CN116047890A - 一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 - Google Patents
一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116047890A CN116047890A CN202310080754.1A CN202310080754A CN116047890A CN 116047890 A CN116047890 A CN 116047890A CN 202310080754 A CN202310080754 A CN 202310080754A CN 116047890 A CN116047890 A CN 116047890A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- control system
- control
- pid
- controller
- cascade
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 19
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000009699 differential effect Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000012369 In process control Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010965 in-process control Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B11/00—Automatic controllers
- G05B11/01—Automatic controllers electric
- G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
- G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明属于过程控制教学、教学展示领域，提出了一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，包控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest和串级控制监控程序。控制器通用子程序PIDtest基于实际微分算法编写。本发明将传统不适用于阶跃输入的理想增量式PID算法改用为适用于阶跃输入的实际微分位置式PID算法代替。该系统可实现单回路控制、比值控制、串级控制以及阶跃输入，并且可进行PID控制原理阶跃响应动态曲线特性展示，可用于过程控制教学、对PID控制原理阶跃响应动态曲线特性进行教学展示等。
Description
技术领域
本发明涉及过程控制教学、教学展示领域，尤其涉及一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备。
背景技术
目前用于过程控制教学的串级控制系统中，如“李毅.基于PID控制技术的工业自动控制研究[J/OL].现代工业经济和信息化,2022,12(8):102-104.”，其PID模块的编写一般是基于理想微分算法实现的，其微分作用不适用于阶跃输入，当理想微分的输入为一个阶跃响应的时候，输出为一个脉冲函数，但在过程控制工程实践教学环节中经常需要使用阶跃输入进行测试，因此该教学环节缺少一套能进行阶跃响应显示的教学设备。针对以上情况，有必要研究一种具有阶跃响应展示功能的串级控制教学系统设备。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，基于实际微分位置式PID的具有PID控制原理阶跃响应动态曲线特性展示功能，形成可编程逻辑控制器串级控制教学系统设备，用于过程控制工程串级控制系统实验以及阶跃响应曲线演示。
本发明的技术方案如下：一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，可展示阶跃响应特性，也可进行串级控制系统的教学演示，其包括控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest和串级控制监控程序；控制器通用子程序PIDtest包含于控制器控制程序，作为PID模块，用作PID运算；串级控制监控程序用于监控串级控制系统状态，对串级控制过程进行实时上位机监控；控制器控制程序对实际被控对象进行串级控制。
所述控制器通用子程序PIDtest基于实际微分算法编写，主要由死区检测、积分部分近似处理、微分部分近似处理、控制输出与手自动处理组成；死区检测用于处理控制输入的小幅度变化，防止输出产生抖动；积分部分近似处理采用梯形面积积分法以提高积分计算精度；微分部分近似处理加入一阶惯性滤波并使用位置式PID离散式，该部分表达为：
其中，KP为比例系数；TD为微分时间；e(n)为被控量误差；n为采样序列；yD(n)为PID中的微分部分；
TS为控制器通用子程序PIDtest的采样时间，KD为一阶惯性滤波常数，取值区间为[2-10]，滤波时间常数起名为Tm_lag,Tm_lag为TD/KD，其中KD为时间常数系数；微分部分近似处理用于PID控制原理阶跃响应动态曲线特性展示；控制输出与手自动处理区分输出模式为手动输出和自动输出两种情况，对应不同工况。
所述控制器控制程序主要由单回路控制系统、比值控制系统、串级控制系统组成，每个控制系统中均包括控制器通用子程序PIDtest；单回路控制系统又称简单控制系统，为一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统；比值控制系统为实现两个或者两个以上的流量参数按照一定比例关系变化的控制系统；串级控制系统为具有两个或者多个被控变量的多层回路的控制系统，一个主控制器的输出作为另一个副控制器的设定值。
所述串级控制监控程序主要由IO设备组态、组态数据库、控制界面组成；IO设备组态的意义在于定义IO设备之后上位机才可以通过组态数据库和下位机之间建立联系；组态数据库包括多个数据点，用于存放以及传输串级控制系统运行时产生的数据；控制界面用于与实际工程系统进行对比，实现在技术人员不到现场的同时对工程现场进行查验、检测。
所述时间常数系数KD设置为2。
本发明的有益效果：本发明将传统不适用于阶跃输入的理想增量式PID算法改用为适用于阶跃输入的实际微分位置式PID算法代替，使得控制器的控制回路中PID环节可对阶跃响应输入做出输出显示。然后对过程控制工程教学中常见的单回路控制、比值控制、串级控制进行程序编写以及封装，集成为一个具有PID阶跃响应动态曲线特性展示功能的串级控制系统教学设备。本串级控制系统教学设备可实现单回路控制、比值控制、串级控制以及阶跃输入，并且可进行PID控制原理阶跃响应动态曲线特性展示，用于过程控制教学、对PID控制原理阶跃响应动态曲线特性进行教学展示等。
附图说明
图1是具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备示意图；
图2是单回路控制系统的系统框图。
图3是比值控制系统的系统框图。
图4是串级控制系统的系统框图。
图5是单回路控制系统温度控制实时趋势示意图；
图6是比值控制系统温度控制实时趋势示意图；
图7是串级控制系统水箱液位控制实时趋势示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，主界面左侧为波形显示模块的趋势显示界面，右侧为两PID环参数设置以及调节面板，下侧为实时趋势、历史趋势、主副环串级状态转换按钮。串级控制系统教学设备中包含控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest、串级控制监控程序；
如图2、图3、图4所示，控制器控制程序由单回路控制系统、比值控制系统、串级控制系统组成。单回路控制系统又称简单控制系统，由一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统；比值控制系统为实现两个或者两个以上的流量参数按照一定比例关系变化的控制系统；串级控制系统为具有主、副两个或者多个被控变量，一个主控制器的输出作为另一个副控制器的设定值的具有多层回路的控制系统。
控制器通用子程序PIDtest由死区检测、积分部分近似处理、微分部分近似处理、控制输出与手自动处理组成。死区检测用于处理控制输入的小幅度变化，防止输出产生抖动；积分部分近似处理采用梯形面积积分法以提高积分计算精度；微分部分近似处理加入一阶惯性滤波并使用位置式PID离散式；控制输出与手自动处理区分输出模式为手动输出和自动输出两种情况，以适用不同工况。
工作原理如下：
单回路控制系统温度控制，如图2所示：
步骤1-0：依次连接控制器、执行器、被控对象，测量变送两端分别连接控制器、被控对象，使其构成一单回路控制系统。被控对象为实验箱温度，控制器为PLC。
步骤1-1：设定调整PID参数P、I、D，待温度稳定在35℃后将设定值从35℃修改至45℃做比例积分微分作用上跳。
步骤1-2：待温度稳定在45℃左右后将设定值从45℃修改至35℃做比例积分微分作用下跳。
步骤1-3：所得的实时趋势曲线如图5所示。
更改步骤1-0至步骤1-3中的设定值就可以实现设定值不同的单回路控制。
比值控制系统温度控制，如图3所示：
步骤2-0：比值控制系统指的是实现两个或两个以上的参数按照一定的比例关系变化的控制系统。下面所说的步骤中使用的两个参数都是温度，为两个温度控制实验箱。将两个单回路控制系统分别设为主回路控制系统和副回路控制系统，二者控制器间通过比值计算器进行连接。
步骤2-1：设置两回路比例系数K＝1.1，设置PID参数P、I、D。
步骤2-2：分别做由35℃上跳至45℃和由45℃下跳至35℃两组实验。
步骤2-3：比值控制系统的实时趋势图如图6所示。
调整步骤2-0至步骤2-3中的被控对象、PID参数和比值系数就可以实现不同工况下的双闭环比值系统控制。
串级控制系统水箱液位控制，如图4所示：
步骤3-0：串级控制系统指的是具有主、副两个或多个被控变量，一个主控制器的输出作为另一个副控制器的设定值的具有多层回路的控制系统。下面所说过程中的主、副两被控变量为两水箱中的液位，如图4所示连接水箱液位串级控制系统。
步骤3-1：启动监控系统监控，下载控制程序，此时串级控制关，两PID环均为手动模式。
步骤3-2：打开水泵，副PID环手动模式下调节副环流量控制器开度为70％，经过一段时间副环水箱液位自恒在53.3％，此时将副PID环投自动模式，调节副环控制器参数为纯比例，比例度为80％，打开串级功能投运串级控制，然后主PID环投自动模式，此时串级系统投运完成，主环液位稳定在41％。
步骤3-3：副PID环设定纯比例作用跟随，比例度80％，主PID环PB＝80,TI＝400,TD＝100，提升主环设定值10％至51％，等待控制作用稳定，得串级控制系统主环比例积分微分控制曲线如图7所示。
步骤3-0至步骤3-2为串级控制系统的被控变量选择、控制PID参数选择以及投运过程。更改步骤3-3中的PID参数可以实现不同的串级控制性能。
Claims (4)
1.一种具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，其特征在于，该串级控制系统教学设备包括控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest和串级控制监控程序；控制器通用子程序PIDtest包含于控制器控制程序，作为PID模块，用作PID运算；串级控制监控程序用于监控串级控制系统状态，对串级控制过程进行实时上位机监控；控制器控制程序对实际被控对象进行串级控制；
所述控制器通用子程序PIDtest基于实际微分算法编写，主要由死区检测、积分部分近似处理、微分部分近似处理、控制输出与手自动处理组成；死区检测用于处理控制输入的变化，防止输出产生抖动；积分部分近似处理采用梯形面积积分法以提高积分计算精度；微分部分近似处理加入一阶惯性滤波并使用位置式PID离散式，该部分表达为：
其中，KP为比例系数；TD为微分时间；e(n)为被控量误差；n为采样序列；yD(n)为PID中的微分部分；
TS为控制器通用子程序PIDtest的采样时间，KD为一阶惯性滤波常数，取值区间为[2，10]，滤波时间常数起名为Tm_lag,Tm_lag为TD/KD，其中KD为时间常数系数；微分部分近似处理用于PID控制原理阶跃响应动态曲线特性展示；控制输出与手自动处理区分输出模式为手动输出和自动输出两种情况，对应不同工况。
2.根据权利要求1所述的具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，其特征在于，所述控制器控制程序主要由单回路控制系统、比值控制系统、串级控制系统组成，每个控制系统中均包括控制器通用子程序PIDtest；单回路控制系统为一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象组成的单回路闭环负反馈控制系统；比值控制系统为实现两个或者两个以上的流量参数按照一定比例关系变化的控制系统；串级控制系统为具有两个或者多个被控变量的多层回路的控制系统，一个主控制器的输出作为另一个副控制器的设定值。
3.根据权利要求2所述的具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，其特征在于，所述串级控制监控程序主要由IO设备组态、组态数据库、控制界面组成；IO设备组态判定定义IO设备之后上位机通过组态数据库与下位机之间建立联系；组态数据库包括多个数据点，用于存放以及传输串级控制系统运行时产生的数据；控制界面用于与实际工程系统进行对比，在技术人员不到现场的同时对工程现场进行查验、检测。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有PID阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备，其特征在于，所述时间常数系数KD设置为2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310080754.1A CN116047890A (zh) | 2023-02-08 | 2023-02-08 | 一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310080754.1A CN116047890A (zh) | 2023-02-08 | 2023-02-08 | 一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116047890A true CN116047890A (zh) | 2023-05-02 |
Family
ID=86125357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310080754.1A Pending CN116047890A (zh) | 2023-02-08 | 2023-02-08 | 一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116047890A (zh) |
-
2023
- 2023-02-08 CN CN202310080754.1A patent/CN116047890A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108443057B (zh) | 一种水轮机导叶开度的控制方法及控制装置 | |
| CN103116371B (zh) | 一种用于反应釜的温度控制方法 | |
| CN111604163A (zh) | 一种炼焦煤选煤厂高精度重介智能控制系统及方法 | |
| CN107037729A (zh) | 一种基于rbf神经网络自抗扰控制器的设计方法 | |
| CN112859586A (zh) | 一种基于模糊pid控制的隔膜泵系统安全运行保障方法 | |
| CN104898425B (zh) | 基于静态前馈补偿的抗饱和内模控制系统设计方法 | |
| CN109032117A (zh) | 基于arma模型的单回路控制系统性能评价方法 | |
| CN113791587B (zh) | 流化床发电机组的协调控制方法、系统、存储介质和装置 | |
| CN116047890A (zh) | 一种具有pid阶跃响应特性展示功能的串级控制系统教学设备 | |
| US7415446B2 (en) | Model-free adaptive (MFA) optimization | |
| CN110471285A (zh) | 基于趋势事件驱动的锌冶炼焙烧过程模糊控制方法 | |
| CN112578745B (zh) | 一种氯化氢合成反应过程的智能化控制方法 | |
| CN202100437U (zh) | 压缩机组转速调节控制系统 | |
| CN110045597A (zh) | 用于刀具检测机械臂精准工作的改进模糊pid控制方法 | |
| CN114460985B (zh) | 一种基于单片机的储箱增压控制系统及控制方法 | |
| CN103048923B (zh) | 用于工业水槽液位串级预测控制系统的一致性约束方法 | |
| Yang et al. | Research and practice of neural network PID process control algorithm based on offshore oil and gas platform | |
| CN110207096B (zh) | 热力锅炉汽包水位智能控制方法 | |
| CN102419551B (zh) | 一种误差容忍限机制下的焦化加热炉炉膛压力控制方法 | |
| CN109213099B (zh) | 基于互联网的数学模型控制生产的应用方法及系统 | |
| CN103105869A (zh) | 三容单回路液位系统 | |
| Huang et al. | Identification and internal model control of an ideal heat integrated distillation column (HIDiC) | |
| Pramanik et al. | PID Flow-Level Control Tuned by Genetic Algorithm and Harmony Search Algorithm | |
| CN205155915U (zh) | 一种锅炉蒸汽压力自动控制系统 | |
| WO2019226854A1 (en) | Regulatory controller for usage in a catalytic olefins unit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |