双容液位PID控制 - 图文 (2)

以经典控制理论为基础，主要用频域方法对控制系统进行分析与综合。目前，PID控制仍然得到广泛应用。在许多DCS和PLC系统中，均没有PID控制算法软件，或PID控制模块。

从20世纪50年代开始，过程控制界逐渐发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制和Smith预估控制等控制策略与算法，称之为复杂控制。它们在很大程度上，满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。它们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且在目前仍在继续改进与发展。

20世纪70年代中后期，出现了以DCS和PLC为代表的新型计算机控制装置，为过程控制提供了强有力的硬件与软件平台。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程控制本身的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、人工神经网络控制等，常统称为先进过程控制。近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术。先进过程控制方法可以有效地解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。实践证明，先进过程控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济效益，具有广阔的发展前景。

传统的过程控制普遍存在的如下问题：

1、随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，过程控制的任务也愈来愈繁重。这样的生产过程一般具有大惯性、大滞后、时变性、关联性、不确定性和非线性的特点。这里的关联性不仅包含过程对象中各物理参量之间的耦合交错，而且包括被控量、操作量和干扰量之间的联系；不确定性不单指结构上的不确定性，而且还指参数的不确定性；非线性既有非本质的非线性，也有本质非线性。由于工业过程的这种复杂性，决定了控制的艰难性。

2、传统过程控制方式绝大多数是基于对象模型的，建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前建模的理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，如一些反应过程、冶炼过程、生化过程，甚至有些过程或对象难以用数学语言描述。这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一

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个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果大打折扣是很自然的。如自适应控制，对缓慢的变化过程比较有效，但对变化剧烈的过程(如幅度大,非线性强) 却力不从心了。因此，用传统的控制手段进一步提高过程控制的质量遇到了极大的困难，传统控制方法面临着严重的挑战。

1.2设计内容

本设计主要包括以下几点内容：

1、控制方案设计：采用单回路定值液位控制系统；并进行系统的特性测试和被控对象的建模。

2、调节器设计：完成PID调节的控制功能。

3、实验验证：利用THSA-1型综合自动化控制系统实验装置，进行双容液位控制系统调试，整定各环节参数，记录实验结果，分析实验结果。

第2章 双容水箱液位系统控制方案

本设计采用定值控制，定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。该系统的被控量如温度、压力、流量、液位、成分等的设定值通常是固定不变的或是只能在规定的小范围内变化。定值控制系统的主要作用是克服一切干扰被被控量的影响，使被控量保持在期望值。

2.1 单回路控制系统概述

下图2-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

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扰动 给定量 被控制量 ＋ － 测量变送器

图2-1 单回路控制系统方框图

调 节 器 执 行 器 被控对象 单回路控制系统的设计原则一般包括以下几点：

a.选择被控参数

(1) 在情况允许时，可选质量指标作为被控参数；不能选择质量指标时，可选与质量指标具有单值对应关系的间接指标作为被控参数；

(2) 所选被控参数要有足够大的灵敏度； (3) 考虑工艺合理性及仪表现状。 b.选择控制参数

(1) 所选控制参数必须是可控的；

(2) 控制通道放大系数要大，最好大于扰动通道放大系数，而其时间常数应小些，但不宜过小，其纯滞后时间愈小愈好，扰动通道时间常数愈大愈好；

(3) 应尽量使干扰点远离被控变量而靠近调节阀； (4) 考虑工艺合理性。 c.控制规律的选择

在控制方案中，选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与广义过程的特性能更好的配合，以满足生产工艺的要求。控制规律的选择不仅要根据对象特性、负荷变化、主要干扰以及控制要求等具体情况具体分析，同时还要考虑系统的经济性以及系统投入运行方便等因素。具体的介绍，将在下文中给出。

2.2 调节器设计

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2.2.1单容水箱液位特性测试

下图2-2(a)(b)所示为单容水箱特性测试结构图及方框图。设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

智能调节器 手动输出 F1-8 电动调节阀F1-2 V 磁力驱动泵 F1-1 LT3 Q1 下水箱 h F1-11 Q2

储水箱 （a）结构图

干扰 调 节 器 电动阀 下水箱 G ( S ) （b）方框图

图2-2单容水箱特性测试系统

h（液位）

根据动态物料平衡关系有

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Q1-Q2=A

将式(2-1)表示为增量形式

dhdt (2-1)

ΔQ1-ΔQ2=A

d?hdt (2-2)

式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；

A——水箱截面积。 在平衡时，Q1=Q2，

dhdt＝0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的

静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即

ΔQ2=

?hR 或 R=

?h?Q2 (2-3)

式中：R——阀F1-11的阻力，称为液阻。

将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为：

W0（s）＝

H(s)Q1(s)＝

RRCs?1=

KTs?1 (2-4)

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。

若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

H（s）=

x0s，x0=常数，则式(2-4)可改写为

x0sK/Ts?1T×=K

x0s-

Kx0s?1T

对上式取拉氏反变换得

h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-5)

当t—>∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

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