PID液位控制系统(单回路反馈)
基于组态软件的液位单回路控制系统研究
基于组态软件的液位单回路控制系统研究摘要: 通过组态软件，结合实验设备，按照定值系统的控制要求，依据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，可以设计一个包含组态画面、并且应用组态控制程序的液位单回路模拟过程控制系统。
该文就是以工控组态软件MCGS为载体，为用户构建工业自动控制、系统监控功能的平台。
应用组态软件来检测、控制液位，设计简单，控制灵活，应用性很高。
关键词:液位单回路控制组态PID 调试工业控制深入各个领域，比如电力、冶金、石化、环保、交通、建筑等行业。
在各种控制领域中最基本的控制就是过程控制系统，即便是复杂、高水平的过程控制系统，基本的过程控制系统也要占70%以上。
基于组态软件的过程控制系统直观、简单、特别适用于教学。
1 液位控制系统硬件设计(图1）这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高值；并设法减小或消除干扰，这种影响主要来自系统内部或外部（电机运行参数、仪表指示误差等等）。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
2 组态软件应用设计2.1 数据库的创建新建MCGS工程文件，命名为“液位控制系统”。
在实时数据库窗口页创建数据对象，实时数据的定义一句工作需要可分为以下几部分：通信、控制变量和参数、控制方式、控制算法、存盘数据、报警等。
2.2 画面设计与动画连接2.2.1 液位控制系统流程根据工艺和功能要求设计，由水箱、传感器\变送器、控制器和执行器构成一个闭环控制系统。
2.2.2 系统流程制作与控件的动画连接应用绘图工具绘制水箱和储水箱：从对象元件库中选出显示仪表、调节阀、水泵、传感器和手动阀，插入到用户窗口；插入位图：PC机和RS-232转换器；从对象元件库插入水路管道，并在其上面覆盖有流动块；各电器元器件之间进行电气连接。
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)
实验五、单容水箱液位PID控制实验(DCS)一、实验目的1）、熟悉单容水箱液位反馈PID控制系统硬件配置和工作原理。
2）、熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
3）、定性分析不同PID控制器参数对单容系统控制性能的影响。
二、实验设备CS4000型过程控制实验装置，DCS系统、 PC机，监控软件。
三、实验原理一阶单容水箱PID控制方框图图为单回路上水箱液位控制系统。
单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用EPA系统控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如下图中的曲线①、②、③所示。
P、PI和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验步骤(1)关闭出水阀,将CS4000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
实验二、单容水箱液位PID控制系统
单容水箱液位PID 控制系统一、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的阶跃响应。
3、研究系统分别用P 、PI 和PID 调节器时的抗扰动作用。
4、定性地分析P 、PI 和PID 调节器的参数变化对系统性能的影响。
图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图单容水箱液位控制系统。
这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。
因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
图7-2单容液位控制系统结构图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示。
图7-3、P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线四、实验内容与步骤1、比例（P）调节器控制1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。
6.3.1第六章PID反馈控制器设计
掌握PID控制律的意义及与控制性能的 关系
了解PID控制律的选取原则 掌握单回路PID控制器的参数整定方法 了解“防积分饱和”与“无扰动切换” 了解PID参数的自整定方法
概述
工程师应当对控制算法有充分理解的三方面 的原因
导致PID控制算法至今仍得到成功应用的原 因是其具有许多优良特征
b1
4 T
T 2
d
sin t
dt
4d
0
继电器型控制系统等幅振荡条件
继电器型控制系统等幅振荡条件
继电器型控制系统等幅振荡条件
由继电器输出幅度d以及过程输出信号y的幅度
a 就可计算出临界增益Ku=Kcr，由极限环振
荡周期就可获得临界振荡周期Tu。于是可用ZN法自动整定PID控制器参数。
继电器型控制系统等幅振荡条件
控制规律 Kcmax
P
0.5Kcmax
PI
0.45Kcmax
PID
0.6Kcmax
Ti
0.83Pu 0.5Pu
Td 0.12Pu
临界比例度法举例（续2）
工程整定法3-响应曲线法
临界比例度法的局限性：
生产过程有时不允许出现等幅振荡，或者无法产生正 常操作范围内的等幅振荡。
响应曲线法PID参数整定步骤：
工程整定法2-临界比例度法
1、先切除PID控制器中的积分与微分作用（即将积 分时间设为无穷大，微分时间取为0），并令比 例增益KC为一个较小值，并投入闭环运行；
2、将设定值作小幅度的阶跃变化，观察测量值的 响应变化情况；
3、逐步增大KC的取值，对于每个KC值重复步骤2 中的过程，直至产生等幅振荡；
PID控制算法主要应用于单回路控制系统 ，这些简单控制系统是最基本的，约占目前 工业过程控制系统的80%左右
流量、压力调节阀PID单回路控制
流量、压力调节阀P I D单回路控制(总3页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--一、实验名称。
流量、压力调节阀PID单回路控制二、试验设备。
电磁流量计(给水流量)、电动调节阀（阀位反馈和调动阀控制）、压力变送器（给水压力）三、实验目的。
1）、熟悉电磁流量计的结构及其安装方法。
2）、熟悉单回路流量PID控制系统的硬件配置。
3）、比较电磁流量计和涡轮流量计的不同之处。
4）、根据实验数据，比较流量PID控制和液位PID控制。
四、实验步骤。
流量调节阀控制流程图如图所示。
步骤：水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由流量计FT-102、调节阀FV-101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，给水流量由FT-102测得。
本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，FT-102为被控变量，采用PID调节来完成。
压力调节阀控制流程图如图所示步骤：水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV-101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，给水压力由PT-101测得。
本例为定值自动调节系统，FV-101为操纵变量，PT-101为被控变量，采用PID调节来完成。
五、实验要求。
1、流程图界面要求1）测试要求的组态流程图界面（要求复显），如上图所示。
2）其他要求：设备、管路从图库中选，管路中流体流动具有动画效果；流程图界面中可包含实时曲线窗口，历史记录、操作记录、报表界面可从流程图界面调出。
2、实时曲线要求引入调节器PV、MV、SP三个变量；三条曲线颜色便于区分，对应变量名标示清楚；时间轴跨度两分钟，采样周期不大于两秒；振荡时的幅值便于分析过渡过程。
3、操作记录要求引入流量计流量高、低限实时报警记录，记录中显示报警时间、报警限值（可自定）、报警值及报警的具体描述。
双容液位单回路控制系统设计
双容液位单回路控制系统设计在设计双容液位单回路控制系统时，首先要考虑系统的硬件组成。
通常，该系统由两个储液容器、一个流量调节阀、一个液位传感器和一个控制器组成。
其中，储液容器用于存储供给液体，流量调节阀用于调节液体的流入和流出，液位传感器用于检测液位的实时数值，控制器用于处理传感器的反馈信号并对流量调节阀进行控制。
接下来是系统的软件设计。
在软件设计中，首先需要确定液位的设定值。
该值可以根据实际需求进行调整。
其次，需要设计一个控制算法来实现对流量调节阀的控制。
最常用的算法是PID控制算法，它可以根据液位偏差的大小来自动调节流量调节阀的开度，以使液位保持在设定值附近。
在进行控制算法设计时，需要考虑到系统的稳定性和响应时间。
稳定性是指系统在受到外部扰动时能够迅速恢复到设定值附近的能力，而响应时间则是指系统调节液位所需要的时间。
为了提高系统的稳定性和响应时间，可以采用参数整定和滤波技术。
参数整定是通过调整PID控制器的参数来使系统响应更为迅速和稳定，而滤波技术可以去除传感器采集信号中的噪声，以提高系统的稳定性和准确性。
另外，为了保证系统的安全性和可靠性，在设计时还需考虑到异常情况的处理。
例如，当液位超出设定范围时，系统应能够及时发出警报或采取自动关闭阀门的操作。
此外，还要考虑到系统的节能性，即在液位达到设定值后，系统应自动减小或关闭流量调节阀，以降低能耗。
在完成系统的硬件和软件设计后，还需要进行测试和调试以验证系统的性能。
通过与设定值进行比较，检查系统的稳定性、响应时间和准确性是否符合要求。
如果系统存在差异，可以通过调整参数或更换部件来改进。
总之，双容液位单回路控制系统设计涉及到硬件和软件两个方面，需要考虑系统的组成、控制算法、参数整定、滤波技术、异常情况处理和节能性等因素。
只有经过精心设计、测试和调试，才能够设计出性能稳定、响应迅速的双容液位单回路控制系统。
单回路PID控制剖析
•单回路PID控制剖析
建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理规律，列出
描述该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的
nC K ep (1 K sU K n *)C e(R 1 dK I)n0cl ncl
•单回路PID控制剖析
(1-36) (1-37)
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D Ud4
A’
Ud3
Ud2
Ud1
O0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图1-26 闭环系统•单静回特路性PI和D控开制环剖析机械特性的关系
直流电机基本工作原理
•单回路PID控制剖析
一、 直流调速方法
根据直流电机转速方程
n U IR Ke
（1-1）
n
式中 — 转速（r/min）；
U
— 电枢电压（V）；
I
— 电枢电流（A）；
R
— 电枢回路总电阻（ ）；
— 励磁磁通（Wb）；
Ke
— 由•单电回机路P结ID控构制剖决析定的电动势常数。
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。 •单回路PID控制剖析
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
（2）调阻调速
• 工作条件：
a3000实验水箱液位调节阀之PID篇
单容水箱液位控制系统的实验一、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、JX-300X DCS控制系统、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、网线1根、24芯通讯电缆1根。
二、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
三、实验原理图2-15为单回路水箱液位控制系统单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用SUPCON JX-300X DCS控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。
比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。
但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。
对于我们的实验系统，在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-16中的曲线①、②、③所示。
实验二单回路PID控制系统
５实验二 单回路P I D 控制系统组成及过程动态特性参数对控制质量的影响一、 实验目的：1．熟悉Matlab 仿真环境；2．理解单回路控制系统的组成；3．理解给定值扰动和负荷扰动的过渡过程曲线；4．掌握扰动通道、控制通道的静态参数和动态参数对控制质量的影响； 5．掌握扰动作用位置对控制质量的影响；6．掌握对象的多个时间常数之间的关系对控制质量的影响；二、 实验内容：对如下图所示的单回路控制系统进行仿真。
进入仿真环境，建立如下仿真系统： 例：其中，Step input 作为系统给定值；而Step1 input 作为外部干扰。
注：PID 模块后的比例环节可换为一阶环节。
具体步骤为： 1、模块在库中，模块在库中，模块在库中，模块在库中。
模块在库的中。
2、双击模块可以设定每个模块的参数，左键拖动鼠标产生连线，右键拖动鼠标可产生交接线。
PID 参数设定如下： （一）给定值扰动：设置给定值阶跃扰动Step input 为某一值，设外部干扰Step1 input 为0，改变PID 控制器的参数，从模块观察系统输出曲线，直到出现4:1衰减曲线。
（如图）①修改Step input模块：双击，对话框参数为：②修改PID模块：双击PID模块，出现如下对话框：在此窗口下修改P、I、D参数。
反复调整P、I、D参数，使输出成为4:1衰减曲线。
６７（二） 负荷扰动：修改参数步骤与（一）相同，设Step input 给定值扰动为0，负荷扰动Step1 input 设置为某一值。
反复调整P 、I 、D 参数，使输出成为4:1衰减曲线。
８（三）观察扰动通道和控制通道参数对控制质量的影响：（调节器整定参数值不变）1．改变扰动通道静态参数和动态参数，观察输出波形的变化；2．改变控制通道静态参数和动态参数，观察输出波形的变化；3．改变扰动作用位置，观察输出波形的变化；９三、实验结果整理：1、总结单回路仿真系统的基本组成部分。
给定、调节器、控制器、被控对象、测量变送、输出参数2、分别在实验内容（一）、（二）所得到的仿真曲线上，标明并求出控制系统的各项性能指标。
单回路控制
控制器正反作用的判定
3、对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的。 4、 对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀 （注意不要与执行机构和控制阀的“正作用”及“反作用” 混淆）。执行器的气开或气关型式主要应从工艺安全角度来 确定。气动薄膜调节阀可分为气关（NO或FO）和气开（NC 或FC）两种型式。有信号压力时阀关、无信号压力时阀开的 为气关式。反之，为气开式。气开阀是“正”方向。气关阀 是“反”方向。 5、对于被控对象的作用方向。当操纵变量增加时，被控变量也 增加的对象属于“正作用”的。反之，属于“反作用”的。 6、控制器的作用方向要根据对象及执行器的作用方向来确定， 以使整个控制系统构成负反馈的闭环系统。
控制器正反作用的判定
扰动 Qi(t) 设定值 hsp + _ 偏差 e(t) 液体贮罐 干扰 通道
－
液位 控制器
控制信号 u(t)
＋
出水 控制阀
操纵变量 Qo(t)
－
控制 通道 +
+
被控变量 h(t)
测量值 hm(t)
＋
液位传感 测量变送器
举例：假设液位出水控制阀为气开。则KV为正，过程对象KP 为负，液位测量单元为正，要使KC*KV*KP*KT=正，则必须 KC= 负。所以液位控制器为正作用。
1 .2
T p 1 K p
控制器正反作用的判断
控制器的偏差正反作用选择 1、控制器正负偏差的规定 控制理论上以及仪表制造厂家规定： 正偏差：测量－给定＝偏差 负偏差：给定－测量 2、正反作用规定：正作用：偏差增加，控制器输出增加（Ｚ ｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↑ 反作用：偏差增加控制输出减少（Ｚｍ－Ｓｐ）↑→Ｐｃ↓
PID三个基本参数kp 、ki 、kd 对PID控制作用和影响
单回路控制系统的PID调节解读
用传递函数表示为s T s E s s W d D ==
( ( (μ
1、若e(t为单位阶跃,则
d d D T s s T s W =⋅=1 ( ( (t T t d δμ=
由于阶跃信号在t=0时刻有一个阶跃,其他时刻均不变化所以微分环节对阶跃信号的响应只在t=0时产生一个响应脉冲。
自动控制仿真调试材料李军
山东电力研究院热控所
2010-7-29
单回路控制系统的PID调节
一、自动控制系统简介
(1自动控制:在没有人直接参与的情况下,利用控制器使被控对象的被控量
自动地按预先给定的规律去进行。
(2自动控制系统:是由起控制作用的自动控制装置和被控制器控制的生产设
备通过信号的传递、联系所构成的系统。简言之,就是指被控
t
μTd
（四）三种控制作用的比较图2-42过渡过程曲线曲线1是配比例控制器的控制过程。由于比例控制规律具有控制及时的特点，所以控制过程时间较曲线2短，动态偏差也较小，因此控制过程结束存在静态偏差。通过减小控制器的比例系数可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。曲线3是配比例积分控制器的控制过程。由于积分控制规律能消除静态偏差，所以控制作用能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差控制。然而积分作用的控制不及时，又使控制过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言系统的稳定性下降。因此，积分作用引入到比例控制器后，控制器的比例带应适当加大（减少Kp），以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。曲线5是配比例积分微分控制器的控制过程。微分控制是一种超前控制方式，其实质是阻止被控量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短控制过程时间的效果，这样在采用比例积分微分控制器时，又可适当减小比例带和积分时间。三、三种基本控制作用小结优点比例作用缺点动作速度快，能使控制过程趋于稳定单独使用时，产生静态偏差单独使用时，会使控制过程变得振荡，甚至不稳定不能单独使用积分作用微分作用能使被控量无静态偏差能有效的减少动态偏差比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用以消
实验六 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制
实验六 单容下水箱液位调节阀PID 单回路控制1、实验目的（1）学会操作A3000过程控制实验系统；（2）了解PID控制规律，学习初步整定参数。
2、实验内容及步骤1、单容下水箱液位 PID 控制流程图如下图所示。
单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单如下表所示。
水介质由泵P102 从水箱V104 中加压获得压头，经由调节阀FV-101 进入水箱V103，通过手阀QV-116 回流至水箱V104 而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT-103 测得，用调节手阀QV-116 的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV-101 为操纵变量，LT-103 为被控变量，采用PID 调节来完成。
2、在现场系统上，打开手阀QV102、QV105，调节下水箱闸板QV116开度(可以稍微大一些)，其余阀门关闭。
3、在控制系统上，将IO面板的下水箱液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。
注意：具体那个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。
4、打开设备电源。
启动右边水泵P102和调节阀。
5、启动计算机组态软件，进入测试项目界面。
启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置比例参数。
观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。
3、实验报告（1）设计一个报表：实验开始后，每20分钟记录一组数据，包括调节阀控制、V103液位、SP三个变量。
（2）改变参数设置，记录相应的变量曲线图。
（3）通过曲线图对比，谈谈对PID参数整定的心得。
单回路PID控制课件PPT
智能窗帘能够根据室内光线和时间自动调节开合程度，提供舒适的居住
环境。
其他领域中的应用
无人机飞行控制
在无人机飞行控制中，PID控制器用于调节无人机的姿态、高度和速度等参数。通过传感器检测无人机的状态信 息，PID控制器输出相应的控制指令，确保无人机能够稳定、准确地完成各种任务。
机器人运动控制
在工业机器人和智能服务机器人中，PID控制器广泛应用于关节运动控制、轨迹跟踪和力控等领域。通过调节电 机的输入电压或电流，PID控制器能够使机器人关节运动的位置、速度和加速度达到期望的目标值，提高机器人 的运动性能和定位精度。
积分单元（I）
根据误差信号积分调节输 出，影响控制系统的稳态 误差。
微分单元（D）
根据误差信号的微分调节 输出，影响控制系统的动 态响应。
PID控制器的参数整定
比例系数（Kp）
调整系统增益，影响系统 响应速度和超调量。
积分系数（Ki）
调整系统稳态误差，影响 系统消除误差的速度。
微分系数（Kd）
调整系统动态响应，影响 系统对变化信号的响应速 度。
单回路PID控制系统
04
的调试与优化
系统调试的方法和步骤
设定参数
根据系统要求和工艺特性，选择 合适的PID参数，如比例增益、 积分时间常数和微分时间常数。
模拟测试
在模拟环境中对PID控制系统进 行测试，观察系统的响应特性 和稳定性。
现场测试
将PID控制系统安装到实际设备 上，进行现场测试，检查系统 的实际运行效果。
THANKS.
PID控制器的优缺点
优点
结构简单、稳定性好、调整方便 、易于实现等。
缺点
对参数整定要求较高，参数整定 不当可能导致系统性能下降；对 于某些非线性或时变系统，PID控 制效果不佳。
过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术-文档资料
如何确定PID参数？
PID控制器的 参数整定与应用
PID参数对控制性能的影响
控制器增益 Kc或比例度δ
增 定益性下Kc降的；增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳
积分时间Ti
积 制分系作统用的的稳增定强性（下即降；Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控
电流转变为气压来操纵阀门
数字计算和通讯
手动操作
信号在局域网中传输， 传感器和阀门也可带有微处理器！
机械装置
气动设备 电动设备
数字PID
数字计算
数字计算 和通讯
信号采用数字传输
电流转变为气压来操纵阀门
数字控制
为什么？
数字控制采用分布式网络结构
操作站
操作站
数字通讯
(s)
Kc
(1
1 Ti s
)
积分时间Ti 对系统性能的影响
引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制 系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可 能使控制系统不稳定。
积分作用Ti对控制性能的影响
理想的比例积分微分PID控制器
u
Kc
(e
1 Ti
t
edt
0
Td
d ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt)
Kd
Td s 1
+
u (t)
Kv Tvs 1
K p exp( s) + Tps 1
y (t)
Km
z (t)
Tms 1
假设控制输入u (t)与干扰输入d (t)均为阶跃信号，要求显示 输入对被控变量y (t)及其测量z (t)的动态响应。
单回路控制系统实验(过程控制实验指导书)
单回路控制系统实验单回路控制系统概述实验三单容水箱液位定值控制实验实验四双容水箱液位定值控制实验实验五锅炉内胆静（动）态水温定值控制实验实验三实验项目名称：单容液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验内容和（原理）要求本实验系统结构图和方框图如图3-4所示。
被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
三、实验主要仪器设备和材料1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。
四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱作为被控对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按二种方案分别叙述。
（一）、智能仪表控制1．按照图3-5连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-4 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图图3-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
精馏塔PID控制系统简介
精馏塔PID控制系统简介一、PID控制系统单回路控制系统通常是指由一个检测元件及一个变送器、一个控制器、一个执行器、一个被控对象所组成的一个闭合回路的控制系统，又称简单控制系统或单参数控制系统。
单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、应用最广泛和最成熟的一种，约占控制回路的80%以上，适用于被控对象滞后时间较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。
控制器在冶金、石油、化工、电力等各种工业生产中应用极为广泛。
要实现生产过程自动控制，无论是简单的控制系统，还是复杂的控制系统，控制器都是必不可少的。
控制器是工业生产过程自动控制系统中的一个重要组成部分。
它把来自检测仪表的信号进行综合，按照预定的规律去控制执行器的动作，使生产过程中的各种被控参数，如温度、压力、流量、液位、成分等符合生产工艺要求。
主要介绍在工业控制中有一定影响力的DDZ-Ⅲ型控制器的控制规律、构成原理和使用方法。
二、控制器的控制规律：在自动控制系统中，由于扰动作用的结果使被控参数偏离给定值，从而产生偏差，控制器将偏差信号按一定的数学关系，转换为控制作用，将输出作用于被控过程，以校正扰动作用所造成的影响。
被控参数能否回到给定值上，以怎样的途径、经过多长时间回到给定值上来，即控制过程的品质如何，不仅与被控过程的特性有关，而且也与控制器的特性，即控制器的规律有关。
所谓控制器的控制规律，就是指控制器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。
这种规律反映了控制器本身的特性。
控制器的基本控制规律由比例（P）、积分（I）、微分（D）三种。
这三种控制规律各有其特点。
三、精馏塔主要测量控制点的测控方法、装置和设备的报警连锁简介1、塔釜上升蒸汽量的控制：塔釜上升蒸汽量是由塔釜加热电压来决定的，控制塔釜加热电压即可控制塔釜上升蒸汽量执2、回流比控制：3、塔釜液位控制液位设置有上、下限报警功能：当塔釜液位超出上限报警值时，仪表输出报警信号给塔釜常闭电磁阀，电磁阀接收到信号后开启，塔釜排液；当塔釜液位降至上限报警值以下时，仪表停止输出信号，电磁阀关闭，塔釜停止排液。
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过程控制实验报告学院：学号：姓名：实验指导老师：日期：一、实验要求与简介 (3)二、控制原理 (4)三、实验设备详细介绍 (6)四．实验过程调试 (15)五．单回路控制系统 (16)六．课程总结 (16)一．实验要求与简介要求：设计液位控制系统，利用实验室过程控制设备构建单回路PID液位控制系统。
了解设备的结构框架，学习对象模型建立的方法和技术、PID参数整定技术、自动化仪表选择相关技能。
根据实验条件和系统配置确定实验过程性能指标。
综合考虑抗干扰问题、系统稳定性问题、动态性能、稳态偏差等，对实验结果进行分析。
实验目标如下：A.了解实验设备，能够根据实物画出系统框图；B.了解和掌握P909自动化仪表的应用场合和使用方法；C.熟悉PID参数整定技术，在实验中正确运用，分析参数整定的作用和效果；D.熟悉液位控制系统中各种自动化测量点、调节阀的相关技术参数；E.实现单回路液位控制，有基本的系统调节能力。
液位的自动控制在工业生产领域应用的非常普遍，就控制系统本身而言，其含有压力传感器、计算机与采集板组成的控制器、执行器（水泵）、控制对象（水箱）等。
本次实验的主要任务是了解一个完整的液位系统的组成、构成液位控制系统的各个部件的工作原理及连接方式、工业上离散控制系统的通信标准、熟悉p909仪表的操作并实现单回路液位控制，有基本的液位调节能力。
液位系统结构图：整个系统主要有水泵、电磁阀、传感器、水箱组成。
由水泵供水，电动阀调节流速（实验系统中还含有手动调节阀）通过两个入水口进入水箱，在通过一个出水口进入排水箱，之所以用两个入水口是考虑到进水会带来液位的波动从而给控制器的控制带来困难所以通过两个入口从底部进水，但虽然减少了液位波动但也造成了一些负面影响：入水管中的压强会随着液位的上升而变大，在实际成产中可能会导致事故。
安置在系统中的传感器将系统的状态（温度，水箱液位，入水管压强）通过电流形式上传给上位机，通过控制器的计算再输出电流控制执行器，如：电动阀的开度，加热器等从而达到系统的反馈控制。
传感变送系统传感器：压力传感器：测量液位高度用的压力传感器为集成压力传感器，通过内部电路将压力信号转化为4~20mA标准信号传送给控制器P909。
传感器安装在容器的底部，传感器信号传送至P909。
二．控制原理控制系统框图：本系统使用的是PID控制，但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。
一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制器的参数。
但PID 参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。
因此研究PID参数整定技术具有十分重大的工程实践意义。
在实时控制中，一般要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能够迅速跟踪，超调量要小且有一定的抗干扰能力。
一般要同时满足上述要求是很困难的，但必须满足主要指标，兼顾其它方面。
参数的选择可以通过实验确定，也可以通过试凑法或者经验数据法得到。
PID参数的整定方法：1用试凑法确定PID控制器参数试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，边观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止。
一般情况下，增大比例系数Kp会加快系统的响应速度，有利于减少静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡使稳定性变差。
减小积分系数KI将减少积分作用，有利于减少超调使系统稳定，但系统消除静差的速度慢。
增加微分系数KD 有利于加快系统的响应，是超调减少，稳定性增加，但对干扰的抑制能力会减弱。
在试凑时，一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。
（1）比例部分整定。
首先将积分系数KI和微分系数KD取零，即取消微分和积分作用，采用纯比例控制。
将比例系数Kp由小到大变化，观察系统的响应，直至速度快，且有一定范围的超调为止。
如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需用纯比例调节器即可。
（2）积分部分整定。
如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。
在整定时将积分系数KI由小逐渐增加，积分作用就逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少直至消除。
反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。
注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数KP。
（3）微分部分整定。
若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，或不稳定，这时应加入微分作用，整定时先将微分系数KD从零逐渐增加，观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数KP、积分系数KI，逐步使凑，直到满意为止。
2扩充临界比例度法这种方法适用于有自平衡的被控对象，是模拟系统中临界比例度法的扩充。
其整定步骤如下：（1）选择一个足够短的采样周期T。
所谓足够段，就是采样周期小于对象的纯之后时间的1/10。
（2）让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度ð（ð=1/KP）是系统产生临界振荡。
此时的比例度和振荡周期就是临界比例度ðK和临界振荡周期TK。
（3）选定控制度。
所谓控制，就是以模拟调节器为基准，将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，其笔直即控制度。
扩充临界比例度法的参数整定表。
三．设备详细介绍：一． YMC303P型压力变送器原理：把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大由此得出一个压力和电压或电流的关系式压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。
压力变送器的选择：先确定系统中要确认测量压力的最大值，一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大倍左右的压力量程的变送器。
这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，然而，由于这样做会精度下降。
于是，可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。
所以在选择变送器时，要充分考虑压力范围，精度与其稳定性。
二．ZDYP-16P型电动调节阀ZDYP超小型电动单座调节阀，由电子式执行机构和低流阻直通阀体组成。
电动执行机构，采用 DY-JSF 精小型电动执行器伺服放大器，它以 220V交流单相电源作为驱动电源，接受标准的 4-20mA DC控制信号，经伺服放大器控制，使电机带动减速器运行而产生轴向推力，使阀芯作相应移动，改变阀门的开度，达到对压力、温度、流量、液位等工艺参数的调节，从而实现自动控制的目的。
伺服放大器还输出一个与执行器的位移相对应的 4-20mA DC阀位反馈输出信号。
选择电动调节阀的技巧：1.从调节系统的质量分析K1变送器的放大系数，K2调节仪表的放大系数，K3执行机构的放大系数，K4控制阀的放大系数，K5调节对象的放大系数。
很明显，系统的总放大系数K为：K=K1*K2*K3*K4*K5 K1、K2、K3、K4、K5分别为变送器、调节仪表、执行机构、控制阀、调节对象的放大系数，在负荷变动的情况下，为使调节系统仍能保持预定的品质指标；则希望总的放大系数在调节系统的整个操作范围内保持不变。
通常，变送器、调节器（已整定好）和执行机构的放大系数是一个常数，但调节对象的放大系数却总是随着操作条件变化而变化，所以对象的特性往往是非线性的。
因此，适当选择控制阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿调节对象放大系数的变化，而使系统的总放大系数保持不变或近似不变，从而提高调节系统的质量。
因此，控制阀流量特性的选择应符合： K4*K5=常数对于放大系数随负荷的加大而变小的现象，假如选用放大系数随负荷加大而变大的等百分比特性控制阀，便能使两者相互抵消，合成的结果，使总放大系数保持不变，近似于线性。
当调节对象的放大系数为线性时，则应采用直线流量特性，使总放大系数保持不变。
2. 从工艺配管情况考虑控制阀总是与管道、设备等连在一起使用，由于系统配管情况的不同，配管阻力的存在引起控制阀上压降的变化，因此，阀的工作流量特性与阀的理想流量特性也有差异。
必须根据系统特点来选择希望得到的工作特性，然后再考虑配管情况来选择相应的理想特性。
3. 从负荷变化情况分析直线特性控制阀在小开度时流量相对变化值大，过于灵敏容易引起振荡，使阀芯、阀座极易受到破坏，在S值小，负荷变化大的场合不宜采用。
等百分比控制阀的放大系数随控制阀行程增加而增加，流量相对变化值是恒定不变的，因此它对负荷波动有较强的适应性，无论在满负荷或半负荷生产时，都能很好的调节；从制造角度来看也并不困难。
在生产过程中等百分比是应用最广泛的一种。
三．P909仪表P909 智能PID控制仪表特点：型号sp-p909详细说明 sp—p900系列50段pid可编程序控制仪，具有ai人工智能控制功能，适用于需要按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合，可设置任意大小的给定值升/降斜率，从而获得斜率加热/降温或曲线加热的能力，它具有强大的可编程能力，可进一步提高控制设备的自动化程序。
1、可根据生产过程要求，按照一定的曲线进行控制，最多可分50段曲线对控制对象进行编程控制，每一段均采用pid及ai人工智能控制,使控制更为精确可靠.2、每一段时间设定范围为1～9999分或1～9999秒.3、利用1～50段程序的跳转功能,实现多条不同曲线的记忆与运行.4、具有运行/暂停(run/hoid)功能,程序在运行时,时间计时,给定值按预先编排的程序曲线变化；程序在暂停状态下,时间停止时,给定值不变.5、具有2路事件输出功能,事件输出由程序编排发生,可在程序运行中控制2路报警开关动作.以方便控制各种外部设备同步或连锁工作.6、具有准备(rdy)与测量值启动功能,用于自动解决启动运行时的测量值与设定值的不一致而对程序产生的不确定性,以获得高效率,完整并符合用户要求的程序运行结果.7、停机/开机事件,仪表接通电源或在运行中意外停电.可提供多种处理方案供用户选择.8、可以在运行时查询正在运行的程序段和运行该段的剩余时间.四．仪表接口标准RS-485智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。
究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。