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1、毕业论文（设计）题 目： 液位系统的控制器设计 系部名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 201 年 月 日摘 要液位是工业过程生产中经常遇到的控制对象之一，对所需的液位控制对象进行精确的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。 近年来，随着控制理论的深入研究，出现了许多新的控制算法。但是，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。根据液位系统的特点，设计合适的PID控制器对其进行液位控制，不仅成本低，而且控制效果很好，具有较高的实用价值。 本文通过实验的方法，确立的被控对象的
2、数学模型。并采用多种方法确定被控对象的传递函数。主要完成了以下工作：首先，通过实验测试法对水箱进行数学建模，并用MATLAB进行仿真，验证其数学模型的正确性。接着，分析对比作图法和计算法分别得出的数学模型，通过仿真比较，确立最接近的数学模型。然后对PID控制器的参数进行整定。采用基于ZieglerNichols法,C-C工程法，稳定边界法对液位系统进行PID控制器参数的整定，并用MATLAB进行仿真。分析对比了几种方法的性能。关键字：液位系统，PID控制器，参数整定，MATLAB仿真Parameters Design of Liquid Level ControllerAbstract The
3、 liquid level is one of the control objects which is often encountered in industrial production process. Giving the precise level control to the control objects, is related to the quality of the product, and is a guarantee of production and the important problem of safety. Thus, the liquid level con
4、trol has important practical significance and broad application prospect. In recent years, with the in-depth research of the control theory , appeared a lot of new control algorithm. However, with PID as the principle of various controller is an indispensable basic process control control unit. Acco
5、rding to the liquid level system characteristic, to design the appropriate PID controller for the liquid level control, not only the cost is low, but also has the good control effect and high practical value. In this paper, through the experimental method, established the mathematics model of the co
6、ntrolled object, and use a variety of methods to determine the transfer function of the controlled object. Mainly completed the following work: firstly, the mechanism of model analysis method. Through the experimental test on the tank for mathematical modeling, and using MATLAB simulation, verified
7、the correctness of the mathematical model. Then, analysis and comparison of drawing and calculating method were derived by mathematical model, by simulation and comparison, the closest mathematical model establishment. Then the parameters of PID controller tuning. Ziegler based on the Nichols method
8、, C-C engineering method, the stability boundary method for liquid level system PID controller parameter tuning, and using MATLAB simulation. Analysis and comparison of several methods for the performance.Keywords:Level system PID controller Parameter setting MATLAB simulation目 录1 绪论11.1 引言11.2 研究的意
9、义和目的11.3 PID控制算法的研究现状21.4 MATLAB简介32 液位控制系统的原理42.1 人工控制与自动控制42.2 水箱液位控制系统的原理框图53 被控对象的数学模型63.1 基本知识63.1.1 被控过程传递函数的一般形式63.1.2 建立过程数学模型的方法73.2 基于MATLAB的数字仿真123.2.1 利用MATLAB根据作图法建立一阶系统数学模型123.2.2 利用MATLAB根据计算法建立一阶系统数学模型154 控制系统参数的整定及MATLAB的数字仿真184.1 基本知识184.1.1 简单控制系统的设计184.1.2 简单控制系统的参数整定204.2 基于MATL
10、AB的数字仿真264.2.1 C-C工程整定法对PID参数整定264.2.2 Z-N工程整定法对PID参数整定314.2.3 根据稳定边界法对PID参数整定335 系统调试、性能分析385.1 系统数学模型的确立385.2 几种参数整定方法性能分析39结 论41致 谢42参考文献431 绪论1.1 引言液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，他在工业中的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行液位控制，使液位高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对炉窑的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使
11、其达到所要求的控制精度。在本文中，以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控制量。为了改善其调节过程的动态性能，我们采用串级控制，其副回路可以很快的消除作用于内回路的扰动。本文主要研究P控制，PI控制，PID控制。论述了PID控制器的设计和实现。并将PID控制器在MATLAB软件中进行了仿真实验。本文所设计出的PID控制器在液位控制系统中，当液位控制系统的模型参数变化时，系统能具有良好的控制效果。1.2 研究的意义和目的 自动控制理论经理了经典控制理论，现代控制理论两个发展阶段，现在已经进入了非线性智能控制理论发展时期。从控制理论解决的问题而论，很多重大的，根本的问题，如可控性，可观测性
12、，稳定性等系统的基本性质，控制系统的综合方法等在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其他领域的需要。但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度，响应速度，系统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。特别是本世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了新的一段历程。控制理论的迅速发展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，PID控制算法在世界范围内90%以上的工业过程中被采用，PID控制技术已经得
13、到了很好的发展，研究者提出了许多控制系统设计和参数整定方法。这是因为PID控制具有结构简单，容易实现，控制效果好等特点，且PID算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完善，为广大控制工程师所熟悉。 大多数的工业生产过程是非线性的，因此，PID控制器的参数与系统所处的稳定工作情况有关。显然，工作情况改变时，调节器参数的最佳值就不同。此外，大多数的工业生产过程的特性随时间变化，而PID参数是根据过程参数来整定的。一般来说，过程特性的变化过大将导致控制性能的恶化，就是说，需要实时地对PID控制器的参数进行整定。传统的PID控制器参数是采用试验加试凑的方法由人工整定。这种整定工作不仅需要熟练的技
14、巧，而且往往还相当费时。更为重要的是，当被控对象特性发生变化，需要PID控制器参数作相应调整时，PID控制器没有这种自适应能力，只能依靠人工重新整定参数。由于生产过程的连续性以及参数整定所需要的时间，这种重新整定实际很难进行，甚至几乎是不可能的。 1.3 PID控制算法的研究现状PID控制中最重要的的是其对参数的控制，所以当今国内外PID控制技术的研究主要是围绕如何对其参数正定进行的。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法。按照被控对象个数来划分，可分为
15、单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法。前者包括了现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点。按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略。有许多不同的方法以确定合适的控制器参数。有些方法区分于复杂性，灵活性及使用的过程知识量。一个好的整定方法应该基于合理的考虑一下特性的折衷，负载干扰衰减，测量噪声效果，过程变化的鲁棒性，设定值变化的响应，所需模型，计算要求等。我们需要简单，直观，易用的方法，它们需要较少的信
16、息，并能够给出合适的性能。我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量，但能给出较好性能的复杂的方法。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和时间的重点。1 对于单输入单输出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化，抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。2 对于多单输入单输出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。3 智能PID控制技术有待进一步
17、研究，将自适应，自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能，结合专家经验知识，直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进。将预测控制，模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。1.4 MATLAB简介 Matrix Laboratory(缩写为MATLAB)软件包，是一种功能强，效率高，便于进行科学和工程计算的互交式软件包。其中包括，一般数值分析，矩阵运算，数字信号处理，建模和系统控制和优化等应用程序，并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的MATLAB语言表达形式和其数学表达形
18、式相同，不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算，同时，在控制界，图像信号处理，生物医学工程等领域得到广泛的应用。本论文设计中PID参数的整定用到的是MATLAB中的SIMULINK，它是一个强大的软件包，在液位系统仿真中只需要做数学模型的推导工作。用SIMULINK对设计好的系统进行仿真，可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供参考。其仿真结果是否可用，取决于数学模型正确与否，因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确。2 液位控制系统的原理2.1 人工控制与自动控制下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况
19、控制净水量。手工控制的过程主要分为三步：1用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑2大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小与方向，然后根据操作经验发出控制命令3根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀的开度，使水箱液位保持在工艺要求的高度上在整个手工控制过程中，操作人员的眼，脑，收，三个器官，分别负担了检测，判断和运算，执行三个作用，来完成测量，求偏差，在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位恒定。 图2-1 水箱液位控制系统示意图如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制示意图中，当系统受到干扰作用后，被控变量发
20、生变化，通过检测变松仪表得到其测量值。控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号。控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量以克服扰动的影响，使被控对象回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工业设备组成了一个没有人直接参与的自动控制系统。2.2 水箱液位控制系统的原理框图本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单的控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指有一个被控对象，一个检测变松单元一个控制器和一个执行器所组成的单闭环负反馈控制系统，也成为单回路控制系统。简单控制系统有着
21、共同的特征，他们均有四个基本环节组成，即被控对象，测量变送装置，控制器和执行器。对不同对象的简单控制系统尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：图2-2 液位控制系统原理框图 这是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。本系统所要保持的恒定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，采用工业智能仪表控制。3 被控对象的数学模型3.1 基本知识 对被控对象数学模型的要求随其用途不同而不同。总的说来是简
22、单且准确可靠。但这并不意味着越准确越好，应根据实际应用情况提出适当的要求。在线运用的数学模型还有实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。3.1.1 被控过程传递函数的一般形式 根据被控过程动态特性的特点，典型工业过程控制所涉及及被控对象的传递函数一般具有下述几种形式1一阶惯性加纯迟延2 二阶惯性环节加纯迟延3 N阶惯性环节加纯迟延上述3个公式只适用于自衡过程。对于非自衡过程，其传递函数应包含有一个积分环节，即3.1.2 建立过程数学模型的方法建立过程数学模型的基本方法有两个：1 机理法2 测试法机理法是根据对现实对象特性的认识，分析其因果关系，找出反映内部机理的规律。机理分析法立足于揭示事物
23、内在规律。用测试法建模一般比用机理法要简单和省力，尤其是对于那些复杂的工业过程更为明显。如果机理法和测试法两者都达到同样的目的，一般采用测试法建模。本文用的是直接将阶跃信号作为输入，前者是不适合用阶跃信号作为输入时采用的方法。时域测试法原理如图3-1所示。图3-1 测试过程响应曲线的原理图1 输入信号选择及试验注意事项对象的阶跃响应曲线比较直观地反应对象的动态特性，由于它是直接来自原始的记录曲线，无需转换，试验也是比较简单，且从响应曲线中也易于直接求出其对应的传递函数，因此阶跃输入信号是时域法首选的输入信号。但有时生产现场运行条件受到限制，不允许被控对象的被控参数有较大幅度变化，或无法测出一条
24、完整的阶跃响应曲线，则可改用矩形脉冲作为输入信号，得到脉冲响应后，再将其转化成一条阶跃响应曲线。为了得到可靠的测试结果，应注意以下事项：（1 ）合理选择阶跃扰动信号的幅度。过小的阶跃扰动幅度不能保证测试结果的可靠性，而过大的扰动幅度则会使正常生产受到严重干扰甚至危及生产安全。（2 ）试验开始前确保被控对象出于某一选定的稳定工作状态。试验期间应设法避免发生偶然性的其他干扰。（3 ）考虑到实际被控对象的非线性，应选取不同负荷，在被控变量的不同设定值下，进行多次测试。即使在同一负荷和被控对象的同一设定值下，也要在正向和反向扰动下重复测试，以求全面掌握对象的动态特性。2 阶跃相应的获取测取阶跃响应的原
25、理很简单，但在实际工业过程中进行这种测试会遇到很多实际问题，例如不能因测试是正常生产受到严重干扰，还要尽量设法减少其他随机扰动的影响以及系统中非线性因素的考虑等。为了能够施加比较打的扰动幅度而又不至于严重干扰正常生产，可以用矩形脉冲输入代替通常的阶跃输入，即大幅度的阶跃扰动施加一小段时间后立即将它切除。这样得到的矩形脉冲响应当然不同于正规的阶跃响应，但两者之间有密切的关系，可以利用矩形脉冲响应求取所需的阶跃响应，如图3-2所示。矩形脉冲响应的测试及曲线转换方法如下：首先在对象上加一阶跃扰动，待被控参数继续上升到将要超过允许变化范围时，立即去掉扰动，即将调节阀恢复到原来的位置上，这就变成了矩形脉
26、冲扰动形式，如图3-2所示。图3-2 由矩形脉冲响应确定阶跃响应从图3-2中可看出，矩形脉冲输入u(t)可视为两个阶跃扰动u1(t)和u2(t)的叠加，它们的幅度相等但方向相反且开始作用的时间不同，即 u(t)=u1(t)+u2(t)其中，u2(t)=-u1(t-t)。而阶跃扰动u1(t)和u2(t)，所产生的阶跃响应分别为y1(t)和y2(t)，且y2(t)=y1(t-t)则矩形脉冲响应y(t)就是两个阶跃响应y1(t)和y2(t)之和，即y(t)=y1(t)+y2(t)=y1(t)-y1(t-t) (3-6)所需的阶跃响应为 y1(t)=y(t)+y1(t-t) (3-7)根据上式可以用逐
27、段递推的作图法可得阶跃响应y1(t)。如图3-2所示3 由阶跃响应确定近似传递函数由阶跃响应曲线确定被控过程的数学模型，首先要根据曲线的形状，选定模型的结构形式。一般来说，模型的阶数越高，参数就越多，可以拟合的更完美，但计算工作量也越大。所幸的是，闭环控制尤其是最常用的PID控制并不要求非常准确的被控对象数学模型。因此，在满足精度要求的情况下，尽量使用地接传递函数来拟合，故简单的工业过程对象一般采用一阶，二阶惯性加纯迟延的传递函数来拟合。下面介绍几种确定一阶，二阶惯性加纯迟延的传递函数参数的方法。（1）一阶惯性加纯迟延传递函数的确定如果对象阶跃响应是一条如图3-3所示的起始速度较慢，显S型的单
28、调曲线，就可以用一阶惯性加纯迟延的传递函数去拟合，有以下两种方法。图3-3 用作图法确定一阶对象参数1 作图法计算增益K。设阶跃输入u(t)的变化幅值为u(t)，如输入y(t)的起始值和稳态值分别为y(0)和y()，则增益K可根据下式计算，即利用作图法确定和。在阶跃响应曲线的拐点p出做一切线，它与时间轴交与A点，与曲线的稳态渐近线交与B点，这样就可以根据A，B两点处的时间值确定参数和，它们的具体数值如图3-3所示。显然，这种作图法的拟合程度一般很差的。首先，与式子3-1所对应的阶跃响应是一条向后平移了时刻的指数曲线，它不可能完美地拟合一条S型曲线。其次，在作图中，切线的画法也有较大的随意性，这
29、直接关系到和的取值。然而，作图法十分简单，而且实践证明它可以成功的应用于PID控制器的参数整定。（2） 计算法所未计算法就是利用如图3-3所示阶跃响应y(t)上两个点的数据去计算式子3-1中的参数和。计算增益K。如阶跃输入u(t)的变化幅值为u(t)，则增益K仍根据输入，输出稳态值的变化来计算，即其中，y(0)和y()分别为输出y(t)的起始值和稳态值。计算参数和。首先需要把输出y(t)转换成它的无量纲形式y*(t)，即系统化为两无量纲形式后，与式子3-1所对应的传递函数可表示为根据式子3-10所示传递函数，得其单位阶跃响应为式子3-10中有两个参数即和。为了求取它们，必须先选取两个时刻t1和
30、t2，然后从测试结果中读出t1和t2时刻的输出信号y*(t1)和y*(t2),并根据式子3-11写出下述联立方程由式子3-12可解出为了计算方便，一般选取在t1和t2时刻的输出信号分别为y*(t1)=0.39，y*(t2)=0.63，此时由式子3-13可得=2（t2-t1）, =2t1-t2 （3-14） 其中，t1和t2可利用图3-4进行确定。图3-4 由两点法确定的一阶对象参数 利用式子3-14求取的参数和准确与否，可去另外两个时刻进行校验。两点法的特点是单凭两个孤立点的数据进行拟合，而不顾及整个测试曲线的形态。此外两个特定点的选择也具有某种随意性，因此所得到的结果其靠靠性也是值得怀疑的。
31、3.2 基于MATLAB的数字仿真3.2.1 利用MATLAB根据作图法建立一阶系统数学模型已知液位对象，在阶跃扰动量u(t)=20%时，其阶跃响应的试验数据如下所示。若将液位对象近似为一阶惯性加纯迟延，利用作图法确定其增益K，时间常数和纯迟延时间。（1） 首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=20/20=1（mm/%）。（2） 利用一下MATLAB命令，可得如图3-24所示的单位阶跃响应曲线。 t = 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800; h = 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8
32、11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20; plot(t,h)图3-24 单位阶跃响应（3） 按照S形响应曲线的参数求法，由图3-24大致可得系统的时间常数和延迟时间分别为=30s，=270-=240s。则系统近似为一阶惯性加纯迟延的数学模型为（4） 首先加你如图3-25所示的Simulink系统仿真框图，并将阶跃信号模块的初试作用时间（step time）和幅值（final value）分别改为0和20后，以文件名sy3_2_1.mdl将该系统保存。然后在MATLAB窗口中执行以下命令，便可得如图3-26所示的原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。 t = 0
33、 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800; h = 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20;t2,x2,h2 = sim(sy3_2_1,800);plot(t,h,t2,h2)图3-25 Simulink仿真框图图3-26 原系统和近似系统的单位阶跃响应3.2.2 利用MATLAB根据计算法建立一阶系统数学模型已知液位对象，在阶跃扰动量u(t)=20%时，其阶跃响应的试验数据如下所示。若将液位对象近似为一阶惯性加纯迟延，利用作图法确
34、定其增益K，时间常数和纯迟延时间。（1） 首先根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值可得增益K=20/20=1mm/%。（2） 根据系统近似为一阶惯性加纯迟延的计算法，编写的MATLAB程序sy3_2_2.m如下。%sy3_2_2.mtw = 10;t = 10,20,40,60,80,100,140,180,250,300,400,500,600,700,800-tw;h = 0,0,0.2,0.8,2.0,3.6,5.4,8.8,11.8,14.4,16.5,18.4,19.2,19.6,19.8,20;h = h/h(length(h);h1 = 0.39;t1 = interp1(h,t,
35、h1) + tw;h2 = 0.63;t2 = interp1(h,t,h2) + tw; = 2*(t2-t1),tao = 2*t1-t2执行程序ex3_2_2.m可得如下结果=146.6063=54.9321则系统近似为一阶惯性加纯迟延的数学模型为（3） 首先建立如图3-27所示的Simulink系统仿真框图，并将阶跃信号模块（STEP）的初始作用时间（step time）和幅值（final value）分别改为0和20后，以文件名sy3_2_2。Mdl将该系统保存。然后在MATLAB窗口中执行以下命令，便可得如图3-28所示的原系统和近似系统的单位阶跃响应曲线。 t1 = 0 10 2
36、0 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800; h1 = 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20;t2,x2,h2 = sim(sy3_2_2,800);plot(t1,h1,t2,h2)图3-27 Simulink仿真框图图3-28 原系统和近似系统的单位阶跃响应4 控制系统参数的整定及MATLAB的数字仿真 简单控制系统是最基本的，约占目前工业控制系统的80%以上。即使是复杂控制系统也是在简单控制系统的基础上发展起来的。至于高等过程控制系统，往
37、往把它作为最底层的控制系统，例如流量跟随系统等。因此，学习和掌握简单控制系统是非常重要的4.1 基本知识 4.1.1 简单控制系统的设计 简单控制系统通常是指仅由一个被控对象、一个检测变送元件装置、一个执行器和一个控制器所构成的一个闭合回路的控制系统，它又称单回路控制系统或单参数控制系统。1. 被控变量和操作变量的选择 1) 被控变量的选择 2) 控制变量2. 测量变送装置的选择 1) 测量变送装置的选择原则在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方
38、案选择测量仪表和传感器。 2) 对测量变送装置的基本要求对测量变送装置的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差小；迅速指应能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。3. 执行器的选择 执行器是过程控制系统中的一个重要环节。控制系统的性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。执行器的作用是接受控制器送来的控制信号，通过对操纵变量的改变，来调节管道中介质的流量(即改变调节量)，从而实现生产过程自动化。 在过程控制系统中，最常用的执行器是控制阀，也称调节阀。调节阀包括执行机构和阀两部分。调节阀
39、是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。 4. 控制器的选型 当对控对象、执行器和测量变送装置确定后，便可对控制器进行选型。控制器的选型包括控制器的控制规律和正反作用方式的选择两部分。1) 控制器控制规律的选择 在简单控制系统中，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。通常，选择PID控制器的调节规律时，应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。 对于由PID控制器 Gc(s)和广义被控对象 Gp(s) 两大部分组成的简单控制系统。PID控制器的调节规律可以根据广义被控对象的
40、特点进行选择，选择原则如下。 (1) 广义被控对象控制通道时间常数较大或容积滞后较大时，应引入微分作用。如工艺容许有残差，可选用比例微分控制；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分控制。如温度、成分、pH值控制等。 (2) 当广义被控对象控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，而工艺要求无残差时，可选择比例积分控制。如管道压力和流量的控制。 (3) 广义被控对象控制通道时间常数较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例控制，如贮罐压力、液位的控制。(4) 当广义被控对象控制通道时间常数或容积迟延很大，负荷变化亦很大时，简单控制系统已不能满足要求，应设计复杂控制系统或先进控制系统。最后指出，如
41、果被控对象传递函数可用近似，则可根据对象的可控比T选择调节器的动作规律。 当/T0.2时，选择比例或比例积分控制； 当0.21.0时，采用简单控制系统往往不能满足控制要求，应选用如串级、前馈等复杂控制系统。 2) 控制器正、反作用方式的选择简单控制系统由控制器、调节阀、被控对象和测量变送装置组成。为了能保证构成的简单控制系统是一种负反馈控制，系统的开环增益必须为负，而系统的开环增益是系统中各环节增益的乘积。显然，只要事先知道了执行器、被控对象和测量变送装置增益的正负，就可以很容易地确定出控制器增益的正负。 (1) 被控对象正反作用方向的确定 (2) 执行器正反作用方向的确定 (3) 测量变送单
42、元正反作用方向的确定4.1.2 简单控制系统的参数整定 当系统安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于控制器各参数的设置是否得当。 过程控制通常都是选用工业成批生产的不同类型的控制器，这些控制器都有一个或几个参数需要调定。系统整定的实质，就是通过调整控制器的这些参数使其特性与被控对象特性相匹配，以达到最佳的控制效果。 系统参数整定方法很多，但可归纳为两大类：理论计算法和工程整定法。工程整定方法通过并不复杂的实验，便能迅速获得控制器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛应用。其中有一些是基于对象的阶跃响应曲线，有些则直接在闭环系统中进行，方法简单，易于掌握。 1动态特性参数法 这是一种
43、以被控对象控制通道的阶跃响应曲线为依据，通过一些经验公式求取控制器最佳参数整定值的开环整定方法。用这种方法计算PID控制器参数整定值的前提是，将系统简化为由控制器Gc(s) 和广义被控对象Gp（s）两大部分组成，其中广义被控对象的阶跃响应曲线可用一阶惯性环节加纯迟延来近似,否则根据以下几种动态特性参数整定方法得到的控制器(4-2)中整定参数只能作初步估计值。1) Z-N工程整定方法 以被控对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。 这种方法是由齐格勒(Ziegler)和尼科尔斯(Nichols)于1942年首先提出的，计算调节器整定参数的公式如表4-
44、1表4-1 Z-N调节器整定参数公式TITDPPIPIDK(/T)1.1 K(/T)0.85 K(/T)3.32.00.5其中 , K为系统的放大系数, T为时间常数, 为纯滞后时间。 后来经过不少改进，总结出相应的计算调节器最佳参数整定公式。 2) C-C工程整定方法 这些公式均以衰减率(075)为系统的性能指标，其中广为流行的是柯恩(Cohen)库思(Coon)整定公式：比例调节器(4-3)比例积分调节器 (4-4) 比例积分微分调节器 （4-5）其中 K，T，为对象动态特性参数。3) 以各种误差积分值为系统性能指标的工程整定方法随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为系统性能指标的PID控制器最佳参数整定公式 (4-6)其中，以上整定公式中的各系数在不同误差积分性能指标下的取值如表4-2所示。表4-2 Z-N及IAE,ISE,ITAE性能指标各系数取值 性能指标调节规律ABCDEFZ-NIAEISEITAEP1.0000.9021.4110.9041.0000.9850.9171.084Z-NIAEISEITAEPI0.9000.9841.3050.8591.0000.9860.9590.9773.3331.6442.0331.4841.0000.7070.7390.680Z-NIAEISEITAEPID1.2001.4351.4951.3571
