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基于FPGA单回路数字PID控制器的实现[1]

基于FPGA单回路数字PID控制器的实现[1]
基于FPGA单回路数字PID控制器的实现[1]

基于FPGA 单回路数字P I D 控制器的实现

董 旭,许维胜,吴继伟

(同济大学电子与信息工程学院 上海 200092)

摘 要:将A S I C 技术与传统的控制方法相结合,引出了用FPGA 来实现单回路数字P I D 控制器的设计思想。本文在

L P 3900万用数位逻辑发展系统上用Foundati on 211电路设计软件和X ilinx Spartan 系列FPGA XCS 20208来设计和实现

单回路数字P I D 控制器,其中A D 转换和D A 转换部分分别采用AD 7394和L TC 1296芯片,最后的仿真结果表明了该方案的可行性和设计模块的准确性。

关键词:FPGA ;P I D 控制器;模数转换;数模转换

中图分类号:T P 311 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2004)2303503

Rea l iza tion of D ig ita l P I D Con troller i n FPGA Si ngle L oop Con trol System

DON G Xu ,XU W eisheng ,W U J i w ei

(Co llege of E lectronics and Info r m ati on Engineering ,TongjiU niversity ,Shanghai ,200092,Ch ina )

Abs tra c t :By com b in ing the A S I C techno logy w ith the traditi onal con tro l m ethod ,an idea of P I D con tro ller on FPGA is

p resen ted 1Based on the labo rato rial board L P 3900FPGA XCS 20208p roduced by the L EA P EL ECTRON I C CO 1L TD and

u sing its X ilinx Spartan FPGA ch i p ,the si m p lest system to p roduce P I D p rofessi onal ch i p in FPGA is estab lished ,w h ich is i m p lem en ted on the softw are Foundati on 2111A D convert is perfo rm ed on ch i p L TC 1296,w h ile D A convert is ach ieved on ch i p AD 73941Si m u lati on resu lts show the effectiveness of the m ethod 1

Ke yw o rds :FPGA ;P I D con tro ller ;A D ;D A

收稿日期:20040720

1 引 言

随着微电子和计算机技术的进步及电子产品市场运作节奏的加快,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担,电子系统设计师更愿意自己设计专用集成电路(A S I C ),而且设计周期可能更短,性价比可能更高。自1992年美国L attice 公司首创数字系统ISP (

In System P rogramm ability )技术以来,可编程逻辑器件

CPLD FPGA (Comp lex P rogramm able L ogic D evice F ield P rogramm able Gate A rray )集成规模迅速扩大,EDA (E lectronic D esign A utom ati on )技术打破了软硬件

之间的最后屏障,彻底改变了数字电子系统的设计思想和实现方法。EDA 利用计算机软件的设计和测试,达到对既定功能硬件系统的设计和实现。他已成为现代电子设计的核心,使电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想,已成为现代电子设计的核心。

美国X ilinx 公司推出的Foundati on ,就是用于开发

FPGA 的EDA 软件,用户可以在这种软件平台上简便、高效地设计出各种数字系统、专用I C 及各种芯片,从而为电子产品的开发和电子系统工程提供了一种全新的手段和

便捷的途径。

本文用上述软件设计了专用于无刷直流电机调速的基于FPGA 的P I D 芯片A D 和D A 转换部分,根据数字

P I D 增量式控制算法设计出P I D 模块,达到控制外界信号

的目的,最终制成专用芯片。

2 设计平台L P 3900及设计环境介绍

文中的设计平台是力浦公司的L P

3900CPLD

FPGA 。L P

3900CPLD FPGA 万用数位逻辑发展系统主要是由一系统平台与6块实验模板构成。本设计主要用到L P

3900FPGA

XCS 20208芯片模板和L P

3900AD 9

DA 2实验模板。

软件环境是X ilinx Foundati on Series 211。211 L P

3900

FPGA

XCS 20208芯片模板

[1]

L P 3900XCS 20208芯片模板主要由1个X ilinx XCS 20PQ 208芯片,1个EPROM 芯片插座和1个重置按

键三部分构成;X ilinx XCS 20PQ 208芯片提供了不断重新下载与规划新电路的弹性与便利。EPROM 芯片烧录成结构数据(Configurati on D ata )后插在EPROM 芯片插座上,提供另一种规划X ilinx XCS 20PQ 208芯片的方法。重置按键可使X ilinx XCS 20PQ 208芯片首先脱离使用者模式(U ser M ode ),进入命令模式(Comm and M ode )。进行电路的组成与重置后,可以再度进入使用者的模式工作。

《现代电子技术》2004年第23期总第190期 测试?测量?自动化

212 L P

3900AD 9DA 2实验模板

L P

3900AD 9DA 2实验模板包括一个A D &D

A 电路模组(8组12b A D ,2组12b D A ,1组8b A D ),他可控制A D &D A 的转换,而转换的结果可以配合L P

3900L ED

KEY 16实验模板上的6个共阴极七段显

示器显示,也可以用4组L ED 灯显示,让实验结果更加明确。3 单回路数字P I D 控制器的设计和实现

本文利用L P 3900上的X ilinx 公司Spartan 系列的

XCS 20PQ 208型FPGA 和Foundati on Series 211软件,并采用自顶向下和自底向上相结合的系统设计方法完成整个FPGA 的层次化设计和仿真调试。在计算机控制系统中,使用的是数字P I D 控制器,这就要求在系统中引入A D 和D A 转换模块,达到对控制误差的调节。控制系统框图如图1

所示。

图1 控制系统框图

虚线内部分在FPGA 中完成,模块设计采用V HDL 工业标准硬件描述语言与原理图设计输入相结合的方式实现。311 P I D 模块的设计

比例、积分、微分(P I D )控制是控制系统中技术最成熟,运用最广泛的一种控制方式。其基本原理是根据反馈控制系统的偏差值按比例、积分、微分函数关系进行运算,所得结果输出给控制对象。在连续时间域中,P I D 控制器

算法的表达式为[2]

:

u (t )=K P e (t )+

1

T I

t

e (t )d t +T D d e (t )

d t

(1)

其中:e (t )为控制器的输入即控制系统的给定量与输出量的偏差;u (t )为控制器的输出;K P 为比例系数;T I 为积分时间常数;T D 为微分时间常数。

由于计算机控制进行的是一种采样控制,只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此式(1)中的积分和微分项不能直接使用,需要进行离散化处理。现以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ,以和式代替积分,以增量代替微分,则可做如下近似变换:

t

e (t )d t ?T ∑k

j =0

e (j ), d e (t )d t ?e (k )-e (k -1)

T

于是可得:

u (k )=K P

e (k )+T

T I ∑k

j =0e (j )+T D T

[e (k )-e (k -

1)](2)

其中:T 为采样周期;u (k )为采样时刻k 控制器的输出值;e (k )为采样时刻k 控制系统的偏差值;e (k -

1)为采样时

刻k -1控制系统的偏差值。

因为每次输出的u (k )值直接与执行装置的位置一一对应,所以式(2)称为位置型P I D 算法。采用此种算法,每次输出均与过去的状态有关,计算时要对e (k )进行累加。如此不仅计算繁琐,而且还会占用许多的内存空间。因此,采用位置型P I D 算法直接进行控制很不方便,所以可做如下的转变。

由式(2)导出提供增量的P I D 控制算式。根据递推原理可得:

u (k -

1)=K P e (k -1)+K I ∑k -1

j =0

e (j )+

K D [e (k -1)-e (k -2)](3)

用式(3)减去(2)可得:

u (k )=u (k -1)+K P [e (k )-e (k -1)]+ K I

e (k )+K D [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]

(4)

根据式(4)实现的框图如图2所示。

图2 根据公式(4)实现的框图

Ek 12为A D 转换好的12b 数据,经P I D 调整后的输

出U KOU T 12输入到D A 部分的C 11脚。为了防止数据溢出,Ek 12和U KOU T 12数据扩展了1b 。

P ,I ,D 三部分分别完成式(4)中K P [e (k )-e (k -1)],K I e (k ),K D [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]的运算,由暂存器、减法器和乘法器构成,暂存器存储前一次或前两次时钟周期的Ek 12。取K P =100,K I =20,K D =15不同环境可方便调整。

逻辑仿真的波形图如

图3所示。M U TODU T 22,

M U T I OU T 22,M U T POU T 22分别为D ,I ,P 三部分乘积

项的输出。由于乘法器的缘故,输出的结果延时了5个周期。

图3 逻辑仿真波形图

312 A D 转换的实现

A D 转换是通过L TC 1296来实现。在片选信号CS

变为低电平后启动,在时钟的上升沿同步写入8b 的串行

控制字D I N 。控制字的最后一位写完后的下一个时钟周期开始同步输出转换好的12b 串行数据B 。他的控制字D I N

测控技术董 旭等:基于FPGA 单回路数字P I D 控制器的实现

说明如图4所示。

图4中STA R T B IT :CS 变为低电平后输入D 的第一个逻辑“1”。M U X A ddress :决定输入通道。M SBF :为“1”时转换好的串行数据从高位到低位输出;为“0”时反之。PS :

关闭电源。

图4 D I N 说明

图5是A D 转换部分的设计框图。CL K 是

L P 3900的系统时钟输入,CLOCK 是L TC 1296中与串行数据同步和控制AD 转换速率的时钟。分频器是用V HDL 语言编写的,通过改写其中的参数可以改变CLOCK 的频率,从而

调节AD 转换的速度。

图5 A D 转换部分的设计框图

控制字是预先存储好的,取11000111。当CS 变为低电平时启动计数器开始计数,控制多路选通器把控制字由高位到低位从设计图中的D I N 脚输出,送到L TC 1296的

D I N 脚。

DOU T 为A D 转换好的12b 串行数据,通过缓存模

块输出到L P 3900的L ED 显示出来,以检验原理图设计的正确性。数据转换时对产生CS 的模块加以屏蔽,防止前一次转换数据没有存储完毕就被新的数据覆盖。转换结束后,生成标志信号,解除屏蔽,等待下一次转换。

DOU T 先由高位到低位存储,经串并转化形成B [11:0],连接到P I D 模块的输入脚Ek 12上。时序仿真的波形

图如图6所示。

图6 时序仿真波形图

Q _OU T 3为读取DOU T 的计数器,DOU T 为12b ,

从0开始应该计数到11,即十六进制的B ,但是实际测量中总会丢失掉一位,把他改为C (十六进制)模拟量和数

字量的转换就与理论计算出来的一致了。313 D A 转换的实现

D A 转换是通过AD 7394来实现的。AD 7394中有两

种寄存器:一种是移位寄存器,用于串行数据存储为并行数据;另一种是DA C 寄存器,从移位寄存器中读取数据后进行D A 转换。他的真值表如表1所示。

表1 真值表

CS CL K RS M SB SHDN L KA B Serlal Shift

Register Functi on DAC Reglster Functlon H

X H X H H No Effect L atched L L H X H H No Effect L atched L

H

H

X H H No Effect

L atched L ↑+H X H H Shift Register Data A dvanced O ne B it L atched L ↑+H X H L Shift Register Data A dvanced O ne B it T ransparent L

H

H X H L No Effect T ransparent ↑+L H X H H

No Effect L atched

H

X

H

X

H

↓-

No Effect

U pdated w ith Current Shift Register Contents

从表1可以看出CS 控制数据读取。LDA B 为低电平时

DA C 寄存器开启,AD 7394的DOU T 脚输出模拟信号。

FPGA 需要控制的是转换数据输入时间及CS ,LDB 信

号的有效时间。按照先读数后转换再读数的原则设计原理图。时序仿真波形图如图7所示。

图7 时序仿真波形图

C 11是需转换数据,他从P I

D 的U KOU T 12脚输入。

为便于仿真,这里直接赋于常值。

CS 为“0”时C 11逐位读出,形成SD I 。CL K 和CLOCK 的设计思想与AD 转换部分类似。

实际测试中,由于L P

3900的电路在AD 7394的输

出端接有运放器,其模拟量输出范围限制在0~318V 。4 结 语

通过用直流稳压电源的电压信号来构造虚拟的控制信号,成功验证了已设计模块的准确性。采用FPGA 与

P I D 控制相结合的方法,可以方便地对于模块中的设计方

案及参数进行在线修改,达到硬件柔性化,从而改善了控制效果。同时,程序写入FPGA 不通过CPU 而直接控制,实现了软件硬件化,大大提高了系统的运算速度和的工作性能。可以看出,将A S I C 技术与自动控制理论相结合,会使控制方法产生一个新的飞跃。本文在这一方面是一次成

功的尝试,今后A S I C 技术将会被更多地应用到各种控制系统中,从而实现所谓“系统中的芯片(Ch i p in System ),

芯片中的系统(System in Ch i p )”[3]

的思想。

(下转第40页) 

《现代电子技术》2004年第23期总第190期 测试?测量?自动化

关性,而对应的相关累加器的延迟值就是所测量的TDOA。

时域相关图中,对同一个相关累加器来说,时间轴取值不同,象素的深浅也不同,这是由两路信号之间的FDOA引起的。为了从数据中获得FDOA,通过傅里叶变换将时间域相关图变换成频域相关图。频域相关图也是一个二维数据阵列,只是时间域变换为频率域。

3 定位误差的修正

TL S系统的核心是定位精度,采用以上的方法,定位误差往往为几十km,干扰源的身份确定仍很困难,必须采取一些修正措施,使定位精度进一步提高。

在实际测量中定位精确度的主要影响因素为FDOA 的测量精度和卫星轨道数据的精度。针对这些影响因素, TL S分别制定了相应的解决措施。

311 相位校准

实际测量FDOA时,TL S站接收的两路下行信号之间的频差由两部分组成。一部分是由多普勒现象引起的频差;另外,两颗卫星转发器上用于频率变换的振荡器是独立工作的,在上下行信号频率转换过程中,给两路下行信号引入了一定的固有频率差,一般在±10kH z之内。从TL S站得到仅由多普勒引起的频差就非常困难,必须采取措施补偿掉第二部分频差。

一种有效的解决方法是同步地处理另一个信号,相位校准信号。相位校准信号必须和测量的干扰信号跨越相同的链路,即经过相同的星上接收机和星上下行发射机。由于星上转换振荡器引起的频率差对干扰信号和相位校准信号都是相同的,所以两种信号相减就可以消除转换振荡器的影响。

312 位置校准

干扰定位中最大的误差原因是卫星轨道数据的不准确。卫星轨道数据的准确与否依赖于取得的方式和时刻,例如是否基于完整的测距数据,或者是否在点火指令后获得。因卫星轨道数据的不准确而引起的误差可以达到几百km。为了减小这个因素的影响,再引入一个附加的校准信号,位置校准信号。

当测量一个未知信号和一个参考信号之间的TDOA 和FDOA时,参考源和未知源越接近,他们的TDOA和FDOA就越小,直到TDOA和FDOA接近为0。这样在无法得到准确的卫星轨道数据时,可以在得到有误差的定位结果后,选择一个尽量靠近的已知校准源做附加测量,调整不准确的卫星轨道数据,直到干扰信号和校准信号之间的TDOA和FDOA为0。

4 未来的发展

TL S给出的定位结果是一个最可能包含干扰源的椭圆区域,称为定位椭圆。TL S未来的发展和完善有以下几个方向:

(1)利用多参考信号获得卫星轨道参数误差补偿,进一步提高定位精度,有望达到100m之内。

(2)不仅利用地球同步卫星定位,也可利用中、低轨道卫星定位,这需要使用新的算法以适应快速变化的卫星链路几何结构。

(3)实现对移动干扰源的定位。

目前,在全球只有两家公司拥有技术成熟的TL S系统的研发和生产能力,分别是英国Q ineti Q公司的sat I D系统和美国T rans m itter L ocati on System s公司的TL S系统。我国在这个领域的研究和应用处在起步阶段,还没有成熟完善的系统问世,但随着卫星通信的不断发展,将对TL S技术产生大量的需求,我国必将拥有具有自主知识产权的TL S系统。

参 考 文 献

[1]H aw o rth D P,Sm ith N G,Bardelli R,et a l1In ternati onal

Jou rnal of Satellite Comm un icati on s,In terference L ocalisati on fo r Eu telsat Satellites T he F irst

Eu ropean T ran s m itter L ocati on System,15,1997:155

1831

[2]Eu ropean Paten t Specificati on EP0852017B 11L ocating

the Sou rce of an U nknow n Signal,4 8 19991

[3]Rob R ideou t1D ERA T ran s m itter L ocati on Service

(TL S)1IEE Co lloqu ium on M ilitary Satellite

Comm un icati on s,L ondon,June20001

作者简介 李 男,1975年出生,解放军信息工程大学信息工程学院硕士研究生。主要研究方向为第三代移动通信。

王大鸣 男,1970年出生,解放军信息工程大学信息工程学院副教授。

顾雪琳 女,1977年出生,北京邮电大学博士研究生。主要研究方向为第三代移动通信。

(上接第37页)

参 考 文 献

[1]董兰荣1X ilinx FPGA电路设计与实习[M]1台湾:沧海

书局,20011[2]陶永华1新型P I D控制及其应用[M]1北京:机械工业出

版社,20021

[3]李竞,胡保生1模糊P I D增益调节器的算法、结构及硬件

实现[J]1西安交通大学学报,1998,32(5):9131

作者简介 董 旭 女,1980年出生,江苏苏州人,在读硕士。从事FPGA、典型控制算法等研究。

许维胜 男,1966年出生,博士,副教授。从事智能自动化理论与工程等研究。

测控技术李 等:一种同步卫星干扰定位技术分析

单回路控制系统整定实验报告

单回路控制系统整定实验报告 一、实验目的 (1)掌握动态模型的创建方法.。 (2)掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。 (3)了解调节器参数对控制品质的影响。 二、实验仪器 计算机一台 三、实验步骤 (1)启动计算机,运行MATLAB应用程序。 (2)在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。 (3)在Simulink库浏览窗口中,单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令File→New→Modeel,打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。 (4)用鼠标双击信号源模块库(Source)图标,打开信号源模块库,将光标移动到阶跃信号模块(Step)的图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库(Simulink Extra)图标,打开A到底提哦哪里Liner模块库,将光标移到PID Controller 图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模块编辑窗口中。 (5)用同样的方法从连续系统模块库(Continuous)、接受模块库(Sinks)和数学运算模块库(Math Operations)中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块(Sum)拖放到空白模型编辑

窗口中。 (6)用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口,完成模块间的连接,如图1,图二。 图1 图二 (7)构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型。其中控制对象由子系统创建,如图2。 (8)设调节器为比例调节器,对象传递函数为: 0(1)n K T s (其中: 0K =1,0T =10,n=4),用广义频率特性法按衰减率0.75计算调节器的参数;

Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法

Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法

Honeywell PKS系统控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低,大部分的回路都是手动操作,这样不但增加了操作员的工作量,而且对产品质量也有一定的影响,特编制了此PID参数整定方法。 修改PID参数必须有“SUPV(班长)”及以上权限权限,具体权限设置切换方法如下; 一、打开要修改的控制回路细目画面,翻到下图所示的页面(Loop Tune), 修改 PID控制回路整定的三个参数K,T1,T2;

到强,对容量滞后有明显的作用,但是对纯滞后没有效果。 四、控制器的选择方法 (1)P控制器的选择:它适用于控制通道滞后较小,负荷变化不大,允许被控量在一定范围内变化的系统; (2)PI控制器的选择:它适用于滞后较小,负荷变化不大,被控量不允许有余差的控制系统; (3)PID控制器的选择:它适用于负荷变化大,容量滞后较大,控制质量要求又很高的控制系统,比如温度控制系统。 五、PID参数整定的方法 一般在工程应用中采用经验凑试法。 经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时,必须认真观察系统响应情况,根据系统的响应情况决定调整那些参数。观察系统响应效果,可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线,衰减曲线最好是4:1,即前一个峰值与后一个峰值的比值为4:1。 经验值:在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改,这里的P代表比例度,P=1/K。

总之,在整定时不能让系统出现发散振荡,如出现发散振荡,应立即切为手动,等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间,重新切换到自动控制。 放大倍数越小,过渡过程越平稳,但余差越大。放大倍数越大,过渡过程容易发生振荡。积分时间越小,消除余差就越快,但系统振荡会较大,积分时间越大,系统消除余差的速度较慢。微分时间太大,系统振荡次数增加,调节时间增加,微分太小,系统调节缓慢。 控制器参数凑试法的步骤: 因为比例作用是基本的控制作用,因此,首先把比例度凑试好,待过渡过程已基本稳定,然后加积分作用消除余差,最后加入微分作用进一步提高控制质量,基本步骤如下: (A)对P控制器,将放大倍数放在较小的位置,逐渐增大K,观察被控量的过渡过程曲线,直到曲线满意为止; (B)对PI控制器,先置T1=0,按纯比例作用整定放大倍数使之达到4:1衰减曲线;然后将K缩小(10~20%),将积分时间T1由大到小逐步加入,直到获得4:1衰减过程; (C)对PID控制器,将T2=0;先按PI作用凑试程序整定K,T1参数,然后将放大倍数增大到比原值大(10~20%)位置,T1也适当减小之后,再把T2由小到大逐步加入,观察过渡曲线,直到获得满意的过渡过程。 一句话:整定参数时要认真观察系统输出及被调量的变化情况,再根据具体情况适当修改PID参数。可以说,只要工艺技术员多花点时间,大多数控制系统采用PID调节都能满足要求。 六、串极控制回路整定

DCS单回路控制系统设计

第五章单回路控制系统设计 ?本章提要 1.过程控制系统设计概述 2.单回路控制系统方案设计 3.单回路控制系统整定 4.单回路控制系统投运 5.单回路控制系统设计原则应用举例 ?授课内容 第一节过程控制系统设计概述 ?单回路反馈控制系统---又称简单控制系统,是指由一个被控过程、一个 检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的.对一个被控变量进行控 制的单回路反馈闭环控制系统。 ?单回路反馈控制系统组成方框图: ?简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运,能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛,尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓,或者控制质量要求不太高的场合。 ?过程控制系统设计和应用的两个重要内容:控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。 ?过程控制系统设计的一般要求: ●过程控制系统是稳定的,且具有适当的稳定裕度。 ●系统应是一个衰减振荡过程,但过渡过程时间要短,余差要小。 ?过程控制系统设计的基本方法: 设计方法很多,主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。 ?过程控制系统统设计步骤: ●建立被控过程的数学模型 ●选择控制方案

●建立系统方框图 ●进行系统静态、动态特性分析计算 ●实验和仿真 ?过程控制系统设计的主要内容: ●控制方案的设计:核心,包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取 和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。 ●工程设计:包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、 信号及联锁保护系统设计等。 ●工程安装和仪表调校 ●调节器参数工程整定:保证系统运行在最佳状态。 第二节单回路控制系统方案设计 1.被控参数的选择 ?选取被控参数的一般原则为: ●选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作 用的,可直接测量的工艺参数为被控参数。 ●当不能用直接参数作为被控参数时,应该选择一个与直接参数有单值函数 关系的间接参数作为被控参数。 ●被控参数必须具有足够大的灵敏度。 ●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。 2.控制参数的选择 ?需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。 ?当工艺上允许有几种控制参数可供选择时,可根据被控过程扰动通道和控制通道特性,对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。 ?扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,力图使被控参数偏 离给定性 ?控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响,抵消扰动影响, 以使被控参数尽力维持在给定值。 ?在生产过程有几个控制参数可供选择时,一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强,动态响应要比扰动通道快。 ?可由过程静态特性的分析(扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o)、过程扰动通道动态特性的分析(时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置)、过程控制通道动态特性的分析(时间常数T o、时延τ(包括纯时延τ0、容量时延τc)、时间常数匹配)确定各参数选择原则。 ?根据过程特性选择控制参数的一般原则: ●控制通道参数选择:选择过程控制通道的放大系数K o要适当大一些,时间 常数T o要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好,在有纯时延τ0的情况下,τ0 与T o之比应小—些(小于1),若其比值过大,则不利于控制。 ●扰动通道参数选择:选择过程扰动通道的放大系数K f应尽可能小。时间常 数T f要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)。容量 时延τc愈大则有利于控制。 ●时间常数匹配:广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成,

ZN法整定PID参数

在实际应用中,我们尽量避免使用高深复杂的数学公式,希望能使经验法更多的发挥能力,这样既可以节省很多时间,也可以通过经验的传授使更多的工程师或工人可以掌握一种简单有效的方法来进行PID控制器的调节。 传统的PID经验调节大体分为以下几步: 1.关闭控制器的I和D元件,加大P元件,使产生振荡。 2.减小P,使系统找到临界振荡点。 3.加大I,使系统达到设定值。 4.重新上电,观察超调、振荡和稳定时间是否符合系统要求。 5.针对超调和振荡的情况适当增加微分项。 以上5个步骤可能是大家在调节PID控制器时的普遍步骤,但是在寻找合时的I和D参数时,并非易事。如果能够根据经典的Ziegler-Nichols(ZN法)公式来初步确定I和D元件的参数,会对我们的调试起到很大帮助。 John Ziegler和Nathaniel Nichols发明了著名的回路整定技术使得PID算法在所有应用在工业领域内的反馈控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技术是1942年第一次发表出来,直到现在还被广泛地应用着。 所谓的对PID回路的“整定”就是指调整控制器对实际值与设定值之间的误差产生的反作用的积极程度。如果正巧控制过程是相对缓慢的话,那么PID算法可以设置成只要有一个随机的干扰改变了过程变量或者一个操作改变了设定值时,就能采取快速和显著的动作。 相反地,如果控制过程对执行器是特别地灵敏而控制器是用来操作过程变量的话,那么PID算法必须在比较长的一段时间内应用更为保守的校正力。回路整定的本质就是确定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的帮助。 经过多年的发展,Ziegler-Nichols方法已经发展成为一种在参数设定中,处于经验和计算法之间的中间方法。这种方法可以为控制器确定非常精确的参数,在此之后也可进行微调。Ziegler-Nichols方法分为两步: 1.构建闭环控制回路,确定稳定极限。 2.根据公式计算控制器参数。 稳定极限是由P元件决定的。当出现稳态振荡时就达到了这个极限。产生了临界系数Kpcrit 和临界振荡周期Tcrit。

单回路控制系统原理样本

单回路控制系统原理 一、过程控制的特点 与其它自动控制系统相比, 过程控制的主要特点是: 1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表( 包括测量元件, 变送器、调节器和调节阀) 两部分组成。 如图1: 液位控制系统 Q2 K C: 调节器的静态放大系数 K V: 调节阀的静态放大系数 K0: 被控对象的静态放大系数

K m: 变送器的静态放大系数 2、被控对象的设备是已知的, 对象的型式很多, 它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的, 但一般具有惯性大, 滞后大, 而且多数具有非线性特性。 3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统; 有线性系统、有非线性系统、; 有模拟量控制系统、有数字量控制系统, 等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。 4、控制过程属慢过程, 多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。 5、在过程控制系统中, 其给定值是恒定的( 定值控制) , 或是已知时间的函数( 程序控制) 。控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。 工业生产要实现生产过程自动化, 首先必须熟悉生产过程, 掌握对象特点; 同时要熟悉过程参数的主要测量方法, 了解仪表性能、特点, 根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法, 合理正确地构建过程控制系统; 而且经过改变调节仪表的PID特性参数, 使系统运行在最佳状态。 过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。 二、单回路控制系统原理 如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。由于系统结构简单, 投资少, 易于调整、投运, 又

毕业设计_--单回路控制器的设计

单回路控制器的设计 学院:电子工程学院 年级:2012级 专业:自动化 姓名:、 学号:20125229 指导教师:

摘要 介绍了以89C51单片机实现的单回路智能控制器的设计思想,由于软件功能丰富,因此这可完成模拟仪表难以或无法完成的复杂调节功能,运算功能的显示功能,它可适用于工业过程中控制诸多领域。并且分析了51单片机与8255的连接方法,可以用它制成多路扩展的IO口控制器。该系统将单片机应用到单回路控制系统,实现一个比较简单的单回路PID控制。 。 关键词 单片机单回路智能控制器软件设计 IO扩展 PID控制

目录 摘要 (2) 第1章前言 (1) 1.1当前单片机系统的介绍及在单回路控制过程中的应用与前景错误!未定义书签 第2章单片机外部设备扩展 (2) 2.1单片机最小系统设计 (2) 2.1.1 单片机外部存储器的扩展 (2) 2.12 看门狗电路、复位电路的设计 (2) 2.2I/O接口的扩展 (3) 2.2.1.1 I/O扩展概述 (3) 2.2.2 89c51与可编程RAM/IO芯片8255的接口 (4) 2.3键盘的设计 (4) 2.4 LED显示器设计 (5) 2.5 数字量模拟量转换 (5) 2.5.1 信号采样及转换电路设计 (7) 2.6开关量的输入输设计 (8) 2.7 单片机串行口扩展设计。(MAX232与单片机接口设计) (10) 结论 (11) 参考文献 (12) 致谢 (12)

第1章前言 1.1单回路控制系统的介绍及单片机在单回路控制系统中的应用及前景 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器, VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据地址的低八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

1.1.1单回路控制系统

1.1.1单回路控制系统设计 第一节过程控制系统设计概述 ?单回路反馈控制系统---又称简单控制系统,是指由一个被控过程、一个 检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的.对一个被控变量进行控 制的单回路反馈闭环控制系统。 ?单回路反馈控制系统组成方框图: ?简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运,能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛,尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓,或者控制质量要求不太高的场合。 ?过程控制系统设计和应用的两个重要内容:控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。 ?过程控制系统设计的一般要求: ●过程控制系统是稳定的,且具有适当的稳定裕度。 ●系统应是一个衰减振荡过程,但过渡过程时间要短,余差要小。 ?过程控制系统设计的基本方法: 设计方法很多,主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。 ?过程控制系统统设计步骤: ●建立被控过程的数学模型 ●选择控制方案 ●建立系统方框图 ●进行系统静态、动态特性分析计算 ●实验和仿真 ?过程控制系统设计的主要内容: ●控制方案的设计:核心,包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取 和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。 ●工程设计:包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、 信号及联锁保护系统设计等。 ●工程安装和仪表调校 ●调节器参数工程整定:保证系统运行在最佳状态。

第二节单回路控制系统方案设计 1.被控参数的选择 ?选取被控参数的一般原则为: ●选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作 用的,可直接测量的工艺参数为被控参数。 ●当不能用直接参数作为被控参数时,应该选择一个与直接参数有单值函数 关系的间接参数作为被控参数。 ●被控参数必须具有足够大的灵敏度。 ●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。 2.控制参数的选择 ?需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。 ?当工艺上允许有几种控制参数可供选择时,可根据被控过程扰动通道和控制通道特性,对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。 ?扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响,力图使被控参数偏 离给定性 ?控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响,抵消扰动影响, 以使被控参数尽力维持在给定值。 ?在生产过程有几个控制参数可供选择时,一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强,动态响应要比扰动通道快。 ?可由过程静态特性的分析(扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o)、过程扰动通道动态特性的分析(时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置)、过程控制通道动态特性的分析(时间常数T o、时延τ(包括纯时延τ0、容量时延τc)、时间常数匹配)确定各参数选择原则。 ?根据过程特性选择控制参数的一般原则: ●控制通道参数选择:选择过程控制通道的放大系数K o要适当大一些,时间 常数T o要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好,在有纯时延τ0的情况下,τ0 与T o之比应小—些(小于1),若其比值过大,则不利于控制。 ●扰动通道参数选择:选择过程扰动通道的放大系数K f应尽可能小。时间常 数T f要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)。容量 时延τc愈大则有利于控制。 ●时间常数匹配:广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成, 在选择控制参数时,应尽量设法把几个时间常数错开,使其中一个时间常 数比其他时间常数大得多,同时注意减小第二、第三个时间常数。 ●注意工艺操作的合理性、经济性。 3.系统设计中的测量变送问题 ?被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况,为系统设计提供准确的控制依据。 ?测量和变送环节的描述:

单回路控制系统整定

单回路控制系统整定 一、实验目的 (1) 掌握动态建模的创建方法。 (2) 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。 (3) 了解调节器参数对控制品质的影响。 (4) .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法 二、实验仪器 计算机一台、MATLAB 软件 三、实验内容: 用SIMULINK 建立被控对象的传递函数为() 4 1 ()101G x s = +,系统输 入为单位阶跃,采用PID 控制器进行闭环调节。 ①练习模块、连线的操作,并将仿真时间定为300 秒,其余用缺省值; ②试用稳定边界法和衰减曲线法设置出合适的PID 参数,得出满意的响应曲线。 ③设计M 文件在一个窗口中绘制出系统输入和输出的曲线,并加图解。 四、实验原理 . PID (比例-积分-微分)控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。PID 算法简单实用,不要求受控对象的精确数学模

型。 .模拟PID 控制器 典型的PID 控制结构如图所示。 . PID 控制规律写成传递函数的形式为 s K s Ki K s T s T K s U s E s G d p d i p ++=++== )11()()()( 式中,P K 为比例系数;i K 为积分系数;d K 为微分系数;i p i K K T =为积 分时间常数;p d d K K T =为微分时间常数;简单来说,PID 控制各校正环节的作用如下: (1)比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生, 控制器立即产生控制作用,以减少偏差。 (2)积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用 的强弱取决于积分时间常数i T ,i T 越大,积分作用越弱,反之则越强。 (3)微分环节:反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差 信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。 五、实验步骤

单回路控制系统详解

一、单回路控制系统 1. 画出图示系统的方框图: 2. 一个简单控制系统总的开环增益(放大系数)应是正值还是负值?仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系?为什么? 3. 试确定习题1中控制器的正反作用。若加热变成冷却,且控制阀由气开变为气关,控制器的正反作用是否需要 4. 什么是对象的控制通道和扰动通道?若它们可用一阶加时滞环节来近似,试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。 5. 已知广义对象的传递函数为1) S (T e K P S τP P +-,若P P T τ的比值一定时,T P 大小对控制质量有什么影响?为什么? 6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后,对控制质量有什么影响?举例说明。 7. 试述控制阀流量特性的选择原则,并举例加以说明。 8. 对图示控制系统采用线性控制阀。当负荷G 增加后,系统的响应趋于 非周期函数,而G 减少时,系统响应震 9. 一个简单控制系统中,控制阀口 径变化后,对系统质量有何影响? 10. 已知蒸汽加热器如图所示,该系 统热量平衡式为:G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ 为蒸汽的冷凝潜热)。 (1)主要扰动为θi 时,选择控制阀的流量特性。 (2)主要扰动为G 1时,量特性。 (3特性。 11.

作用后,对系统质量有什么影响?为了保持同样的衰减比,比例度δ要增加,为什么? 12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程;画出它们的阶跃响应,并简述它们的应用场合。 13. 什么叫积分饱和?产生积分饱和的条件是什么? 14. 采用响应曲线法整定控制器参数,选用单比例控制时,δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ,δ∝τP /T P ,为什么?而选择比例积分控制时,δ=1.44K P τP /T P ×100%,即比例度增加,为什么? 15. 采用临界比例度法整定控制器参数,在单比例控制时,δ=2δK (临界比例度),为什么? 16. 在一个简单控制系统中,若对象的传递函数为 ) 1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ,进行控制器参数整定时,应注意什么? 17. 已知广义对象的传递函数为1) S (T e K P S τP P +-,采用比例控制,当系统达到稳定边缘时,K C =K CK ,临界周期为T K 。问: (1)T K /τP 在什么数值范围内(即上、下界),τP /T P 增加时,这一比值是上升还是下降? (2)K CK 在什么数值范围内(即上、下界),τP /T P 增加时,K CK 是上升还是下降? 18. 一个过程控制系统的对象有较大的容量滞后,而另一系统由于测量点位置造成纯滞后。若对两个系统均采用微分控制,试问效果如何? 19. 某一温度控制系统,采用4:1衰减曲线法进行整定,测得系统的衰减比例度 δs=25%,衰减振荡周期Ts=10min ,当控制器采用P 和PI 控制作用时,试求其整定参数值。 20. 有一个过程控制系统(采用DDZ-Ⅲ型仪表),当广义对象的输入电流(即控制器的输出电流)为14mA 时,其被控温度的测量值为70℃。当输入电流突然从14mA 增至15mA ,并待被控温度达到稳定时,其测量值为74℃。设测温仪表的量程为50-100℃。同时由实验测得广义对象的时间常数T P =3min ,滞后时间τP =1.2min ,试求衰减比为4:1时PI 控制器的整定参数值。 21. 某一个过程控制系统,利用临界比例度法进行控制器的参数整定。当比例度为12%时,系统出现等幅振荡,其临界振荡周期为180s ,试求采用PID 控制器时的整定参数值。 22. 已知控制系统方块图如下: 求:(1)X 作单位跃阶变化时,随动控制系统的余差。

HoneywellDCS控制回路PID参数整定方法

Honeywell DCS 控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低,大部分的回路都是手动操作,这样不但增加了操作员的工作量,而且对产品质量也有一定的影响,特编制了此PID参数整定方法。 一、修改PID参数必须有“SUPPERVISOR”及以上权限权限,用键盘钥匙可以切换权限,钥匙已送交一联合主任胜手中; 二、打开要修改的控制回路细目画面,翻到下图所示的页面,修改PID控制回路整定的三个参数K,T1,T2; 三、PID参数代表的含义 K:比例增益(放大倍数),围为0.0~240.0; T1:积分时间,围为0.0~1440.0,单位为分钟,0.0代表没有积分作用; T2:微分时间,围为0.0~1440.0,单位为分钟,0.0代表没有微分作用。 四、PID参数的作用 (1)比例调节的特点:1、调节作用快,系统一出现偏差,调节器立即将偏差放大K倍输出; 2、系统存在余差。 K越小,过渡过程越平稳,但余差越大;K增大,余差将减小,但是不能完

全消除余差,只能起到粗调作用,但是K过大,过渡过程易振荡,K太大时,就可能出现发散振荡。 (2)积分调节的特点:积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比,积分作用能消除余差,但降低了系统的稳定性,T1由大变小时,积分作用由弱到强,消除余差的能力由弱到强,只有消除偏差,输出才停止变化。 (3)微分调节的特点:微分调节的输出是与被调量的变化率成正比,在引入微分作用后能全面提高控制质量,但是微分作用太强,会引起控制阀时而全开时而全关,因此不能把T2取的太大,当T2由小到大变化时,微分作用由弱到强,对容量滞后有明显的作用,但是对纯滞后没有效果。 五、如果要知道控制回路的作用方式,可以进入控制回路的细目画面,进入下图所示页面: 其中“CTLACTN”代表控制器作用方式,“REVERSE”表示反作用,“DIRECT”代表正作用。 六、控制器的选择方法 (1)P控制器的选择:它适用于控制通道滞后较小,负荷变化不大,允许被控量在一定围变化的系统; (2)PI控制器的选择:它适用于滞后较小,负荷变化不大,被控量不允许有余差的控制系统;

单回路控制系统参数整定

课程设计报告 ( 2015-- 2016年度第2学期) 名称:过程控制系统 题目:单回路控制系统参数整定院系: 班级: 学号: 学生姓名: 指导教师: 设计周数:第十七周 成绩: 日期:2016年6月23日

《过程控制系统》课程设计 任务书 一、目的与要求 1.掌握单回路控制系统整定方法; 2.掌握PID参数对控制品质影响规律; 3.运用相应软件开发单回路控制系统整定程序。 二、主要内容 1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法; 2.开发单回路控制系统PID参数整定程序; 3.寻找不同PID参数对控制品质影响规律。 三、进度计划 四、设计成果要求 1.阐明基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法的基本原理; 2.完整的、可运行的单回路控制系统PID参数整定程序; 3.验证整定的PID参数下的控制效果,给出控制曲线图,同时给出其它PID参数下的控制曲线图,总结不同PID参数对控制品质影响规律。 五、考核方式 1.设计报告; 2.设计答辩。

二、设计(实验)正文 1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法; 1)经验法 内容: 经验法实际是一种试凑法,是在生产实践中总结出来的参数整定法,该法在现场中得到了广泛的应用。利用经验法对系统的参数进行整定时,首先根据经验设置一组调节器参数,然后将系统投入闭环运行,待系统稳定后作阶跃扰动试验,观察调节过程;若调节过程不满足要求,则修改调节器参数,再作阶跃扰动试验,观察调节过程;反复上述试验,直到调节过程满意为止。 实验步骤: (1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大,微分时间Td置最小,根据经验设置比例带δ的数值,完成后将系统投入闭环运行,待系统稳定后作阶跃扰动试验,观察调节过程,若过渡过程有希望的衰减率则可,否则改变比例带δ的值,重复上述试验,直到满意为止; (2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值,由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降,因而应将比例带适当增大,一般为纯比例作用的1.2倍。系统投入闭环运行,待系统稳定后,作阶跃扰动试验,观察调节过程,若过渡过程有希望的衰减率则可,否则改变积分时间Ti的值,重复上述试验,直到满意为止; (3) 将调节器的微分时间由小到大调整到某一数值,系统投入闭环运行,待系统稳定后,作阶跃扰动试验,观察调节过程,修改微分时间重复试验,直到满意为止; 2)临界比例带法 内容: 临界比例带法又称边界稳定法,首先将调节器设置成纯比例调节器,然后系统闭环投入运行,将比例带由大到小改变,观察系统输出,直到系统产生等幅振荡为止。记下此状态下的比例带数值(即为临界比例带δk)和振荡周期Tk,然后根据经验公式计算调节器的其它参数。 实验步骤: (1) 将调节器的积分时间Ti置于最大,微分时间Td置最小,即Ti→∞,Td=0;置比例带δ为一个较大的值; (2) 系统闭环投入运行,待系统稳定后调整比例带δ的数值直到出现等幅振荡。记录并计算临界状态下临界比例带δcr和振荡周期Tcr,根据表2-1计算调节器的参数; (3)根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。 (4) 将调节器按计算出的参数设置好,系统闭环投入运行,待系统稳定后作阶跃扰动试验,观察系统的调节过程,适当修改参数,直到满意为止。

Honeywell_DCS_控制回路PID参数整定方法

Honeywell PKS系统控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低,大部分的回路都是手动操作,这样不但增加了操作员的工作量,而且对产品质量也有一定的影响,特编制了此PID参数整定方法。 修改PID参数必须有“SUPV(班长)”及以上权限权限,具体权限设置切换方法如下; 一、打开要修改的控制回路细目画面,翻到下图所示的页面(Loop Tune),修改PID控制回路整定的三个参数K,T1,T2;

二、PID参数代表的含义 Control Action:控制器的作用方式,正作用(DIRECT),反作用(REVERSE); Overal Gain(K):比例增益(放大倍数),范围为0.0~240.0; T1:积分时间,范围为0.0~1440.0,单位为分钟,0.0代表没有积分作用; T2:微分时间,范围为0.0~1440.0,单位为分钟,0.0代表没有微分作用。 三、PID参数的作用 (1)比例调节的特点:1、调节作用快,系统一出现偏差,调节器立即将偏差放大K倍输出; 2、系统存在余差。 K越小,过渡过程越平稳,但余差越大;K增大,余差将减小,但是不能完全消除余差,只能起到粗调作用,但是K过大,过渡过程易振荡,K太大时,就可能出现发散振荡。 (2)积分调节的特点:积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比,积分作用能消除余差,但降低了系统的稳定性,T1由大变小时,积分作用由弱到强,消除余差的能力由弱到强,只有消除偏差,输出才停止变化。 (3)微分调节的特点:微分调节的输出是与被调量的变化率成正比,在引入微分作用后能全面提高控制质量,但是微分作用太强,会引起控制阀时而全开时而全关,因此不能把T2取的太大,当T2由小到大变化时,微分作用由弱到强,对容量滞后有明显的作用,但是对纯滞后没有效果。 四、控制器的选择方法 (1)P控制器的选择:它适用于控制通道滞后较小,负荷变化不大,允许被控量在一定范围内变化的系统; (2)PI控制器的选择:它适用于滞后较小,负荷变化不大,被控量不允许有余差的控制系统; (3)PID控制器的选择:它适用于负荷变化大,容量滞后较大,控制质量要求又很高的控制系统,比如温度控制系统。 五、PID参数整定的方法

单回路控制系统原理

单回路控制系统原理 过程控制的特点一、与其它自动控制系统相比,过程控制的主要特点是: 1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表(包括测量元件,变送器、调节器和调节阀)两部分组成。 如图1:液位控制系统 H Q1 Q2

(t) z(t) 测量变 :调节器的静态放大系数 :调节阀的静态放大系数 1 / 13 K:被控对象的静态放大系数0:变送器的静态放大系数 2、被控对象的设备是已知的,对象的型式很多,它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的,但一般具有惯性大,滞后大,而且多数具有非线性特性。 3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统;有线性系统、有非线性系统、;有模拟量控制系统、有数字量控制系统,等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。 4、控制过程属慢过程,多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、等进行控制。

5、在过程控制系统中,其给定值是恒定的(定值控制),或是已知时间的函数(程序控制)。控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。 工业生产要实现生产过程自动化,首先必须熟悉生产过程,掌握对象特点;同时要熟悉过程参数的主要测量方法,了解仪表性能、特点,根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法,合理正确地构建过程控制系统;并且通过改变调节仪表的特性参数,使系统运行在最佳状态。 过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环 节的特性和系统的结构所决定的。 单回路控制系统原理二、 如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调2 / 13 节阀等环节组成。由于系统结构简单,投资少,易于调整、投运,又能满足一般生产过程的控制要求,所以应用十分广泛。 单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计,控制方案的设计和调节器整定参数值的确定,是系统设计中的两个重要内容。如果控制方案设计不正确,仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的;反之,如果控制方案设计很好,但是调节器参数整定不合适,也不能使系统运行在最佳状态。 选择被控参数1、对于一个生产过程来说,影响正常操作的因素是很多的,但是,并非对所有影响因素都需要加以控制。

什么是PID控制及原理

在一些系统中,需要进行PID控制,如一些板卡采集系统,甚至在一些DCS和PLC的系统中有时要扩充系统的PID控制回路,而由于系统硬件和回路的限制需要在计算机上增加PID控制回路。在紫金桥系统中,实时数据库提供了PID控制点可以满足PID控制的需要。 进入到实时数据库组态,新建点时选择PID控制点。紫金桥提供的PID控制可以提供理想微分、微分先行、实际微分等多种控制方式。 进行PID控制时,可以把PID的PV连接在实际的测量值上,OP连接在PID实际的输出值上。这样,在实时数据库运行时,就可以自动对其进行PID控制。 PID参数的调整: 在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法,但是在实际的应用中,更多的是通过凑试法来确定PID的参数。 增大比例系数P一般将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。 增大积分时间I有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间D有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。

在凑试时,可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。 首先整定比例部分。将比例参数由小变大,并观察相应的系统响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内,并且对响应曲线已经满意,则只需要比例调节器即可。 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值,然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8),然后减小积分时间,使得系统在保持良好动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间,以期得到满意的控制过程和整定参数。 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能 得到满意的结果,则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0,在上述基础上逐渐增加微分时间,同时相应的改变比例系数和积分时间,逐步凑试,直至得到满意的调节效果。 PID控制回路的运行: 在PID控制回路投入运行时,首先可以把它设置在手动状态下,这时设定值会自动跟踪测量值,当系统达到一个相对稳定的状态后,再把它切换到自动状态下,这样可以避免系统频繁动作而导致系统不稳定。 复杂回路的控制:

单回路控制系统原理

单回路控制系统原理 一、 过程控制的特点 与其它自动控制系统相比,过程控制的主要特点是: 1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表(包括测量元件,变送器、调节器和调节阀)两部分组成。 如图1:液位控制系统 Q2 t ) z (t ) :调节器的静态放大系数 :调节阀的静态放大系数

K0:被控对象的静态放大系数 :变送器的静态放大系数 2、被控对象的设备是已知的,对象的型式很多,它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的,但一般具有惯性大,滞后大,而且多数具有非线性特性。 3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统;有线性系统、有非线性系统、;有模拟量控制系统、有数字量控制系统,等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。 4、控制过程属慢过程,多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、等进行控制。 5、在过程控制系统中,其给定值是恒定的(定值控制),或是已知时间的函数(程序控制)。控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。 工业生产要实现生产过程自动化,首先必须熟悉生产过程,掌握对象特点;同时要熟悉过程参数的主要测量方法,了解仪表性能、特点,根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法,合理正确地构建过程控制系统;并且通过改变调节仪表的特性参数,使系统运行在最佳状态。 过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。 二、单回路控制系统原理 如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调

节阀等环节组成。由于系统结构简单,投资少,易于调整、投运,又能满足一般生产过程的控制要求,所以应用十分广泛。 单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计,控制方案的设计和调节器整定参数值的确定,是系统设计中的两个重要内容。如果控制方案设计不正确,仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的;反之,如果控制方案设计很好,但是调节器参数整定不合适,也不能使系统运行在最佳状态。 1、选择被控参数 对于一个生产过程来说,影响正常操作的因素是很多的,但是,并非对所有影响因素都需要加以控制。 选择被控参数的一般原则为: [1]、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。 [2]、当不能用直接参数(如测量滞后过大)作为被控参数时,应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。 [3]、被控参数必须具有足够大的灵敏度。 [4]、被控参数的选取,必须考虑工艺过程的合理性和所采用仪表的性能。 2、选择控制参数 若生产工艺有几种控制参数可供选择,一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强,动态响应应比扰动通道快。 控制通道:是指调节作用与被控参数之间的信号联系。即P(t)

基于单回路PID控制器的参数整定

基于单回路PID控制器的参数整定 摘要:本文针对PID控制器的参数整定进行了概略介绍,对某个单回路控制系统中被控对象模型,通过MATLAB创建了动态对象模型,然后将PID控制器的参数整定方法用于该被控对象,得到了基于该单回路控制系统的PID参数。 关键词:PID控制器参数整定动态模型单回路控制

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小[1]。PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,且方法简单、易于掌握,工程实际中被广泛采用[2]。 PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、响应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下: (1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作; (2) 仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期; (3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

1.1 创建动态对象模型 1.1.1 启动计算机,运行MATLAB应用程序。 1.1.2 在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。 1.1.3 在Simulink库浏览窗口中,单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令File→New→Model,打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。 1.1.4 用鼠标双击信号源模块库(Source)图标,打开信号源模块库,将光标移动到阶跃信号模块(Step)的图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库(Simulink Extra)图标,打开A点到Liner 模块库,将光标移到PID Controller图标上,按住鼠标左键,将其拖放到空白模块编辑窗口中。 1.1.5 用同样的方法从连续系统模块库(Continuous)、接受模块库(Sinks)和数学运算模块库(Math Operations)中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块(Sum)拖放到空白模型编辑窗口中。 1.1.6 用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口,完成模块间的连接,如图1,图2。 图1 图2

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