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基于根轨迹德水箱温度控制系统.doc
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基于根轨迹德水箱温度控制系统.doc
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引言
在现代科学技术的众多领域中,自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是
指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机
器,设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动地按
照预定的规律运行。
自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期,是以反馈理论
为基础的自动调节原理,主要用于工业控制,二战期间为了设计和制造飞机及船用自动
驾驶仪,火炮定位系统,雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备,进一步促进
并完善了自动控制理论的发展。到战后,以形成完整的自动控制理论体系,这就是以传
递函数为基础的经典控制理论,它主要研究单输入-单输出,线形定常数系统的分析和设
计问题。
本次水箱控制采用理论分析和实验测定两种方法相结合的方法来进行设计。理论知
识与实验数据相配合改进恒温水箱的设计过程,使得设计即符合理论又拥有实际意义。
1 控制系统方案选择、设计
1.1 控制理论与过程控制系统的发展状况
控制理论与其他学科一样源于社会实践和科学实践。 20 实际 40 年代开始形成的控
制理论被称为“20 世纪上半叶三大伟绩之一”。在人类社会的各个方面有着深远的影响。
到第二次世界大战前后,控制理论有了很大发展。电信事业的发展导致了 Nyquist 频率
域分析技术和稳定盘踞的产生。1948 年,Evans 提出了一种易于工程应用的求解闭环特
征方程根的简单求解方法——根轨迹法。至此,自动化控制技术开始形成一套完整的,
以传递函数为基础的,在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理念,这就
是今天所谓的经典控制理论。
20 世纪 60 年代,控制理论发展迅速,这是以状态空间方法为基础,以极小值原理
和动态规划方法等最优控制理论为特征的,而以采用 Kalman 滤波器的随机干扰下的线
性二次型系统为标志性系统的理论体系已基本建立。从 20 世纪 70 年代开始,为了解决
大规模复杂系统的优化与控制问题,现代控制理论和系统理论的相结合,逐步发展形成
了大系统理论。其核心思想是系统的分解与协调,多阶梯阶优化与控制正式应用大系统
理论的典范。20 世纪 80 年代发展起来智能控制,对于含有大量不确定性和难遇建模的
复杂系统,基于知识的专家系统、模糊系统、人工神经网络控制、学习控制和基于信息
论的智能控制等应运而生,它们在许多领域都得到了广泛的应用,成为自动控制的前沿
学科之一。
20 世纪 80 年代以后出现优化与控制二层结构,在 DCS 的基础上实现先进控制和操
作优化。在硬件上采用上位机和 DCS 或自动单元组合仪表相结合,构成二级计算机优化
控制。随着计算机及网络技术的发展,DCS 出现了开放式系统,实现多层次计算机网络
构成的管控制一体化系统,即综合自动化系统。
1.2 PID 控制的概述
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时,控制
理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制
的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出
经过输
出接口。执行机构,加到被控系统上,控制系统的被控量,经过传感器、变送器,通过
输
入接口送到控制器。不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如
压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID 控
制机器控制器或智能 PID 控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的
应用,有各种各样的 PID 控制器产品,各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智
能调节器(intelligent regulator),其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整
或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 空盒子实现的压力、温度、流量、液位控制
器,能实现 PID 控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现 PID 控制的 PC 系统等
等。可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制功能的控制器,如
Rockwell 的 Logix 产品系列,它可以直接与 ControlNet 相连,利用网络来实现其远程
控制功能。
1.3 PID 控制的基本概念、控制原理及其特点
所谓 PID 调节,就是在一个闭环控制系统中,使被控物理量能够迅速而准确地无限
接近于控制目标的一种手段。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、
积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,
它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当
被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数字模型时,控制理论的其他技
术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID
控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效地测量
手段来获得系统参数时,最适合 PID 控制技术。PID 控制技术。PID 控制,实际中也有 PI
和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算控制量进行控
制的。
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(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。
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。
2 过程控制系统
2.1 过程控制系统概述
在生产过程中,对各个工艺过程的物理量有一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生
产过程,对产品的数量和质量起着决定性的作用。例如,精馏塔的塔顶或塔釜温度,一
般在操作压力不变的情况下,必须保持一定,才能得到合格的产品;加热炉出口温度的
波动不能超出允许范围,否则将影响后一阶段的效果;化学反应器的反应温度必须保持
平稳,才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接地影响产品的数量和质量,然而保
持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如,用蒸汽加热反应器或在沸腾器,在蒸
汽总压波动剧烈的情况下,要把反应温度或塔釜温度控制好极为困难;中间贮槽的液位
高度与其柜压力,必须维持在允许的范围之内,才能使物料平衡,保持连续的均衡生产。
有些工艺变量是决定安全生产的因素,例如,锅炉锅筒的液位、受压容器的压力等,不
允许超出规定多限度,否则将威胁生产的安全。对以上各种类型的变量,在生产过程中,
都必须加以必要的控制。
2.2 过程控制系统的特点
过程控制系统的特点是与其它自动控制系统相比较而言的,大致可归纳如下:
一、连续生产过程的自动控制
过程控制一般是指连续生产过程的自动控制,其被控量需定量地控制,而且应是连续
可调的。若控制动作在时间上是离散的,但是其被控量需定量控制,也归纳入过程控制。
二、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成
过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表(包括电动仪表和气动仪表,模拟仪表和智
能仪表)和电子计算机等自动化技术工具,对整个生产过程进行自动检测、自动监督和
自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。过程检
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