的控制理論概念。在討論pid 參數(shù)整定之前，首先必須對pid調節(jié)規(guī)律有一個大致的了解。根據(jù)實驗結果可以計算出上述圖的傳遞函數(shù)，pid控制器的動作規(guī)律： 應傳遞函數(shù)為：=。下面結合實驗的結果來討論pid 調節(jié)作用及工作原理。6.2 pid調節(jié)作用單回路控制系統(tǒng)的控制算式僅為pid 形式，在討論p、i、d 作用時人們一般以調節(jié)器的階躍響應特性來說明。下面分別予以說明:6.2.1 比例作用(p)其輸出信號（指變化量）y 與偏差信號（假定設定值不變，偏差變化量就是輸入變化量）之間成比例關系，即：y=kp* 其中式中k p 式一個可調的比例增益。

31、比例調節(jié)作用的優(yōu)點是反映速度快，調節(jié)作用能立即見效，即當有偏差信號輸入時，調節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例地變化。輸入的偏差信號越大，輸出的調節(jié)作用也越強，這是比例調節(jié)器的一個顯著特點。但因調節(jié)器的輸出信號與偏差信號之間任何時候都存在著比例關系，因此這種調節(jié)器用在自動調節(jié)系統(tǒng)中就難免要存在靜差，這是它的最大缺點。為了減小靜差，必須增大k p ，但k p的增大使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，所以單純的比例調節(jié)要同時兼顧靜態(tài)和動態(tài)品質指標是比較困難的。如圖6-1所示即可知道p的作用。6.2.2積分作用(i)其輸出信號（指變化量）y 與偏差信號的積分成正比，即式中1/ti 代表積分速度，ti 稱為積分時間。當有偏差

32、存在時，積分調節(jié)器的輸出信號將隨時間不斷增長（或減?。挥挟斴斎肫畹扔诹銜r，輸出信號才會停止變化，而穩(wěn)定在某一數(shù)值上。調節(jié)器的輸出信號變化的快慢與輸入偏差的大小和積分速度1/ti 成正比，調節(jié)器的輸出變化方向由的正負決定。由上可知在用積分調節(jié)器組成調節(jié)系統(tǒng)時，就可以達到無靜差調節(jié)。但也存在著一個缺點，因其調節(jié)作用是隨著時間的積累而逐漸增強的，所以調節(jié)作用緩慢，這樣會出現(xiàn)調節(jié)不及時。當對象的慣性較大時，被調參數(shù)將出現(xiàn)很大的超調量，調節(jié)時間也將延長，甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定。為此在調節(jié)系統(tǒng)中往往是把比例和積分組合起來，這樣調節(jié)既及時，又能消除靜差。6.2.3 微分作用(d)對于一些慣性較大的對象，常

33、常希望能根據(jù)被調參數(shù)變化的趨勢，即偏差變化速度來進行調節(jié)，這就要求調節(jié)器具有微分的調節(jié)特性。所謂微分調節(jié)特性，是指其輸出信號與偏差信號的變化成正比，即：y = td（d/dt）式中td 為微分時間；d/dt 代表信號變化速度。從上式可知：調節(jié)器的輸出信號變化量y 與輸入偏差的變化速度成正比。當輸入端出現(xiàn)階躍信號時，在出現(xiàn)階躍信號的瞬間（t=t0），相當于偏差信號變化速度為無窮大，從理論上講輸出也將無窮大，但實際上是不可能的。對于一個固定的偏差來說，不管這個偏差有多大，因為它的變化速度為零，故微分輸出也為零。對于一個等速上升的偏差來說，即d/d t = m （常數(shù)），則微分輸出也為一常數(shù)y=td

34、 m，這是微分調節(jié)規(guī)律的特點。由以上分析可知，這種調節(jié)器使用在系統(tǒng)中，即使偏差很小，但只要出現(xiàn)變化趨勢，即可馬上進行調節(jié)，故有“超前”調節(jié)之稱。但它的輸出只能反映偏差信號的變化速度，不能反映偏差的大小，調節(jié)結果也不能消除偏差，所以不能單獨使用這種調節(jié)器。它常與比例或積分調節(jié)規(guī)律組合構成pd 或pid 調節(jié)器。表5.1臨界比例度法整定參數(shù)工業(yè)上常用的調節(jié)器有以下幾種：比例- 積分調節(jié)器（簡稱p i 調節(jié)器）；比例- 微分調節(jié)器（簡稱p d 調節(jié)器）；比例、積分、微分調節(jié)器（簡稱p i d調節(jié)器）。pid 調節(jié)器既能快速進行調節(jié)又能消除偏差，還可以根據(jù)偏差的變化速度及方向進行“超前”調節(jié)。這是現(xiàn)代

35、工業(yè)控制應用中最常見的一種調節(jié)器。6.3控制器pid參數(shù)的整定控制器參數(shù)有很多整定方法。下面幾種介紹比較實用的方法。6.3.1經(jīng)驗法若將控制系統(tǒng)按液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象特性往往比較相近，所以無論控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。經(jīng)驗法即是按受控變量的性質提出控制器參數(shù)的合適范圍。流量系統(tǒng)：它是典型的快過程，且往往具有噪聲。對這種過程，宜用p i ，且比例度要大，積分時間可小。液位系統(tǒng)：對只需要實現(xiàn)平均液位控制的地方，宜用純比例，比例度也要大。壓力系統(tǒng)：壓力環(huán)路的運行有的很快，有的很慢。對于快速過程，它的性質接近流量系統(tǒng)，所以可仿照典型流量系統(tǒng)來選擇

36、控制器型式和參數(shù)；對于慢速過程，它的參數(shù)整定應參照典型的溫度系統(tǒng)。溫度系統(tǒng)：對于間接加熱的溫度系統(tǒng)，因為它具有測量變送滯后和熱傳遞滯后，所以顯得很緩慢。比例度設置范圍約2060，具體還取決于溫度變送范圍和控制閥的尺寸。一般積分時間常數(shù)較大。微分時間約是積分時間的四分之一。經(jīng)驗整定值見下表5.2:表5.2 經(jīng)驗整定值一覽表注：a.pb 為比例度，它與比例增益kp 的關系為:pb=(1/kp) 100%。b.這里按受控變量類型選擇控制器參數(shù)的做法,都是對具有與典型過程相近的特性而言的。對于特殊情況應另當別論。6.3.2臨界比例度法這種整定方法是在閉環(huán)的情況下進行的。首先將控制器的積分作用和微分作用

37、去除，按比例增益k p 由小到大的變化規(guī)律，對應于某一k p 值作小幅度的設定值階躍干擾。以獲得臨界情況下的等幅振蕩，如圖所示:圖5.1 等幅震蕩圖此時可獲得臨界振蕩周期pu 和控制器比例增益k p m a x 。然后按下表所列的經(jīng)驗算式，求取控制器的最佳參數(shù)值。這種整定方法是以得到4:1衰減比、并且有合適的超調量(或最大偏差)為目標的。從上表中可以看到以下帶有普遍意義的幾條規(guī)律:純比例時，kp=0.5kpmax。這意味著0.5 的幅穩(wěn)定裕度是與4:1 衰減相基本對應的。比例積分控制器的kp 值要比純比例時小10%，這是由于附加積分作用會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，為維持原有穩(wěn)定性，必須將kp 值降低的緣故。由于微分的相位的超前作用，能改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以kp 值可以提高。在表中pid時的k p 值是純比例時的1.2 倍。積分時間約是微分時間的四倍。對臨界比例度法再提示以下幾點：該方法的優(yōu)點是應用