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智能PID流量調節控制儀器

     流量調節控制儀與流量計和調節閥一起配合使用,可以實現介質瞬時流量大小自動控制。主要采用繼電器調節控制、S S R電平調節控制、電流模擬量調節控制。
調節儀表內置 2 個繼電器,每個繼電器的報警值、上下限報警功能、報警回差可分別設定,可設置報警延遲與首次上電抑制功能。儀表可自定義操作員菜單、設定值上下限幅、
控制輸出上下限幅、控制輸出上限有效范圍、控制回差等,以實現不同用戶的使用需求。此外,儀表帶繼電器報警控制輸出、模擬量調節控制輸出、 儀表異常變送輸出選擇等多種輸出功能,帶雙屏高亮度數碼管顯示。

智能PID調節控制儀 
PID流量控制器 

技術參數
測量精度:±0.3%FS
控制精度:±0.5%
信號輸入:4-20ma輸入
控制輸出:模擬量4-20ma輸出,JZC繼電器輸出,容量:AC220V/3A,DC24V/3A。
報警輸出:帶上下限報警功能,可以設置回差。
工作電壓:開關電源AC/DC 110240V,頻率50/60HZ,功耗≤5W,開關電源:DC12-36V, 功耗≤3W。
使用環境:-10~50℃。
 

液體流量調節控制系統
 

PID 是比例、積分、微分的簡稱,PID 控制的難點不是編程,而是控制器的參數整定.參數整定的關鍵是正確地理解各參數對控制系統的影響.在系統性能不能令人滿意時,知道應該調節哪一個參數,該參數應該增大還是減?。捎谑軐嶒炏拗?,再加上多媒體課件的局限,學生對PID 控制的過程感覺很抽象,分析起來有一定的困難.詳細分析了 PID 控制器的基本作用,并將MATLA/SIMULINK 應用到教學中,通過對 PID 控制系統進行仿真,直觀地展現了各參數變化對過渡過程的影響自從有了PID 控制,參數對過渡過程的影響就一直是人們研究的問題之一.處于平衡狀態下的自動控制系統受到干擾作用后,被控變量會發生變化而偏離給定值,系統進入過渡過程.自動控制的作用就是檢測變化、計算偏差并消除偏差.在這一過程中,被控變量的變化情況、偏離給定值的最大程度以及系統消除偏差的速度、精度等都是衡量自動控制系統質量的依據.
各種參數的作用,其變化是如何影響控制系統,理論的講解晦澀難懂.若將 MATLAB/SIMULINK 對控制系統仿真引入教學中,針對不同參數的仿真比對,直觀地反映了各參數對控制過程的影響,便于分析。
1 PID 控制系統原理及算法
比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)是在工業過程控制中最常見、應用最為廣泛的一種控制策略,它是在上世紀 20 年代對船舶自動導航的研究中提出的.到上世紀 40 年代,PID 控制器已在過程控制中得到了廣泛的應用.盡管許多先進控制算法不斷推出,但 PID 控制器由于結構簡單、實現容易、魯棒性較強的優點,被廣泛應用于各種工業過程控制中.正確使用、合理設計PID 參數可改善控制性能.
1.1 PID 控制系統原理及算法
1.1.1 PID 控制系統原理 其原理見圖 1.
1.1.2 PID 控制系統算法 PID 控制器主要是依據給定值 r(t ) 與實際輸出值 y(t )構成控制偏差,用公式表示,即e(t ) = r(t)- y(t ).
PID 的控制規律
1.2 PID 控制器各環節的作用
1.2.1 比例環節 成比例地反映控制系統的偏差信號e(t ) ,偏差一旦產生,控制器立即產生控制作用,以減小偏差.因為比例調節器的輸出變化量與輸入偏差是一一對應的,所以控制及時,其中 Kp 的大小決定了比例控制的強弱.
1.2.2 積分環節 主要用于消除余差,提高系統的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti  ,Ti  越大,積分作用越弱,反之則越強.
1.2.3 微分環節 根據偏差信號的變化趨勢來進行調節,并能在偏差信號變得太大之前,開始調節,從而加快系統的動作速度,減少調節時間.微分作用強弱取決于微分時間的大小[1-3].
2 MATLAB 仿真
通過用 MATLAB 軟件對PID 控制仿真,并進行分析比例、積分和微分是如何影響控制過程的.
2.1 建立數學模型
設被控對象的傳遞函數為G(s) =
2.2 仿真建模
PID 控制系統模型[4]見圖 2.
2.3 仿真實驗
2.3.1 比例控制  圖 2 中先去掉積分和微分項,然后取不同的比例系數 Kp ,進行仿真,仿真結果見圖 3.
在相同大小的干擾下,調節器的比例系數越大,則比例作用越強,
5
s(s + 5) .
 
圖 2 PID 控制系統模型
 調節器的輸出越大.被控變量偏離給定值越小,被控變量被拉回到給定值需要的時間越短,系統的余差也
隨之減?。瑫r,系統的響應速度加快,但系統超調也隨之增加,隨著比例系數的增加,達到一定值時, 系統將趨于不穩定.比例系數越小,則調節器的輸出變化越小,被控變量變化越緩慢,過渡過程越平穩, 但過渡時間加長,系統平衡時的余差就越大.
2.3.2 積分控制 圖 2 中 Kp 保持不變(本實驗取 Kp =15),去掉微分項,然后取不同的積分系數 Ki ,進行仿真,觀察仿真結果,分析 Ki 的變化對控制系統的影響.
從圖 4 中可以看出,超調的減小、振蕩變小以及系統的穩定性、響應速度取決于 Ki .隨著 Ki 增加, 積分作用不斷增強,在相同的擾動作用下,調節器的輸出增大,余差消除加快;同時系統的振蕩加劇,穩定性下降. Ki 太大,還可能導致系統不穩定.
1.1.1 微分控制 圖 2 中 Kp 保持不變(本實驗取 Kp =200) 去掉積分項,然后取不同的微分系數 Kd ,進行仿真,觀察仿真結果,分析 Kd 的變化對控制系統的影響(見圖 5).
從圖 5 中可以看出,在相同輸入變量作用下,微分系數
太小對系統的品質影響不大(見圖中的曲線 1).隨著微分系數 Kd 增加,微分作用越強;當 Kd 適當,對于系統的穩定
性、響應速度的加快以及超調量的減少都會有所改善(見圖
中的曲線 2); K  太大,反而會使系統不穩定[5-7].
圖 5 微分控制的過渡曲線
注:1,2,3 條曲線分別是 Kd=0.5,3,6 的階躍響應曲線. 
3 結論
 PID 控制原理,通過利用 MATLAB 仿真,了解各參數的作用及對控制系統的影響[8-10].在整定 PID 控制器參數時,可以根據控制器的參數與系統動態性能和穩態性能之間的定性關系,用實驗的方法來調節控制器的參數. 如果階躍響應的超調量太大,經過多次振蕩才能穩定或者根本不穩定,應減小比例系數、增大積分時間.如果階躍響應沒有超調量,但是被控變量上升過于緩慢,過渡過程時間太長,應按相反的方向調整參數.如果消除誤差的速度較慢,可以適當減小積分時間,增強積分作用.反復調節比例系數和積分時間,如果超調量仍然較大,可以加入微分控制,微分時間從 0 逐漸增大,反復調節控制器的比例、積分和微分部分的參數,直到滿意.
總之,PID 參數的調試是一個綜合的、各參數互相影響的過程,實際調試過程中的多次嘗試是非常重要的,也是必須的.基于 PID 控制系統的眾多優點,使其成為工業生產中應用最為廣泛的調節器控制規律, PID 控制或是基于PID 控制的各種改進型PID 越來越得到廣泛應用,前景十分廣闊.

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