北京信息科技大学现场总线课程设计报告正文 - 图文

二．解决思路

根据控制要求，要想实现水箱液位较为快速而准确定值控制，就必须采用闭环PID控制。以下先对PID控制进行简要描述。

PID控制是一种调节器控制规律即比例P、积分I、微分D控制。 1. 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）。

2. 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。

3. 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。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。

系统结构图（a）与方框图（b）如下：

我们所要控制的系统为具有自衡特性的一阶系统，这个具有纯时延的单容过程的的

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微分方程和系统函数可以表示如下：

三．控制信号

1、水箱液位实际测量数值，主要由安装在水箱上的液位传感器实现。该信号为模 拟量，{4-20mA 或者 电压信号}， 2、水泵电机的频率数值。 四．上位机设计

整个系统主要包括：储水箱、上小水箱、由储水箱给上小水箱供水的水泵 （泵频率显示），给水母管、给水母管上的阀门、上小水箱溢流口（无状态反馈）、上小水箱液位、排水阀门；所有阀门均没有阀门反馈信号显示。

1. 上位机控制部分主要有以下的功能和显示： 2. 比例系数、积分、微分时间的设置； 3. 设定值【SV】的设置 4. 现场实际液位的反馈数值 5. 手动给定输出值【OP】

6. 上小水箱液位与时间对应的历史曲线和实时曲线

7. 其他功能按钮：系统退出 、手动\\自动切换等。 五．控制程序

CYCLE := sy4: L 5.000000e+000

SP_INT := T PQD 296

PV_IN := CALL \

PV_PER :=PIW272 COM_RST :=

MAN := MAN_ON :=

GAIN := PVPER_ON:=TRUE

TI := P_SEL :=

TD := I_SEL :=

TM_LAG := INT_HOLD:=

DEADB_W := I_ITL_ON:=

LMN_HLM := D_SEL :=

LMN_LLM := 30

PV_FAC :=5.000000e+000 PV_OFF :=0.000000e+000

LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 CALL \ COM_RST := MAN_ON :=TRUE PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC := PV_OFF := LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 AN DB41.DBX 0.1 JNB sd4 L DB41.DBD 72 T DB41.DBD 16 L DB41.DBD 72 T PQD 292 L DB43.DBW 76 T PQW 290 JU end sd4: L DB41.DBD 16 T DB41.DBD 72 L DB41.DBD 72 T PQD 292 L DB43.DBW 76 T PQW 290 JU end 六． 系统运行情况截图与分析

系统刚开始运行时的情况（下页左图）： 系统稳定运行时的情况（下页右图）：

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系统运行实时曲线：

此处系统达到平衡是指控制系统在自动状态下只有比例环节 的情况下达到平衡。积分作用 为零，积分时间9999，比例度 10，由图可以看出，在只有比 例环节的情况下，系统最总存 在一定的误差。 此处系统再次到平衡是指，在只有比例环节时，系统达到平衡后，加入积分环节，调节积分时间75，比例度不变，达到平衡后，余差被消除。由图，响应曲线准确无静差的跟踪输入 此处系统再次达到平衡是指在比例积分环节下系统平衡后，给系统加入一个扰动（加大水箱出水速度）后，系统最终又达到平衡状态。

参数调整过程：

首先根据经验法，先设置比例度为40，待到测量值显示稳定后，加入积分环节。接下来就是根据测量值与设定值相差多少，以及调节阀开度大小，来调节P、I参数。先调节P,一开始测量值远小于设定值，可以通过大幅度降低比例度（例如从40改为5），使得调节阀开到最大（输出值最大），是水位快速上升，当水位接近设定值时，把比例度调回原来的40。尽管这样，可以观察到水位持续上涨，这时可以通过调高比例度，使

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