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班级
自动化0901
导师
刘昱光
设计日期
2012年1月10日
MCGS组态软件实现单容水箱液位PID控制
概要
开发经济使用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验内容,对提高课程教学实验水平,具有重要的实际意义。
就高校学生的实验课程来讲,由于单容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求,使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验内容,需要全面的掌握自动控制理论及相关知识。
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本文通过对单容水箱液位控制系统现状的研究,选取了组态王软件MCGS6.2及PID控制等策略对实验系统进行实时控制,建立了单容水箱的数学模型。
介绍了PID控制的基本原理及PID算法,并根据算法的比较选择了增量式PID算法,建立了基于组态王MCGS6.2的脚本语言的PID液位控制模拟界面和算法程序,进行系统仿真,并通过PID参数整定。
过对实验系统结构的研究,建立了单容水箱实验系统是数学模型,并对系统的参数进行了辨识,验证了在组态王MCGS6.2控制下系统具有良好的可控制性和稳定性。
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关键字:
单容水箱PID控制增量式PID组态王MCGS6.2
MCGSconfigurationsoftwaretorealizethesingletankwaterlevelcontrolofPID残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
Abstract
Thedevelopmentofeconomicuseoftheteachingexperimentaldevice,developthetheoryandpracticeoftheexperimentcontent,toimprovetheexperimentteachinglevel,hasimportantpracticalsignificance.Onthecollegestudents'
experimentalcourse,becausethesingletankwaterlevelcontrolthecomplexityofthissystemandthereal-timerequirementsofthehigh,thesystemcontrolstrategybasedondifferentexperimentalcontent,needcomprehensivegraspofautomaticcontroltheoryandrelatedknowledge.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
ThisarticlethroughtothesingletankwaterlevelcontrolsystemandStudyonthecurrentstatusoftheKingviewsoftware,selectMCGS6.2andPIDcontrolstrategyontheexperimentalsystemforreal-timecontrol,establishesthemathematicalmodelofsinglewatertank.IntroducesthebasicprincipleofPIDcontrolandPIDalgorithm,andaccordingtothealgorithmcomparisonandselectionoftheincrementalPIDalgorithm,basedonKingviewMCGS6.2scriptlanguagePIDlevelcontrolsimulationinterfaceandthealgorithmprogram,systemsimulation,andbyadjustingtheparameterofPID.Theexperimentalsystemstructureresearch,establishedasinglewatertankexperimentsystemisamathematicalmodel,andthesystemparametersidentification,authenticationinMCGS6.2Kingviewcontrolsystemhasgoodcontrollabilityandstability.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Keywords:
SinglewatertankPIDcontrolIncrementalPIDMCGS6.2Kingvi謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
第一章设计目的和要求
1.1.设计目的
通过组态软件,按照定值系统的控制要求,根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,设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。
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1.2.设计要求
(1)数据对象数量要求
所选课题系统应具有一定数量的开关型I/O数据对象(至少6个,如:
设备的驱动、状态等开关量信号)。
所选课题系统应具有一定数量的数值型I/O数据对象(至少4个,如:
各种被测参数、设备转速、设备开度等模拟量信号)。
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(2)监控系统画面要求
一个功能完善的监控系统,其系统画面应包括(但不局限于)下列内容,并具有动态显示和操作功能。
①监控系统封面;
②反映系统工艺的流程画面;
③反映实时数据变化的趋势图画面;
④反映实时数据变化的报表画面;
⑤可查询历史数据的历史数据曲线画面;
⑥可查询历史数据的历史数据报表画面;
⑦反映实时报警信息的报警画面(或某画面上的局部画面);
⑧可查询历史报警记录的报警信息画面;
⑨能对系统运行参数进行设置修改的参数设置画面。
(3)运行策略要求
对象特性脚本语言程序,应能模拟实际被控对象的工艺流程及其逻辑关系。
控制算法或控制逻辑脚本语言程序,应能使所设计的系统正常运行起来,实现系统的模拟运行。
(4)系统菜单要求
所设计的监控系统应具有系统菜单,以实现对系统各个功能的运行调度。
(5)安全策略要求
所设计的监控系统应具有登录后方可操作,并有不同操作权限的安全策略功能。
(6)在完成上述要求的设计和组态工作后,根据组态内容编写课程设计报告。
第二章PID和组态软件MCGS
2.1.PID控制算法的介绍
在实际工程中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年的历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
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2.1.1.PID算法的历史
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
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2.1.2.PID各个环节的作用
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
其输入e(t)与输出u(t)的关系为裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分的上下限分别是0和t仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
因此它的传递函数为:
G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
其中kp为比例系数;
TI为积分时间常数;
TD为微分时间常数
(1)比例单元
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
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(2)积分环节
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
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(3)微分环节
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2.1.3.增量式PID控制
基本PID控制器的理想算式为
(1)
式中
u(t)——控制器(也称调节器)的输出;
e(t)——控制器的输入(常常是设定值与被控量之差,即e(t)=r(t)-c(t));
Kp——控制器的比例放大系数;
Ti——控制器的积分时间;
Td——控制器的微分时间。
设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值,可得离散的PID算式
(2)
式中
,
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。
采用增量式算法时,计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量,而不是对应执行机构的实际位置,因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能,才能完成对被控对象的控制操作。
执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现;
也可以采用软件来实现,如利用算式u(k)=u(k-1)+Δu(k)程序化来完成。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
由式
(2)可得增量式PID控制算式
(3)
式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)
进一步可以改写成
(4)
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