基于Matlab的對過程控制系統(tǒng)的PID整定

孔凡楊

摘 要：本文就分析了串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計，并分析了基于MATLAB的增量式PID算法應(yīng)用在其中的應(yīng)用，通過分析發(fā)現(xiàn)PID參數(shù)整定方法能夠很好地實現(xiàn)串級控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：MATLAB；串級控制；PID整定

筆者在此介紹了一種采用基于MATLAB的增量式PID控制的雙容無自衡串級貯槽液料控制系統(tǒng)，并在PID參數(shù)整定方法的作用下實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的良好控制效果。

1 串級控制系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)和設(shè)計分析

在對純滯后和時間常數(shù)較大的對象控制中可使用串級控制系統(tǒng)，其對于系統(tǒng)控制質(zhì)量的提高主要表現(xiàn)在以下幾個方面，第一，是它能夠很好地克服副回路中的二次干擾；第二，它能夠使控制對象的時間常數(shù)減小；第三，它能夠使動態(tài)特性在被控過程中得到改善，依此使控制系統(tǒng)的工作頻率得以提高；第四，這種串級控制系統(tǒng)還能很好地適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。

主回路和主參數(shù)的設(shè)計選擇。在某些條件下，最直接有效的質(zhì)量指標(biāo)也可被選為主參數(shù)，不然在選擇主參數(shù)時相關(guān)人員還可以選擇一個與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)，但是靈敏度和工藝過程的合理性是這個被選主參數(shù)必須滿足的條件。

副回路和副參數(shù)的設(shè)計與選定。較強(qiáng)的抑制擾動能力和較快的調(diào)節(jié)速度是串級控制系統(tǒng)副回路具備的主要優(yōu)勢，所以相關(guān)人員可以把盡可能多的一些擾動干擾放在副回路的設(shè)計中以充分利用副回路自身的優(yōu)勢，使其減少干擾對主參數(shù)的影響以提高其控制質(zhì)量。

2 基于MATLAB的串級控制系統(tǒng)分析

本文介紹的是一個串聯(lián)式雙容無自衡液位過程，由上方的進(jìn)料管液料流進(jìn)貯槽S1，然后再經(jīng)過管道液料又流進(jìn)貯槽S2，這時液料的流出受到變頻調(diào)速器的控制，如果此變頻調(diào)速器的工作頻率是固定不變的，那么一個積分時間常數(shù)不變的積分環(huán)節(jié)就會在貯槽S2中構(gòu)成，在當(dāng)前的工藝生產(chǎn)過程中液料位通常被要求在貯槽S2中保持某一定值，令被控制量為h，使S1中進(jìn)料體積流量q為控制變量，在這種情況下這個串聯(lián)式雙容無自衡液位過程的機(jī)構(gòu)式可列為： =e

在這個串級控制系統(tǒng)中（如上圖所示），副參數(shù)被選擇為貯槽S1，主參數(shù)被選擇為貯槽S2的液位h，當(dāng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時來自反饋的貯槽液位測量值就會被變頻器收集并實現(xiàn)與設(shè)定值的對此，之后相關(guān)數(shù)據(jù)值就會被送入PID模塊進(jìn)行計算，并實現(xiàn)輸出頻率的自動更改，以對液料流量和電機(jī)的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)整，從而使貯槽液位實現(xiàn)穩(wěn)定，和貯槽S1、S2分別對應(yīng)的液位傳感器1和2將對其對應(yīng)的貯槽信號的檢測結(jié)果在A /D轉(zhuǎn)換的作用下傳送到計算機(jī)，然后分別與兩個PID調(diào)節(jié)器設(shè)定值對比，并實現(xiàn)對其差別進(jìn)行判斷和計算。

MATLAB的兩個PID算法程序被上位機(jī)所調(diào)用 ，PID1的輸入信號就是貯槽S2液料位信號與事先的系統(tǒng)設(shè)定值對比得到的偏差；然后該偏差會在PID1中實現(xiàn)運(yùn)算并將信號輸出，然后就將其作為貯槽S1的系統(tǒng)設(shè)定值，然后將貯槽S1液料位信號與該設(shè)定值進(jìn)行對比，再將此偏差輸入PID2進(jìn)行運(yùn)算，然后利用D/A轉(zhuǎn)換應(yīng)用于運(yùn)算結(jié)果，從而使電機(jī)的輸出頻率被改變，實現(xiàn)了對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而使控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對貯槽S1控制，進(jìn)而也控制了S2的目的。

3 串級系統(tǒng)的PID參數(shù)整定

在串級系統(tǒng)的整定中試湊法、兩步和一步整定法是主要運(yùn)用的工程整定方法。具體如下，首先應(yīng)選一適當(dāng)?shù)母闭{(diào)節(jié)器，對其設(shè)置要根據(jù)純比例控制規(guī)律并放大倍數(shù)KC2，在主調(diào)節(jié)器的設(shè)置中也應(yīng)先置于純比例控制規(guī)律作用下，然后將實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的工作，并在這個過程中利用相關(guān)單回路整定方法使主調(diào)節(jié)器參數(shù)實現(xiàn)調(diào)整，并在施行干擾的情況下，觀察相關(guān)的運(yùn)行狀況，并在KC1和KC2相互匹配原理的支持下實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器參數(shù)的改進(jìn)，經(jīng)過對系統(tǒng)的多次調(diào)試，當(dāng)液位在貯槽S2中實現(xiàn)快速穩(wěn)定于設(shè)定值時，反饋值也與設(shè)定值相同，當(dāng)液位穩(wěn)定后將擾動干擾加于貯槽S1，如果在副回路的校正作用下液位還受到影響的話，為了克服這種擾動的干擾主回路應(yīng)該對此進(jìn)一步實施調(diào)節(jié)，而保證擾動影響的消除，使液位處在設(shè)定值上。

依據(jù)此系統(tǒng)的工程整定方法中一步整定法對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定如下：副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)KC2設(shè)定為2，然使將積分系數(shù)Ki2被設(shè)定為1000，之后對主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定根據(jù)4∶1衰減曲線法實施，可以得到δS1為12.5%，TS1為7s，參數(shù)整定后的實時控制曲線如下：