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智能PID流量调节控制仪器

文章日期:2019-07-20|阅读数:



     流量调节控制仪与流量计和调节阀一起配合使用,可以实现介质瞬时流量大小自动控制。主要采用继电器调节控制、S S R电平调节控制、电流模拟量调节控制。
调节仪表内置 2 个继电器,每个继电器的报警值、上下限报警功能、报警回差可分别设定,可设置报警延迟与首次上电抑制功能。仪表可自定义操作员菜单、设定值上下限幅、
控制输出上下限幅、控制输出上限有效范围、控制回差等,以实现不同用户的使用需求。此外,仪表带继电器报警控制输出、模拟量调节控制输出、 仪表异常变送输出选择等多种输出功能,带双屏高亮度数码管显示。


智能PID调节控制仪 
PID流量控制器 
技术参数
测量精度:±0.3%FS
控制精度:±0.5%
信号输入:4-20ma输入
控制输出:模拟量4-20ma输出,JZC继电器输出,容量:AC220V/3A,DC24V/3A。
报警输出:带上下限报警功能,可以设置回差。
工作电压:开关电源AC/DC 110240V,频率50/60HZ,功耗≤5W,开关电源:DC12-36V, 功耗≤3W。
使用环境:-10~50℃。
 
液体流量调节控制系统
 
PID 是比例、积分、微分的简称,PID 控制的难点不是编程,而是控制器的参数整定.参数整定的关键是正确地理解各参数对控制系统的影响.在系统性能不能令人满意时,知道应该调节哪一个参数,该参数应该增大还是减小.由于受实验限制,再加上多媒体课件的局限,学生对PID 控制的过程感觉很抽象,分析起来有一定的困难.详细分析了 PID 控制器的基本作用,并将MATLA/SIMULINK 应用到教学中,通过对 PID 控制系统进行仿真,直观地展现了各参数变化对过渡过程的影响自从有了PID 控制,参数对过渡过程的影响就一直是人们研究的问题之一.处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后,被控变量会发生变化而偏离给定值,系统进入过渡过程.自动控制的作用就是检测变化、计算偏差并消除偏差.在这一过程中,被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度、精度等都是衡量自动控制系统质量的依据.
各种参数的作用,其变化是如何影响控制系统,理论的讲解晦涩难懂.若将 MATLAB/SIMULINK 对控制系统仿真引入教学中,针对不同参数的仿真比对,直观地反映了各参数对控制过程的影响,便于分析。
1 PID 控制系统原理及算法
比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)是在工业过程控制中最常见、应用最为广泛的一种控制策略,它是在上世纪 20 年代对船舶自动导航的研究中提出的.到上世纪 40 年代,PID 控制器已在过程控制中得到了广泛的应用.尽管许多先进控制算法不断推出,但 PID 控制器由于结构简单、实现容易、鲁棒性较强的优点,被广泛应用于各种工业过程控制中.正确使用、合理设计PID 参数可改善控制性能.
1.1 PID 控制系统原理及算法
1.1.1 PID 控制系统原理 其原理见图 1.
1.1.2 PID 控制系统算法 PID 控制器主要是依据给定值 r(t ) 与实际输出值 y(t )构成控制偏差,用公式表示,即e(t ) = r(t)- y(t ).
PID 的控制规律
1.2 PID 控制器各环节的作用
1.2.1 比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号e(t ) ,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差.因为比例调节器的输出变化量与输入偏差是一一对应的,所以控制及时,其中 Kp 的大小决定了比例控制的强弱.
1.2.2 积分环节 主要用于消除余差,提高系统的无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti  ,Ti  越大,积分作用越弱,反之则越强.
1.2.3 微分环节 根据偏差信号的变化趋势来进行调节,并能在偏差信号变得太大之前,开始调节,从而加快系统的动作速度,减少调节时间.微分作用强弱取决于微分时间的大小[1-3].
2 MATLAB 仿真
通过用 MATLAB 软件对PID 控制仿真,并进行分析比例、积分和微分是如何影响控制过程的.
2.1 建立数学模型
设被控对象的传递函数为G(s) =
2.2 仿真建模
PID 控制系统模型[4]见图 2.
2.3 仿真实验
2.3.1 比例控制  图 2 中先去掉积分和微分项,然后取不同的比例系数 Kp ,进行仿真,仿真结果见图 3.
在相同大小的干扰下,调节器的比例系数越大,则比例作用越强,
5
s(s + 5) .
 
图 2 PID 控制系统模型
 调节器的输出越大.被控变量偏离给定值越小,被控变量被拉回到给定值需要的时间越短,系统的余差也
随之减小.同时,系统的响应速度加快,但系统超调也随之增加,随着比例系数的增加,达到一定值时, 系统将趋于不稳定.比例系数越小,则调节器的输出变化越小,被控变量变化越缓慢,过渡过程越平稳, 但过渡时间加长,系统平衡时的余差就越大.
2.3.2 积分控制 图 2 中 Kp 保持不变(本实验取 Kp =15),去掉微分项,然后取不同的积分系数 Ki ,进行仿真,观察仿真结果,分析 Ki 的变化对控制系统的影响.
从图 4 中可以看出,超调的减小、振荡变小以及系统的稳定性、响应速度取决于 Ki .随着 Ki 增加, 积分作用不断增强,在相同的扰动作用下,调节器的输出增大,余差消除加快;同时系统的振荡加剧,稳定性下降. Ki 太大,还可能导致系统不稳定.
1.1.1 微分控制 图 2 中 Kp 保持不变(本实验取 Kp =200) 去掉积分项,然后取不同的微分系数 Kd ,进行仿真,观察仿真结果,分析 Kd 的变化对控制系统的影响(见图 5).
从图 5 中可以看出,在相同输入变量作用下,微分系数
太小对系统的品质影响不大(见图中的曲线 1).随着微分系数 Kd 增加,微分作用越强;当 Kd 适当,对于系统的稳定
性、响应速度的加快以及超调量的减少都会有所改善(见图
中的曲线 2); K  太大,反而会使系统不稳定[5-7].
图 5 微分控制的过渡曲线
注:1,2,3 条曲线分别是 Kd=0.5,3,6 的阶跃响应曲线. 
3 结论
 PID 控制原理,通过利用 MATLAB 仿真,了解各参数的作用及对控制系统的影响[8-10].在整定 PID 控制器参数时,可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系,用实验的方法来调节控制器的参数. 如果阶跃响应的超调量太大,经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定,应减小比例系数、增大积分时间.如果阶跃响应没有超调量,但是被控变量上升过于缓慢,过渡过程时间太长,应按相反的方向调整参数.如果消除误差的速度较慢,可以适当减小积分时间,增强积分作用.反复调节比例系数和积分时间,如果超调量仍然较大,可以加入微分控制,微分时间从 0 逐渐增大,反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数,直到满意.
总之,PID 参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程,实际调试过程中的多次尝试是非常重要的,也是必须的.基于 PID 控制系统的众多优点,使其成为工业生产中应用最为广泛的调节器控制规律, PID 控制或是基于PID 控制的各种改进型PID 越来越得到广泛应用,前景十分广阔.


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