双容水箱PID分析.pdf

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双容水箱PID分析

PID是控制系统中的重要参数,指控制方式,指输出与输入之

间的响应方式。PID调节器。工程上常常用在闭环系统中加入PID环

节,对系统的传递函数进行修正,以快速的跟踪变化,消除稳态误差。

以下就比例、积分、微分控制规律作简要介绍

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)。

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(SystemwithSteady-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。

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。微分是输出只对输入变化部分敏感,特别是输入有

尖峰的时候,输出剧烈的响应,但输入不变,不管有多大,输出就为

零,因此,也叫超前调节,起加速作用,等效串联一个电容其原因是

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。

例如直流电机中加入PID调节器,可以实现快速启动。当系统中

突发干扰、负载变化或者使用者主动调速是,PID环节可以帮助电机

缩减过渡时间、进入新的稳定状态。

液压控制系统的组成,系统的主要目的是控制上下水箱的液位。

主要干扰源为随即流入水箱中的水使水位上涨,超过警戒水位;同时

出于某种考虑,不能使水位低于某个值。

控制系统的原理:单回路系统调节,一般使指用一个控制器来控

制一个被控对象,其中控制器只接受一个测量信号,其输出也只控制

一个执行机构。双容水箱液位PID控制系统也是一种单回路调节系统

如图

双容水箱液位PID控制系统的方框图

在双容水箱液位PID控制系统中,以液位为被控量。其中,测

量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理;PID控

制器是整个控制系统的核心,它根据设定值和测量值的偏差信号来进

行调节,从而控制双容水箱的液位达到期望的设定值。

单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求,只有在单回路

调节系统不能满足生产更高要求的情况下,才采用复杂的调节系统。

PID调节规律

PID控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制

的发展历程中,PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

目前,PID控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。常用的PI

D控制规律有:P、PI、PD、PID,可根据被控对象的特点和

整个液位控制系统结构图如下图。它由计算机、电动调节阀、上

水箱、下水箱、液位变送器、变频器和水泵模块等组成。电动调节阀

用于调节上水箱的进水量的大小,液位变送器用于检测上水箱和下水

箱的液位。计算机的输出量用于控制电动调节阀的开度。变频器用于

控制水泵进行恒压供水。

液位控制系统的控制目标

水箱的液位变化范围为h=0-300mm,通过合适的控制器,能

使被控对象(下水箱)的液位值准、稳、快的稳定在所给定的液位值

上,稳态液位误差不超过5mm。当系统发生扰动时,被控量能迅速

恢复到系统原来所要求的液位

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