1、过程控制系统中的建模与过程控制系统中的建模与PID算法算法南京理工大学南京理工大学 自动化自动化王海梅王海梅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、过程控制系统概述液位控液位控制系统制系统温度控温度控制系统制系统被控对象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调节器运用一定的控制算法计算出控制量执行器执行器控制流入或流出被控过程的物料或能量2、响应曲线建模方法在被控对象上人为地加入非周期信号，测量其在被控对象上人为地加入非周期信号，测量其响
2、应曲线，然后再根据响应曲线，计算出被控对象的响应曲线，然后再根据响应曲线，计算出被控对象的传递函数。传递函数。1)(000STKSW)1)(1()(2100STSTKSWseSTKSW1)(000seSTSTKSW)1)(1()(2100 无滞后一阶惯性环节的参数确定00)0()(xyyK1)(000STKSW 一阶纯滞后惯性环节的参数确定SeSTKSW1)(000SeSTKSW1)(000时当那么)(1)(0txtr)(tyt0texKTt)1(000的两个表达式：和数入上式，得到含有未知将曲线上两点的值带T)1()(01001TtexKty)1()(02002TtexKty)(393.0)
3、(1yty)(2120ttT212tt)(632.0)(2yty，代入前式得：、得到对应的21tttty)(tty)()(ty01 二阶环节的参数确定)1)(1()(2100STSTKSW)1()(2112212100TtTteTTTeTTTxKty上述模型的阶跃响应：2T1T1T2Ttty)()(4.0(1yt，)(8.0(2yt，1t2t)(16.212121ttTT)55.074.1()(2122121ttTTTT21TT、Se3、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：建模对象：2号水箱输入量：输入量：进水阀门的开度，输出量：输出量：
4、水箱液位高度 步骤：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）sessG2415890711.)(4.2 s19 /17 双容水箱对象的建模 建模对象：建模对象：4 号、2号水箱（4号水箱在上）输入量：输入量：进水阀门的开度，输出量：输出量：2号水箱液位高度 步骤：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）16sst8911681071.
5、st225162412sesssG161329131170981.)(20 /17 温度对象的建模 建模对象：建模对象：5号水箱输入量：输入量：电加热管控制量，输出量：输出量：5号水箱出口温度 步骤：步骤：打开电加热管，将温度控制器输出定为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温度对象的矩形脉冲法建模 步骤：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：
6、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）050100150200250300020406080X:99Y:70.01温度控制器输出(%)X:39Y:70.0105010015020025030030354045X:254Y:33.47加热水箱出口温()时 间(*10s)X:101Y:36.89X:41Y:30.94(B)原 脉 冲 响 应 曲 线 与 还 原 阶 跃 响 应 曲 线(A)原 输 入 矩 形 脉 冲 曲 线sTesssG20410933317108307
7、10).()(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，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：050100150200250300051015时 间(*10s)加热水箱出口温度()辨 识 曲 线原 还 原 曲 线 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：sTesW170513870520.sTesW240614910640.中sTesW400616140500.尾0500100015002000250028293031323334354、
8、PID调节器将被控变量的测量值与给定值进行比较，得到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、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。执行器，进而实现对被控变量的自动控制。比例比例 P P：proportional积分积分 I I：integration微分微分 D D：derivativecKSESU）（）（比例调节器eeKuc1比例度比例系数ck 比例积分调节器）（）（）（）（STSTKSESUIIc11111tit
9、iccedtTeedtTKeKu0011积分时间常数IT 比例微分调节器）（）（）（）（STSTKSESUDDc111DT 微分时间常数dtdeTedtdeTKeKuDDcc15、PID算法仿真分析（实例）120020)(ssG系统中各组成单元的模型如下：系统中各组成单元的模型如下：控制电压：010V 对应 0100%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：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 040cm 输出 05V执行阀：)1()()()()(0kekeTTieTTkeKkukiSDIScPDekePIDeke00)(0)(1当当)(0ef或maxx)(ku)(ku)1 10 2.1(DipTTk，)(ku计算)()1()(kukukumax)(uku如果max)(uku则0)(ku如果0)(ku则反向积反向积分饱和分饱和设定值%70
