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)的特點和設計，并分析了基于MATLAB的增量式PID算法應用在其中的應用，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)的相關特點和設計分析

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)還能很好地適應操作條件和負荷的變化。

主回路和主參數(shù)的設計選擇。在某些條件下，最直接有效的質量指標也可被選為主參數(shù)，不然在選擇主參數(shù)時相關人員還可以選擇一個與產品質量有單值函數(shù)關系的參數(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)的設計與選定。較強的抑制擾動能力和較快的調節(jié)速度是串級控制系統(tǒng)副回路具備的主要優(yōu)勢，所以相關人員可以把盡可能多的一些擾動干擾放在副回路的設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，由上方的進料管液料流進貯槽S1，然后再經過管道液料又流進貯槽S2，這時液料的流出受到變頻調速器的控制，如果此變頻調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中構成，在當前的工藝生產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構式可列為： =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，當控制系統(tǒng)運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)與設定值的對此，之后相關數(shù)據(jù)值就會被送入PID模塊進行計算，并實現(xiàn)輸出頻率的自動更改，以對液料流量和電機的轉速實現(xiàn)調整，從而使貯槽液位實現(xiàn)穩(wěn)定，和貯槽S1、S2分別對應的液位傳感器1和2將對其對應的貯槽信號的檢測結果在A /D轉換的作用下傳送到計算機，然后分別與兩個PID調節(jié)器設定值對比，并實現(xiàn)對其差別進行判斷和計算。

MATLAB的兩個PID算法程序被上位機所調用 ，PID1的輸入信號就是貯槽S2液料位信號與事先的系統(tǒng)設定值對比得到的偏差；然后該偏差會在PID1中實現(xiàn)運算并將信號輸出，然后就將其作為貯槽S1的系統(tǒng)設定值，然后將貯槽S1液料位信號與該設定值進行對比，再將此偏差輸入PID2進行運算，然后利用D/A轉換應用于運算結果，從而使電機的輸出頻率被改變，實現(xiàn)了對水泵轉速的調整，從而使控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對貯槽S1控制，進而也控制了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用的工程整定方法。具體如下，首先應選一適當?shù)母闭{節(jié)器，對其設置要根據(jù)純比例控制規(guī)律并放大倍數(shù)KC2，在主調節(jié)器的設置中也應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單回路整定方法使主調節(jié)器參數(shù)實現(xiàn)調整，并在施行干擾的情況下，觀察相關的運行狀況，并在KC1和KC2相互匹配原理的支持下實現(xiàn)對調節(jié)器參數(shù)的改進，經過對系統(tǒng)的多次調試，當液位在貯槽S2中實現(xiàn)快速穩(wěn)定于設定值時，反饋值也與設定值相同，當液位穩(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該對此進一步實施調節(jié)，而保證擾動影響的消除，使液位處在設定值上。

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)進行整定如下：副調節(jié)器的放大倍數(shù)KC2設定為2，然使將積分系數(shù)Ki2被設定為1000，之后對主調節(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：