過程控制系統(tǒng)中的建模與PID算法41235過程控制系統(tǒng)概述響應(yīng)曲線建模方法中控CS4000裝置中若干對象的建模PID調(diào)節(jié)器PID算法仿真分析1、過程控制系統(tǒng)概述過程控制系統(tǒng)：

凡采用數(shù)字或模擬控制方式，對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。(另有運(yùn)動(dòng)控制方向)過程控制系統(tǒng)中主要的被控物理量有：溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度以及PH值等。過程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成：被控對象生產(chǎn)過程中被控制的工藝設(shè)備或裝置檢測變送器感受被測物理參數(shù)的變化，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電信號(hào)調(diào)節(jié)器運(yùn)用一定的控制算法計(jì)算出控制量執(zhí)行器控制流入或流出被控過程的物料或能量2、響應(yīng)曲線建模方法響應(yīng)曲線法：

在被控對象上人為地加入非周期信號(hào)，測量其響應(yīng)曲線，然后再根據(jù)響應(yīng)曲線，計(jì)算出被控對象的傳遞函數(shù)。一般過程的模型結(jié)構(gòu)：

一階純滯后慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)確定放大系數(shù)：算法與前面類似。a、切線法：如右圖。時(shí)間常數(shù)與純延遲時(shí)間：b、兩點(diǎn)計(jì)算法。模型形式為：算法思想：用響應(yīng)曲線上的兩點(diǎn)去擬合模型表達(dá)式。如果模型形式為：兩點(diǎn)的選取要滿足：代表曲線特征、計(jì)算方便為此取：

選取坐標(biāo)系中響應(yīng)曲線上兩點(diǎn)：和，得、（見下頁圖），帶入上式，簡化得：

將曲線上兩點(diǎn)的值帶入上式，得到含有未知數(shù)和的兩個(gè)表達(dá)式，計(jì)算出、，模型便可獲得。

二階環(huán)節(jié)的參數(shù)確定時(shí)間常數(shù)：模型形式為：如果有純延時(shí)，則在二階環(huán)節(jié)后加上。3、中控CS4000裝置中若干對象的建模5號(hào)加熱水箱6號(hào)加熱水箱單容水箱對象的建模

建模對象：2號(hào)水箱輸入量：進(jìn)水閥門的開度，

輸出量：水箱液位高度

步驟：進(jìn)水閥開度為55%，保持液位穩(wěn)定。然后使閥門開度變?yōu)?5%，直到液位再次穩(wěn)定。記錄水箱液位的變化情況，得到液位階躍響應(yīng)曲線如下：（曲線A：實(shí)際液位；曲線B:閥的開度）4.2s19/17雙容水箱對象的建模

建模對象：4

號(hào)、2號(hào)水箱（4號(hào)水箱在上）輸入量：進(jìn)水閥門的開度，

輸出量：2號(hào)水箱液位高度

步驟：進(jìn)水閥開度為55%，保持液位穩(wěn)定。然后使閥門開度變?yōu)?5%，直到液位再次穩(wěn)定。記錄水箱液位的變化情況，得到液位階躍響應(yīng)曲線如下：（曲線A：實(shí)際液位；曲線B:閥的開度）16s21/17溫度對象的矩形脈沖法建模

步驟：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，開啟加熱管，將溫度控制器輸出定為70%。待加熱管工作一段時(shí)間，如10min后，關(guān)閉加熱管，等待系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。由此得到溫度矩形脈沖響應(yīng)曲線如下：（曲線D：加熱管矩形脈沖控制信號(hào)，曲線A、B、C：分別為5號(hào)水箱出口溫度，6號(hào)水箱中部溫度，6號(hào)水箱尾部溫度響應(yīng)曲線）以6號(hào)水箱尾部溫度為例：（曲線B：6號(hào)水箱尾部溫度脈沖響應(yīng)

）

如果不考慮循環(huán)用水的影響，將脈沖響應(yīng)曲線進(jìn)行簡化處理：4、PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器（控制器）：

將被控變量的測量值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，然后對得到的偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送到執(zhí)行器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對被控變量的自動(dòng)控制。比例P：proportional

積分I：integration

微分D：derivative比例微分調(diào)節(jié)器控制律：5、PID算法仿真分析（實(shí)例）系統(tǒng)中各組成單元的模型如下：控制電壓：0～10V對應(yīng)0～100%開度最大開度時(shí)Q=3.5cm3/s液位單回路仿真控制系統(tǒng)方框圖如下：水箱對象模型：液位傳感器：量程0～40cm

輸出0～5V執(zhí)行閥：a、比例作用：觀察PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響：設(shè)定液位15cm時(shí)間軸8min錄像b、微分作用：時(shí)間軸8min錄像c、積分作用（一）：時(shí)間軸12min錄像時(shí)間軸12min積分作用（二）：錄像時(shí)間軸18min積分作用（三）：錄像積分算法的改進(jìn)（1）積分分離PID算法（PD-PID選擇算法）當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以消除積分作用導(dǎo)致的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量加大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，投入積分作用，以消除靜差，提高控制精度。算式為：位置式：其中：基本思想：（2）過限削弱積分法積分飽和現(xiàn)象：

當(dāng)系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID調(diào)節(jié)器的輸出由于積分作用的不斷積累而加大，從而導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到極限位置（如閥門開度達(dá)到最大），若調(diào)節(jié)器輸出繼續(xù)增大，閥門開度不可能再增大。此時(shí)計(jì)算機(jī)輸出控制量超出了正常運(yùn)行范圍進(jìn)入了飽和區(qū)。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)反向偏差，逐漸從飽和區(qū)退出，進(jìn)入飽和愈深，則退出飽和區(qū)所需時(shí)間愈長。

在這段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨偏差反向立即作出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)好象失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象。（下頁圖所示）積分飽和現(xiàn)象仿真結(jié)果錄像過限削