过程控制系统中的建模与PID算法

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1、过程控制系统中的建模与PID算法南京理工大学自动化王海梅41235过程控制系统概述响应曲线建模方法中控CS4000装置中若干对象的建模PID调节器PID算法仿真分析1、过程控制系统概述过程控制系统：凡采用数字或模拟控制方式，对生产过程的某一或某些物理参数进行自动控制的系统。(另有运动控制方向)过程控制系统中主要的被控物理量有：温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等。例如：液位控制系统温度控制系统过程控制系统的结构与组成：被控对象生产过程中被控制的工艺设备或装置检测变送器感受被测物理参数的变化，并将其转化成相应的标准统一的电信号调节器运

2、用一定的控制算法计算出控制量执行器控制流入或流出被控过程的物料或能量2、响应曲线建模方法响应曲线法：在被控对象上人为地加入非周期信号，测量其响应曲线，然后再根据响应曲线，计算出被控对象的传递函数。一般过程的模型结构：无滞后一阶惯性环节的参数确定放大系数：a、切线法：如右图。时间常数：b、响应曲线上升到稳态值的63.2%时所经历的时间。模型形式为：一阶纯滞后惯性环节的参数确定放大系数：算法与前面类似。a、切线法：如右图。时间常数与纯延迟时间：b、两点计算法。模型形式为：算法思想：用响应曲线上的两点去拟合模型表达式。如果模型形式为：两点的选取要满足：代

3、表曲线特征、计算方便为此取：如果阶跃响应曲线如下图坐标系中形式，可以将纵坐标右移至处，在坐标系中利用上述两点计算法进行建模，最后模型的纯延迟时间。选取坐标系中响应曲线上两点：和，得、（见下页图），带入上式，简化得：将曲线上两点的值带入上式，得到含有未知数和的两个表达式，计算出、，模型便可获得。二阶环节的参数确定时间常数：模型形式为：如果有纯延时，则在二阶环节后加上。3、中控CS4000装置中若干对象的建模5号加热水箱6号加热水箱单容水箱对象的建模建模对象：2号水箱输入量：进水阀门的开度，输出量：水箱液位高度步骤：进水阀开度为55%，保持液位稳定。然

4、后使阀门开度变为65%，直到液位再次稳定。记录水箱液位的变化情况，得到液位阶跃响应曲线如下：（曲线A：实际液位；曲线B:阀的开度）4.2s19/17双容水箱对象的建模建模对象：4号、2号水箱（4号水箱在上）输入量：进水阀门的开度，输出量：2号水箱液位高度步骤：进水阀开度为55%，保持液位稳定。然后使阀门开度变为65%，直到液位再次稳定。记录水箱液位的变化情况，得到液位阶跃响应曲线如下：（曲线A：实际液位；曲线B:阀的开度）16s20/17温度对象的建模建模对象：5号水箱输入量：电加热管控制量，输出量：5号水箱出口温度步骤：打开电加热管，将温度控制器

5、输出定为70%。记录出口温度变化情况，得到温度阶跃响应曲线如下：（曲线A：加热管的控制信号，曲线B:5号水箱出口温度响应曲线）21/17温度对象的矩形脉冲法建模步骤：系统稳态时，开启加热管，将温度控制器输出定为70%。待加热管工作一段时间，如10min后，关闭加热管，等待系统达到新的稳态。由此得到温度矩形脉冲响应曲线如下：（曲线D：加热管矩形脉冲控制信号，曲线A、B、C：分别为5号水箱出口温度，6号水箱中部温度，6号水箱尾部温度响应曲线）以6号水箱尾部温度为例：（曲线B：6号水箱尾部温度脉冲响应）该温度响应包含两个部分，一部分是加热水箱出口温度响应

6、，另一部分是由于循环用水引起的干扰响应。假设这两个环节均为一阶环节（由还原曲线特征可知），且拥有相同的时滞常数，而且该干扰作用是恒定的），则可得到该温度过程的传递函数如下：如果不考虑循环用水的影响，将脉冲响应曲线进行简化处理：4、PID调节器PID调节器（控制器）：将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到偏差信号，然后对得到的偏差信号进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送到执行器，进而实现对被控变量的自动控制。比例P：proportional积分I：integration微分D：derivative比例调节器控制律：比例积分调节

7、器控制律：比例微分调节器控制律：5、PID算法仿真分析（实例）系统中各组成单元的模型如下：控制电压：0～10V对应0～100%开度最大开度时Q=3.5cm3/s液位单回路仿真控制系统方框图如下：水箱对象模型：液位传感器：量程0～40cm输出0～5V执行阀：a、比例作用：观察PID调节器参数对控制性能的影响：设定液位15cm时间轴8min录像b、微分作用：时间轴8min录像c、积分作用（一）：时间轴12min录像时间轴12min积分作用（二）：录像时间轴18min积分作用（三）：录像积分算法的改进（1）积分分离PID算法（PD-PID选择算法）当被控

8、量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以消除积分作用导致的稳定性降低，超调量加大；当被控量接近给定值时，投入积分作用，以消除