本科生毕业设计
压力控制系统的研究与设计
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指导教师
2011 年 5 月
摘 要
所谓压力控制系统就是利用管道或容器中的介质压力作为被控制量，从而保证输出一个恒定的气压的反馈控制系统。目前生产中应用的压力控制系统，主要以传统的PID 控制算法为主。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，传统的PID 控制方式显得无能为力。为适应复杂控制系统的控制要求，人们研究了很多智能控制方法，模糊PID 控制便是其中之一。本文主要研究了模糊PID 控制及其改进方法在压力系统中的应用。通过使用PID 控制技术与模糊控制理论控制该压力系统，并利用MATLAB 仿真软件对系统进行了仿真研究。
仿真研究的结果表明，参数自整定模糊PID 控制可以在线调整PID 参数，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和良好的稳定性。
关键词：过程控制，压力控制系统，模糊PID 控制
ABSTRACT
The pressure control systems is a pipe or container used in the media pressure is measured as a control the feedback from the control system. To ensure that the output of a constant pressure.
It is a hipractical value to study th level control methods ．application of the current production level control system．mainly to the traditional PID algorithm．based ．But for the large ．scale complex systems ，its mathematical models are often dimcult to obtain.the traditional PID control is powerless．In order to meet the requirements of the pressure control system,people have developed a lot of much intelligent control methods ，and fuzzy PID control is one of them．This paper mainly researched the fuzzy PID control andimprovement methods in pressure control system．Through the use of PID control technology and the fuzzy control theory, the pressure control system is designed, and using MATLAB simulation software of the simulation system.
Simulation results show that parameter self-tuning fuzzy PID control can adjust the PID parameters online,making the control system fast response speed, small overshoot, Shortened transition time, reducing the frequency of oscillation,has strong robustness and good stability.
Keywords : process control, pressure control system, fuzzy PID control
目 录
摘 要 .................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................... II
第1章 绪论 ..................................................................................................... 1
1.1课题背景 ..................................................................................................... 1
1.2压力控制系统的发展状况 .......................................................................................... 1
第2章 过程控制系统的总体方案 . ................................................................ 3
2.1确定系统任务 .............................................................................................................. 3
2.2系统组成与工作原理 .................................................................................................. 3
2.3 系统初步思路及方案 ................................................................................................. 3
第3章 压力闭环控制系统的具体设计 . ........................................................ 6
3.1 建立数学模型 ............................................................................................................. 6
3.1.1 数学模型的定义 .............................................................................................. 6
3.1.2 数学模型分类 .................................................................................................. 6
3.1.3 数学模型的建立及传递函数的确定 .............................................................. 6
3.2 控制方案的确定 ......................................................................................................... 9
3.2.1 被控参数的选择 ............................................................................................ 10
3.2.2 控制变量的选择 ............................................................................................ 10
3.2.5 测量流量仪表的选择 .................................................................................... 14
3.2.6 执行器、安全栅的选择 ................................................................................ 16
3.3 PID调节的各个环节及其调节过程 ........................................................................ 19
3.3.1 PID 控制的特点 ............................................................................................. 19
3.3.2 比例(P)调节 .................................................................................................. 19
3.3.3 比例积分调节 ................................................................................................ 20
3.3.4 比例微分(PD)调节 ........................................................................................ 21
3.3.5 比例积分微分(PID)调节 .............................................................................. 22
3.3.6 PID 控制器 ..................................................................................................... 22
3.3.7 PID 控制器参数的整定 ................................................................................. 23
3.3.8 模糊PID 流量控制原理 ................................................................................ 24
3.3.9 定义输入、输出变量 .................................................................................... 28
第4章 系统仿真 . .............................................................................................. 30
4.1 MATLAB的介绍 .......................................................................................................... 30
结论 ..................................................................................................................... 33
参考文献 ............................................................................................................. 34
致 谢 ................................................................................................................. 35
第1章 绪论
1.1课题背景
随着过程控制的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。而气压控制作为过程控制的重要一类，现今也是快速成为越来越重要的一种控制媒介，其理由为在气压缸之程序控制，气压控制提供了最逻辑的控制手段，应用在现今自动化的生产机器。气压是一个日常生活中常常接触到的物理量，初中时我们就接触了大气压的应用。在日常生活中，我们接触到的有气压计 、抽水机、抽气机、打气筒、高压锅等等，在医学领域，最常见的有气压止血带、高气压消毒、血压计等等。在工业上，如气体压缩机、离心压缩机、富气压缩机等等 ，而这些在石油化工行业中起到了举足轻重的作用。
1.2压力控制系统的发展状况
随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足这方面的要求。 出现了多变量PID 神经元网络控制系统，电气比例阀气压控制系统，基于硅微控阀门的气压控制系统，模糊PID 控制压力控制系统等一系列高科技的压力控制系统。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。气压液压控制技术既不是“朝阳技术”，也不是“夕阳技术”，而是与人类共存的永恒技术，且在中国还是一个不断发展的技术。20世纪80年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，气压的应用尤其字锅炉，航空等行业，产品的技术性能已接近发达国家水平。锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，
未来将如何发展，是非常值得研究的。而这一切都离不开对压力控制系统的研究。而国外一些发达国家在控制系统这方面的研究更是非常的重视，而且在高科技技术的背景下，更是取得了相当大的成果。比如在油田领域中，运用钻井液微流量控制系统技术（MFC ）通过对钻井液的精密控制，从而更高预防和减少钻井事故的发生。还有航空领域，采用模糊控制方法实现了大气压力模拟舱内的压力控制。采用LabVIEW 软件开发测控软件, 利用实验室的现有条件, 结合某型电子/气动式压调器的实验, 完成了飞机在各种飞行状态下所需的大气压力模拟舱内的压力控制, 取得了非常好的效果。
第2章 过程控制系统的总体方案
本章主要介绍本次压力控制系统设计的总体方案，其中包括确定系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等，从而为接下来的具体设计指明了方向。
2.1系统任务
本系统由三个压力容器和针型阀、压力及流量等相关的检测、变送、模拟信号端子板组成。整个装置有三个压力检测变量，可从中选择一至两个被控变量。一般，支路1流量作为操作变量主输入通道，支路2则为扰动输入通道。主要任务有三点：1、设计控制器，对输入偏差进行PID 运算，得到PID 参数。2、控制器输出变化量控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数，使被调参数保持在设定值。3、确定被控变量、操作变量、主要扰动的控制方案。
2.2系统组成与工作原理
压力控制系统的研究与设计系统方框图如图2.1所示。本图是一个简单的单闭环控制系统。一个完整的过程控制系统图一般有调节器（控制器）、执行器、被控过程和测量变送器四个环节。其中调节器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表，所以，也可以认为 ，过程控制系统 = 检测和控制仪表 + 被控过程。
图2.1 压力控制系统方框图
2.3 系统初步思路及方案
研究思路： 1、通过系统方框图以及设计要求，了解大致思路。
2、设计硬件电路，选择功能模块电路的资料
3、控制面板的设计，需要用到压力容器、压力检测计、流量检测
装置、 PID控制器、电子调节阀、针型阀
4、通过PID 运算电路，写出PID 的传递函数
5、硬件仿真，记录数据以及实时曲线。
下图是控制系统的简单结构图
图2.2控制系统的简单结构图 具体方案：第一步 先给气缸1冲入气体并且使其获得气压。然后打开连接气缸1和气缸2的针型阀，并且通过仿真的波形图观察容器2的气压。其仿真波形图如图3。气缸1的气压为a ，气缸2中的气压为c 。
图2.3 初始波形图 当气缸2的气压达到平衡（t. 0）的时候，测量出PID 参数分别为P 、I 、D 。并且保持其PID 值不变。
第二步 突然加大气缸1和气缸2的针型阀的开度，使气缸2中的气压突然增大，并且观察气缸1，2的仿真波形图如图2.4。
图 2.4 干扰后波形图
从图2.4 我们可以得知容器1和容器2会重新达到一个平衡。
系统的总体方案无疑是相当重要的一环，当系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等有了初步的确定之后，接下来的设计就会变得相对简单明了。
第3章 压力闭环控制系统的具体设计
这章所要介绍的内容无疑是本次设计的核心部分，要设计一个压力控制系统。首先得解决其中的几个重要环节：数学模型的建立、系统的具体控制方案、PID 及模糊PID 具体控制原理及方法。下面一一做详细分析：
3.1 建立数学模型
3.1.1 数学模型的定义
在各式各样的被控过程中，有的被控过程容易控制，而有些则很难控制，有些进行的慢，有些进行的快，要精确地描述被控过程的动态特性，离不开数学模型。所谓数学模型就是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。
3.1.2 数学模型分类
（1） 机理法 机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。
（2） 测试法 测试法建模通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。
3.1.3数学模型的建立及传递函数的确定
气体压力控制过程实际上是密闭容腔的充放气过程。尽管容腔的充放气过程是气动系统的一个基本过程, 但考虑到气体流动的复杂性, 为了便于分析和研究问题, 特作如下假设: 在常温常压下把所研究的工作介质看成理想气体, 气体流动过程为等熵(可逆绝热) 过程, 密闭容腔充放气时气体与外界无热量交换, 即视为绝热过程; 气体经过阀口流动时忽略粘性阻力的影响, 并忽略各处的泄漏。要得到整个气路控制系统的数学模型, 这里首先给出几个基本概念:
(1)电阻
气阻与电子线路中的电阻相似, 它具有电阻的串连特性, 它可以改变气体的流量, 而在它的两端产生压力降。在流体成层流状态时, 气阻的大小与两端的压降成正比, 与
流过的流量成反比, 可表为
R =△p (3.1) Q
式中: R 为气阻; p 为气阻两端的压降; Q 为气体质量流量。
在这里, 电磁阀和针孔阀的特性均表现为气阻, 通常电磁阀、针孔阀均只有两个状态, 即开状态和关
状态, 开状态下气阻大小由式( 1) 决定, 当关闭时气阻为无穷大。
（2） 电容
在电子线路中, 电容的大小由使用它两端升高单位电压所需要增加的电量来表示。气容在气路中的作用与电容在电路中的作用相似, 其值由升高单位气压所需增加的气体量表示, 即:
C =dm （3.2） dpc
式中: m 为气体质量; p C 为气室中的压力; C 为气容量。
对容积不变的固定气缸的气容, 在常温常压下, 把所研究的工作介质看成理想气体, 根据气体状态方程式:
pV =mR , T （3.3）
式中: p 为气室中的绝对压力; V为气体体积; m 为气体质量; R 为气体常数; 若将气容的充气放气过程视为等温过程, 则得到
Vdp =R 'Tdn （3.4） 则式( 2) 可以表示为 C =dm V = （3.5） dpc R 'T
由上式可见, 当温度T 不变时, 气容量C 与气室的容积V 成正比, 由于固定气室的容积恒定, 因此固定气室的气容量为一恒值。
（3）流量控制阀
流量控制阀为一种执行机构, 它接受控制信号, 并将其转换为相应的推杆直线位移, 以推动调节机构动作。静态特性为
dQ K v = （3.6） du
式中: u 为控制电压; Q 为介质流量。
动态特性为
G v =K V （3.7） T V s +1
其中Tv 为控制的时间常数, 一般很小, 可以忽略。则可以求得流量控制阀的传递函数的近似为
Q (s )=K v （3.8） U s 由于本课题涉及到多个压力容器，适合机理法建模。下图是控制系统的简单结构图。
图3.1控制系统的简单结构图
根据课题要求，支路1流量作为操作变量的主输入通道，支路2为扰动输入通道。通过由阀门1输入一固定气压的气流，即一般情况下阀门1不作用，而阀门2作为气缸2的输入调节阀，阀门3作为气缸2的输出调节阀，阀门4控制气缸3的输入，阀门5控制气缸3的输出。
P 气缸2作为被控变量，输入流量Q 阀门2是调节作用，而Q 阀门5是外部扰动作用。
根据物料平衡关系，气体累积量的变化速度等于输入流量和输出流量之差。首先对支路1进行分析，假设气缸2的容积V2是常数，则流入量与流出量相等
dP =Q 3-(Q 2+Q 5) （3.9） dt
（注：Q2、Q3、Q4、Q5分别指 阀门2、阀门3、阀门4、阀门5，A 代表气缸横
切面积, 容器2容器3的阻力分别是R1,R2）又 P=F/S ，气缸的的体积以及横切面积A 一定，所以密度ρ在一定的体积下与压强P 成正比 即ρ=kP
又
P =⎰[Q 3-(Q 2+Q 5)] （3.10）
设T1=A1ρ1R1, T2=A2ρ2R2，由G （s ）=△P(s)/△Q(s)
最后导出气缸2 和气缸3的过程传递函数G1（s ），G2（s ）分别为：
G 1(s )=
G 1(s )=k [(T 2R )S +(R 1+R 2)]△P 1(s ) （3.11） =2△Q s T 1T 2S +T 2+T 1+A 1ρR 2S +1kR 2△P 2(s ) （3.12） =△Q s T 1T 2S 2+T 2+T 1+A 1ρR 2S +1
3.2 控制方案的确定
通过控制方案的进一步分析，得到压力控制系统硬件简易方框图
图3.2 压力控制系统硬件简易方框图
3.2.1 被控参数的选择
生产中希望借助控制系统保持恒定值的参数称为被控参数，也称为被控变量。被控参数的选择是控制方案的重要一环，对控制系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、节能降耗、改善劳动条件、保证生产安全等具有决定性的意义，关系到控制方案的成败。如果被控参数选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管选用多么先进的检测控制设备，均难以到预期的控制效果。
影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。只有根据工艺要求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的被控参数。
选择的方法：对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是容易理解的，也无需多加讨论。1). 选直接参数即能直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。2). 选间接参数当选直接参数有困难（信号微弱或者无法进行检测）时采用。可以选择那些能间接反应产品质量产量又与直接参数有单值对 应关系的、易于测量的参数作为被控参数。
被控变量选择的原则：1、若可行，尽量选择质量指标参数作为被控变量。2、当不能选择质量指标作被控量时，应当选择一个与产品质量 指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控量。3、所选的间接指标应当具有足够大的灵敏度，以便反应产品质量的变化。择被控变量时需要考虑到工艺的合理性和国内外仪表的生产状况。
按照实际设计要求，以及控制系统图，可以得知，气体的流量、压力、因而选择气缸2的出口气压大小作为被控参数。
3.2.2 控制变量的选择 控制变量在物理学的概念是指那些除了实验因素(自变量) 以外的所有影响实验结果的变量，这些变量不是本实验所要研究的变量，所以又称无关变量、无关因子、非实验因素或非实验因子。只有将自变量以外一切能引起因变量变化的变量控制好，才能弄清实验中的因果关系。控制变量衍生到生活中的作用是控制一定影响因素从而得到真实的结果。
在控制系统中，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量称为控制变量，也称为操纵变量。在一个控制系统中，可以作为控制量的参数往往不至一个，所以控制量的选择问题也是系统设计中一个重要考虑的因素。在过程控制中最常见的控制变量是介质的流量。在有些生产过程中，控制变量是很明显的，如液位控制系统，其控制变量一般是选择出口流体的流量，而在温度控制系统中，控制变量一般选择载热介质的流量。但在有些生产过程中，影响被控参数的外部变量有几个，这些输入变量中，有
些允许控制，有些则不允许控制。从理论上讲，所有允许控制的变量都可选作为控制变量，但在单输入—单输出系统中只能有一个控制变量。
控制变量还需要注意几个方面：1）、控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量2）、控制变量一般应该比其他干扰对被控量的影响更加灵敏。为此，要合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间τ0越小 越好，τ0与T0之比应小于1. 扰动通道的放大系数Kf 应尽可能小；时间常数Tf 要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀) ；容量滞后愈大，愈有利于控制时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器) 由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。 3）、注意工艺操作的合理性、经济性。
综合上述因素，在此次设计中选择气缸2的出气量作为控制变量。
3.2.4 传感器、变送器的选择
过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。
传感器与变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。
本次设计涉及到压力以及流量的测量，所以需要压力检测仪表以及流量检测仪表。下面介绍几种常用的压力及流量检测仪表以及检测的方法
测量压力、压差的仪表很多，按照转换原理的不同，大致可以分为四类。1、夜注式压力计 2、弹簧式压力计 3、电气式压力计 4、活塞式压力计。
本次设计选择电气式压力计中的电容式差压变送器，因为它能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。而且可以远距离传送信号。
电气式压力计一般由敏感元件、测量和信号处理电路组成，常用的信号处理有补偿电路、放大转换电路，如下图
3.2.5 测量流量仪表的选择
流量一般是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。流量可以用质量表示，也可以用体积表示，单位时间内流过的流体以质量表示时为质量流量。
单位是每秒立方米，则流量的方程为：Q=SV=常量。不可压缩的流体作定常流动时，通过同一流管各截面的流量不变。
对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。
流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所
3.2.6 执行器、安全栅的选择
执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。
在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器直接安装在生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。
执行器大致分以下几类：
（1）执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。
（2）按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。
（3）按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。
（4）按输入控制信号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。
造型又分为单作用、双作用执行机构。单作用执行机构的选用以SR 系列气动执行机构为例在弹簧复位的应用中，输出力矩是在两个不同的操作过程中所得，根据行程位置，每一次操作产生两个不同的力矩值。弹簧复位执行机构的输出力矩由力(空气压力或弹簧作用力) 乘上力臂所得第一种状况：输出力矩是由空气压力进入中腔压缩弹簧后所得，称为" 空气行程输出力矩" 在这种情况下，气源压力迫使活塞从0度转向90度位置，由于弹簧压缩产生反作用力，力矩从起点时最大值逐渐递减直至到第二种状况：输出力矩是当中腔失气时弹簧恢复力作用在活塞上所得，称为" 弹簧行程输出力矩" 在这种情况下，由于弹簧的伸长，输出力矩从90度逐渐递减直0度如以上所述，单作用执行机构是根据在两种状况下产生一个平衡力矩的基础上设计而成的。
双作用执行机构的选用以DA 系列气动执行机构为例。齿轮条式执行机构的输出力矩是活塞压力(气源压力所供) 乘上节圆半径(力臂) 所得，如图4所示。且磨擦阻力小效率高。如图5所示，顺时针旋转和逆时针旋转时输出力矩都是线性的。在正常操作条件下，双作用执行机构的推荐安全系数为25-50%
本次主要用到针型调节阀如下图所示
图3.8 针型调节阀
任何阀门的作用都是为了切断流体. 根据阀芯的不同, 可以分为截止阀, 闸阀 , 球阀, 碟阀，针型阀等等.
针型阀形比其他类型的阀门能够耐受更大的压力, 密封性能好, 所以一般用于较小流量, 较高压力的气体或者液体介质的密封. 针型阀形与压力表配合使用是最合适的了. 一般的针型阀形都做成螺纹连接。公称压力：PN2.5 PN4 PN6.4 PN16 PN32Mpa 公称通径：DN5～DN25 适用介质：油﹑水﹑气等多种非腐蚀性或腐蚀性介质 适用温度：-20℃～+440℃ -70℃～-240℃ ≤540℃ ≤570℃等制造材料：20#﹑1Cr18Ni9Ti ﹑304﹑316﹑316L ﹑12Cr1Mov 等
相对应的参数为：公称通径6~40mm ，压力范围1.6～32.0M ，适用介质水、油品、蒸汽、石油气等 ，制造标准GB ANSI JIS。
安装中还需要注意的事项：1）、安装位置、高度、进出口方向必须符合设计要求，注意介质流动的方向应与阀体所标箭头方向一致，连接应牢固紧密。 2）、阀门安装前必须进行外观检查，阀门的铭牌应符合现行国家标准《通用阀门标志》GB 12220的规定。对于工作压力大于1.0 MPa 及在主干管上起到切断作用的阀门，安装前应进行强度和严密性能试验，合格后方准使用。强度试验时，试验压力为公称压力的1.5倍，持续时间不少于5min ，阀门壳体、填料应无渗漏为合格。严密性试验时，试验压力为公称
压力的1.1倍；试验持续的时间符合GB 50243的要求。
安全栅又称安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区和能量转递。一般安全栅有齐纳式、隔离式.
下图是齐纳式安全栅
图3.9 齐纳式安全栅
电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：
1、 安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分的苛刻并在实际工程应用中难以保证。
2、 要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。
3、 齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。
4、 由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量，所以易造成输出不稳定。
下图是隔离式安全栅
图3.10隔离式安全栅
采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：
1. 由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。
2. 对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。
3. 由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大
大增强，从而提高了整个系统的可靠性。
4. 隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。
3.3 PID调节的各个环节及其调节过程
3.3.1 PID控制的特点
工程实际中，应用最为广的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。
在过程控制中，按偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）进行控制的PID 控制器（亦称PID 调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
3.3.2．比例(P)调节
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：
（3.29）
式中K P 为比例系数，δ为比例带。
比例调节规律及其特点，比例调节作用，一般用字母P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
（3.30）
式中 ——调节器的输出变化值；
——调节器的输入，即偏差；
——比例调节器的放大倍数。
放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
I 调 (3.31)
了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI 调节器，其作用特性可用下式表示
(3.31)
这里，表示PI 调节作用的参数有两个：比例度P 和积分时间。而且比例度不仅影
响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
下图为比例积分控制的阶跃响应
3.3.4
(3.32)
式中T D 度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
t
图3.13微分的阶跃响应图
3.3.5. 比例积分微分(PID)调节
由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。
比例积分微分调节又称PID 调节，它的传递函数为：
(3.33)
下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
图3.14 各种控制规律对应的响应过程
PID 控制器是一种线性控制器如图6，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。其控制规律为：
(3.34)
DDZ-Ⅲ型调节器采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。主要特点如下：1、采用国际电工委员会推荐的同意信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号为DCI~5V，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。2、广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。3、整套仪表可构成安全火花型防爆系统，是按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表能在危险场所中使用。
下图是全刻度指示调节器的面板图。
图3.16 PID控制器面板图
在调节器的右侧面板上设有正、反作用切换开关，正作用时偏差=测量值-给定值，反作用市偏差=给定值-测量值。调节器正、反作用的选择是根据控制系统负反馈要求而定的。在调节器的右侧面板上还设有P 、T1、T0参数设定轮，在调节器使用中，根据不同控制对象特性，可以分别整定PID 参数，以达到最佳的控制品质。
DDZ-Ⅲ型调节器的原理电路主要油输入电路、给定电路、PID 运算电路，自动与手动切换电路、输出电路及指示电路组成。
3.3.7 PID控制器参数的整定
简单控制系统的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统处于最佳过渡过程时，调节器比例度P 、积分时间Ti 和微分时间Td 的具体数值。
通常用到三种方法，稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法。本次设计采用衰减曲线法，因为这种方法不需要系统达到临界振荡状态，步骤简单，也比较安全。
一般情况下，我们要求过渡过程衰减率φ=0.75，即递减比n 为4：1，其整定步骤如下:
（1） 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于温度系统：P （%）20--60，I （分）3--10，D （分）0.5--3
对于流量系统：P （%）40--100，I （分）0.1--1
对于压力系统：P （%）30--70，I （分）0.4--3
对于液位系统：P （%）20--80，I （分）1--5
在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及
生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。
下图是系统衰减振荡曲线，从中可以看出此时的振荡周期Ts ，以及比例度PS
图3.17 系统衰减振荡曲线
按照给出的经验公式计算调节器的整定参数值P 、Ti 、Td ，并按计算结果设置调节参数，再做设定值的扰动实验，观察过渡过程曲线。可以适当的调P 、Ti 、Td 计算值，并做调整，直到最满意的结果。
3.3.8 模糊PID 流量控制原理
为了满足工艺要求，设计了带修正因子和寻优参数的模糊控制器。控制规则是模糊控制器的核心部分，它决定了模糊控制器的有效性与实用性[9、10]。一成不变的控制规则, 其适应性显然较差，为此本文采用一种带修正因子的模糊控制算法。
（3.35）
式中:为加权系数；为取整；值的大小直接反映了控制量对偏差及偏差变化率的加权程度, 其值可根据偏差的大小自动在线调整。设偏差和偏差变化率EC 的论域为:
（3.36）
由(2) 式可知, 在整个论域范围内具有在线参数自整定的模糊控制规则可表达为:
(3.37)
式中
一般取0、3左右。这个控制规则的特点是: 调整参数在和1之间随误差绝对值的大小而变化, 由于N 是量化等级, 故有N + 1 个可能的取值。当=时, 为最小, 的权重最大; 当时, = 1, 的权重最大, 故能尽快消除偏差，下图给出了带修正因子的规则自整定模糊控制器。在控制策略中, 增加了积分抑制作用, 其目的在于提高系统的稳态精度, 增强适应性, 改善系统的动态特性。
（3.38）
式(4)中, 、分别为给定的阀值; 为比例系数。模糊量化部分采用归一化模糊量化处理, 这样就无需再设置和调整量化因子 和, 而模糊控制器所需调整的参数只剩下一个, 可采用自寻优在线调整, 使系统工作在最佳状态。文中选用ITAE 准则作为目标函数, 即:
带修正因子和优化参数的模糊控制器, 可使模糊控制规则实现自调整、自完善, 适用于被控对象的特性不太明确或特别复杂, 而无法用精确数学模型来描述的系统。这种方法不仅可以保证系统输出响应快, 调节时间短, 超调量小, 控制精度高, 鲁棒性好, 而且还有较强的抗干扰能力和自适应能力[12]。
常规PID 控制对非线性、时变和机理复杂的过程难以控制以及参数在线整定困难；模糊控制器虽然能对复杂的和难以建模的过程进行简单而有效的控制，但是简单模糊控制器由于不具有积分环节，因而很难消除稳态误差。如果将2种控制策略结合，则可以构成两者优点兼有的新的控制器，即模糊PID 控制器。
本系统采用的是模糊PID 控制器[14]。模糊控制器采用串级结构, 输入量选用设定的流量值与采样流量值之间的偏差以及流量偏差值的变化率, 输出量选用流量控制量。模糊控制器的设计是模糊控制中的重点, 它由模糊化、模糊算法、模糊判决三部分组成。
自适应模糊PID 就是找出PID 的3个参数、、与误差和误差变化率之问的模糊关系。在运行中通过不断检测和，对3个参数进行在线修改，以满足不同和时对控制参数的要求，使被控对象具有良好的动、静态特性。
根据PID 输出的工程状态，将系统响应划分为3个区域：①响应阶段。此时较大，为加速系统的响应速度，应取较大的、较小的 ，且为0；②跟随阶段。此时中等，为了使系统的超调量减小和保证一定的响应速度，应取较小的，和的大小要适中；③调整阶段。此时较小，为了使系统具有良好的稳态性能，应增大和的数值，并取适当，使系统避免振荡。下表3.2 为总结出各种情况时的控制规则表
表3.1 控制规则表
NB PB PB PM PM PS O O
压
力 偏 差
NM PB PB PM PM PS O O
NS PB PB PM PS O NM NM
O PB PB PM O NM NB NB
PS PM PM O NS NM NB NB
PB O O NS NM NM NB NB
通过表3.2根据专家及工程技术人员的经验, 建立合适的模糊控制规则表, 见表3.3、表3.4、表3.5所列。
表3.2 △K
的模糊控制规则表
NB NB NS NS NS ZO ZO PS e
NM NS NS ZO NS ZO ZO PS
NS NS NS ZO ZO PS PS PS
ZO ZO ZO ZO ZO PS PB PB
PS NS NS ZO ZO PS PS PS
PM NS NS NS NS ZO PS PS
PB NB NS NS NS ZO ZO ZO
表3.3 △K I 的模糊控制规则表
NB PB PB PB PS PS PS ZO e
NM PS PS PS PS PS ZO NS
NS PS PS PS PS ZO NS NB
ZO NS NS NS ZO PS PS PS
PS NB NS ZO PS PS PS PS
PM NS ZO PS PS PS PS PS
PB ZO PS PS PS PB PB PB
第三步：将上一步得到的模糊化输入变量及计算出来的模糊控制量，根据操作者的经验或专家的知识, 用if, then描述的一组条件语句。
第四步：把控制量由模糊形式转化为精确形式, 这一步叫做解模糊化。
器2
下图是模糊PID 控制流程图
第4章 系统仿真
通过系统仿真分析波形，从而验证本方案是否合理，因此此环节更需小心谨慎。下面详细介绍MATLAB 及其仿真波形图。
4.1 MATLAB的介绍
MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink 两大部分。
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
4.2 传统PID 控制及模糊PID 控制的仿真
在进行MATLAB 仿真时，首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI ）下建立上述的模糊控制器，然后在SIMULINK 环境下，选择所需的模块，建立系统仿真模型进行仿真。
下图是传统控制器仿真模型图
图4.1 传统控制器仿真模型图
首先按4：1衰减曲线整定，在Simulink 中，把反馈连线、微分器的输出连线、积分器的输出连线都断开，“Kp ”的值从大到小进行试验，每次仿真结束后，观察示波器的输出，直到输出4：1衰减振荡曲线为止。下图为P 控制时系统的单位阶跃响应。
图4.2 P控制时系统的单位阶跃响应图
下图是衰减曲线法法整定参数计算表。
表 4.1 衰减曲线法法整定参数计算表
从仿真图4.2可以得出，当Kp=4.459时，在t=2.45出现了第一峰值，它的值为1.19；在t=5.31时出现第二峰值，它的值为0.93，稳定值是0.8，计算可得衰减度为4：1 。所以，Ts=5.31-2.45=2.86，由此可得出P 控制整定时，比例放大系数和出现4:1衰减振荡时的比例系数相同。
根据衰减曲线法整定控制器参数表4.1可以得知，当用PI 控制整定时，比例放大系数Kp2=5/6Kp1= 3.749 积分时间常数Ti= 1.43，所以将“1/Ti”的值设为 1/1.43=0.699 将面将积分器的输出连线连接上，仿真运行，运行完毕后，双击“SCOPE ”得到PI 控制时系统的单位阶跃响应曲线图。
图4.3 PI控制时系统的单位阶跃响应曲线图
根据衰减曲线法整定控制器参数表可以得知，当用PID 控制整定时，比例放大系数Kp3=1.2Kp1=5.4 积分时间常数Ti= 0.3Ts=0.858 ，将“1/Ti”的值设为 1/0.858=1.165。“tou ”的值为0.1Ts=0.286 将微分器的输出连线也接上，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope ”得到PID 控制时系统的单位阶跃响应曲线图。
图4.4 PID控制时系统的单位阶跃响应曲线图
通过上面三幅图可以看出，P 控制PI 控制的阶跃响应上升速度基本相同，由于其控制比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同，PI 控制的超调量比P 控制的小，PID 控制比P 控制和PI 控制的响应速度快，控制超调量也要大些。PID 控制也是最先达到稳定状态。
在 MATLAB命令窗口中键入 Fuzzy进入模糊逻辑编辑窗口, 选定 [Edit]下的[Add Input]、[Add Output]选项。确定模糊控制器的结构为两输入 e、ec 、三输出 k 、k 、k ,并确定输入、输出名,p i d。选择隶属函数的类型为三角形隶属函数 trimf;然后确定输入、输出变量的模糊子集为 [NB,NM,NS,ZO,PS,PM, PB],选定要编辑变量的图标, 确定当前变量的论域, 最后对各变量的隶属函数标明其对应模糊子集的模糊语言值。然后将模糊控制器编辑完成后, 进行仿真。得到如下图。
图4.5 模糊PID 控制时系统的单位阶跃响应曲线图
传统PID 控制系统的超调量为15％ ，调节时间3.8s ；自适应模糊PID 控制系统的超调量为0，调节时间2.1S ，上升速度快，振荡周期短。所以自适应模糊PID 控制系统适应力强，系统的静、动态特性和稳态性都较好，所以用模糊PID 控制是个更好的选择。
结论
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。本次设计主要是基于PID 控制器的过程控制系统。这种控制融合了较先进的自动化技术，具有安全系数高，控制精度高，维护容易等多方面功能特点，为压力过程控制的系统的连续、稳定、安全运行提供了保证。
本次毕业设计是有关过程控制系统里面的压力闭环控制系统的研究与设计，通过这次设计让我学习了相关专业知识的同时也了解了过程控制系统在各个领域的一些应用。初步了解过程控制技术在MATLAB 软件中的运用，明白了其中的一些简单控制原理。MATLAB 软件功能齐全、操作简单方便、友好的工作平台和编程环境、简单易用的程序语言、强大的科学计算机数据处理能力、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱，从而让我的这次设计过程变得相对简单。
参考文献
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[2] 李朝光, 焦炉集气管压力自动控制系统的优化. 柳钢科技, 2006：11-29. [3] 李伟明. 压力控制阀压力控制的力学分析及连接应用[J]. 内蒙古电大学刊, 2007,(08).
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[9] 刘金琨. 先进PID 控制MATLAB 仿真(修订版)[M].电子工业出版社,2004:197-199.
[10] 陶永华. 新型PID 控制及其应用(第二版)[M].机械工业出版社,2000.
社,2004 :3-5,45-50.
致 谢
本次设计的顺利完成首先要感谢的就是我们的指导老师。本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导，在论文设计过程中也多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同样也感谢学院为我们提供了这次毕业设计的环境以及机会，让我们扩充了知识面，提高了动手动脑的能力。为以后工作积累了不少经验。
虽然这设计过程中遇到了很多的困难，但是最后都迎难而上，最后都解决了问题，这对于我自己应付处理问题的能力得到了很大的提高。经过此次的毕业设计，我受益非浅，由于设计中涉及到的知识面很广，很多们专业知识需要综合运用，所以翻阅了大量的书籍以及浏览了无数的相关知识网页。虽然付出了很多的汗水与辛酸，但是这一切肯定是值得的，因为我们在付出之后，得到了不错的回报。
由于本人水平有限, 加之时间仓促, 设计中疏漏和错误之处在所难免, 希望老师给予谅解，同时也希望老师加以批评和指正，使我在以后的学习和工作中取得更大的成绩。
2011届 本科生毕业设计资料
过程管理资料
第二部分
2011届毕业设计课题任务书
系(部) ：电子与通信工程系 专业：电气工程及其自动化 班级：电气二班
注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份由指导教师保留，一份交系部存档。
附件五：
本科毕业设计开题报告
（2011届）
2011年 2 月1日
在指导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经指导师审查后签署意见生效。
本科生毕业设计
压力控制系统的研究与设计
系 （部）：
专 业：
学 号：
学生姓名：
指导教师
2011 年 5 月
摘 要
所谓压力控制系统就是利用管道或容器中的介质压力作为被控制量，从而保证输出一个恒定的气压的反馈控制系统。目前生产中应用的压力控制系统，主要以传统的PID 控制算法为主。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，传统的PID 控制方式显得无能为力。为适应复杂控制系统的控制要求，人们研究了很多智能控制方法，模糊PID 控制便是其中之一。本文主要研究了模糊PID 控制及其改进方法在压力系统中的应用。通过使用PID 控制技术与模糊控制理论控制该压力系统，并利用MATLAB 仿真软件对系统进行了仿真研究。
仿真研究的结果表明，参数自整定模糊PID 控制可以在线调整PID 参数，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和良好的稳定性。
关键词：过程控制，压力控制系统，模糊PID 控制
ABSTRACT
The pressure control systems is a pipe or container used in the media pressure is measured as a control the feedback from the control system. To ensure that the output of a constant pressure.
It is a hipractical value to study th level control methods ．application of the current production level control system．mainly to the traditional PID algorithm．based ．But for the large ．scale complex systems ，its mathematical models are often dimcult to obtain.the traditional PID control is powerless．In order to meet the requirements of the pressure control system,people have developed a lot of much intelligent control methods ，and fuzzy PID control is one of them．This paper mainly researched the fuzzy PID control andimprovement methods in pressure control system．Through the use of PID control technology and the fuzzy control theory, the pressure control system is designed, and using MATLAB simulation software of the simulation system.
Simulation results show that parameter self-tuning fuzzy PID control can adjust the PID parameters online,making the control system fast response speed, small overshoot, Shortened transition time, reducing the frequency of oscillation,has strong robustness and good stability.
Keywords : process control, pressure control system, fuzzy PID control
目 录
摘 要 .................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................... II
第1章 绪论 ..................................................................................................... 1
1.1课题背景 ..................................................................................................... 1
1.2压力控制系统的发展状况 .......................................................................................... 1
第2章 过程控制系统的总体方案 . ................................................................ 3
2.1确定系统任务 .............................................................................................................. 3
2.2系统组成与工作原理 .................................................................................................. 3
2.3 系统初步思路及方案 ................................................................................................. 3
第3章 压力闭环控制系统的具体设计 . ........................................................ 6
3.1 建立数学模型 ............................................................................................................. 6
3.1.1 数学模型的定义 .............................................................................................. 6
3.1.2 数学模型分类 .................................................................................................. 6
3.1.3 数学模型的建立及传递函数的确定 .............................................................. 6
3.2 控制方案的确定 ......................................................................................................... 9
3.2.1 被控参数的选择 ............................................................................................ 10
3.2.2 控制变量的选择 ............................................................................................ 10
3.2.5 测量流量仪表的选择 .................................................................................... 14
3.2.6 执行器、安全栅的选择 ................................................................................ 16
3.3 PID调节的各个环节及其调节过程 ........................................................................ 19
3.3.1 PID 控制的特点 ............................................................................................. 19
3.3.2 比例(P)调节 .................................................................................................. 19
3.3.3 比例积分调节 ................................................................................................ 20
3.3.4 比例微分(PD)调节 ........................................................................................ 21
3.3.5 比例积分微分(PID)调节 .............................................................................. 22
3.3.6 PID 控制器 ..................................................................................................... 22
3.3.7 PID 控制器参数的整定 ................................................................................. 23
3.3.8 模糊PID 流量控制原理 ................................................................................ 24
3.3.9 定义输入、输出变量 .................................................................................... 28
第4章 系统仿真 . .............................................................................................. 30
4.1 MATLAB的介绍 .......................................................................................................... 30
结论 ..................................................................................................................... 33
参考文献 ............................................................................................................. 34
致 谢 ................................................................................................................. 35
第1章 绪论
1.1课题背景
随着过程控制的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。而气压控制作为过程控制的重要一类，现今也是快速成为越来越重要的一种控制媒介，其理由为在气压缸之程序控制，气压控制提供了最逻辑的控制手段，应用在现今自动化的生产机器。气压是一个日常生活中常常接触到的物理量，初中时我们就接触了大气压的应用。在日常生活中，我们接触到的有气压计 、抽水机、抽气机、打气筒、高压锅等等，在医学领域，最常见的有气压止血带、高气压消毒、血压计等等。在工业上，如气体压缩机、离心压缩机、富气压缩机等等 ，而这些在石油化工行业中起到了举足轻重的作用。
1.2压力控制系统的发展状况
随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足这方面的要求。 出现了多变量PID 神经元网络控制系统，电气比例阀气压控制系统，基于硅微控阀门的气压控制系统，模糊PID 控制压力控制系统等一系列高科技的压力控制系统。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。气压液压控制技术既不是“朝阳技术”，也不是“夕阳技术”，而是与人类共存的永恒技术，且在中国还是一个不断发展的技术。20世纪80年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，气压的应用尤其字锅炉，航空等行业，产品的技术性能已接近发达国家水平。锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，
未来将如何发展，是非常值得研究的。而这一切都离不开对压力控制系统的研究。而国外一些发达国家在控制系统这方面的研究更是非常的重视，而且在高科技技术的背景下，更是取得了相当大的成果。比如在油田领域中，运用钻井液微流量控制系统技术（MFC ）通过对钻井液的精密控制，从而更高预防和减少钻井事故的发生。还有航空领域，采用模糊控制方法实现了大气压力模拟舱内的压力控制。采用LabVIEW 软件开发测控软件, 利用实验室的现有条件, 结合某型电子/气动式压调器的实验, 完成了飞机在各种飞行状态下所需的大气压力模拟舱内的压力控制, 取得了非常好的效果。
第2章 过程控制系统的总体方案
本章主要介绍本次压力控制系统设计的总体方案，其中包括确定系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等，从而为接下来的具体设计指明了方向。
2.1系统任务
本系统由三个压力容器和针型阀、压力及流量等相关的检测、变送、模拟信号端子板组成。整个装置有三个压力检测变量，可从中选择一至两个被控变量。一般，支路1流量作为操作变量主输入通道，支路2则为扰动输入通道。主要任务有三点：1、设计控制器，对输入偏差进行PID 运算，得到PID 参数。2、控制器输出变化量控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数，使被调参数保持在设定值。3、确定被控变量、操作变量、主要扰动的控制方案。
2.2系统组成与工作原理
压力控制系统的研究与设计系统方框图如图2.1所示。本图是一个简单的单闭环控制系统。一个完整的过程控制系统图一般有调节器（控制器）、执行器、被控过程和测量变送器四个环节。其中调节器、执行器和测量变送器都属于检测控制仪表，所以，也可以认为 ，过程控制系统 = 检测和控制仪表 + 被控过程。
图2.1 压力控制系统方框图
2.3 系统初步思路及方案
研究思路： 1、通过系统方框图以及设计要求，了解大致思路。
2、设计硬件电路，选择功能模块电路的资料
3、控制面板的设计，需要用到压力容器、压力检测计、流量检测
装置、 PID控制器、电子调节阀、针型阀
4、通过PID 运算电路，写出PID 的传递函数
5、硬件仿真，记录数据以及实时曲线。
下图是控制系统的简单结构图
图2.2控制系统的简单结构图 具体方案：第一步 先给气缸1冲入气体并且使其获得气压。然后打开连接气缸1和气缸2的针型阀，并且通过仿真的波形图观察容器2的气压。其仿真波形图如图3。气缸1的气压为a ，气缸2中的气压为c 。
图2.3 初始波形图 当气缸2的气压达到平衡（t. 0）的时候，测量出PID 参数分别为P 、I 、D 。并且保持其PID 值不变。
第二步 突然加大气缸1和气缸2的针型阀的开度，使气缸2中的气压突然增大，并且观察气缸1，2的仿真波形图如图2.4。
图 2.4 干扰后波形图
从图2.4 我们可以得知容器1和容器2会重新达到一个平衡。
系统的总体方案无疑是相当重要的一环，当系统任务、系统组成及工作原理、初步方案等有了初步的确定之后，接下来的设计就会变得相对简单明了。
第3章 压力闭环控制系统的具体设计
这章所要介绍的内容无疑是本次设计的核心部分，要设计一个压力控制系统。首先得解决其中的几个重要环节：数学模型的建立、系统的具体控制方案、PID 及模糊PID 具体控制原理及方法。下面一一做详细分析：
3.1 建立数学模型
3.1.1 数学模型的定义
在各式各样的被控过程中，有的被控过程容易控制，而有些则很难控制，有些进行的慢，有些进行的快，要精确地描述被控过程的动态特性，离不开数学模型。所谓数学模型就是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。
3.1.2 数学模型分类
（1） 机理法 机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。
（2） 测试法 测试法建模通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。
3.1.3数学模型的建立及传递函数的确定
气体压力控制过程实际上是密闭容腔的充放气过程。尽管容腔的充放气过程是气动系统的一个基本过程, 但考虑到气体流动的复杂性, 为了便于分析和研究问题, 特作如下假设: 在常温常压下把所研究的工作介质看成理想气体, 气体流动过程为等熵(可逆绝热) 过程, 密闭容腔充放气时气体与外界无热量交换, 即视为绝热过程; 气体经过阀口流动时忽略粘性阻力的影响, 并忽略各处的泄漏。要得到整个气路控制系统的数学模型, 这里首先给出几个基本概念:
(1)电阻
气阻与电子线路中的电阻相似, 它具有电阻的串连特性, 它可以改变气体的流量, 而在它的两端产生压力降。在流体成层流状态时, 气阻的大小与两端的压降成正比, 与
流过的流量成反比, 可表为
R =△p (3.1) Q
式中: R 为气阻; p 为气阻两端的压降; Q 为气体质量流量。
在这里, 电磁阀和针孔阀的特性均表现为气阻, 通常电磁阀、针孔阀均只有两个状态, 即开状态和关
状态, 开状态下气阻大小由式( 1) 决定, 当关闭时气阻为无穷大。
（2） 电容
在电子线路中, 电容的大小由使用它两端升高单位电压所需要增加的电量来表示。气容在气路中的作用与电容在电路中的作用相似, 其值由升高单位气压所需增加的气体量表示, 即:
C =dm （3.2） dpc
式中: m 为气体质量; p C 为气室中的压力; C 为气容量。
对容积不变的固定气缸的气容, 在常温常压下, 把所研究的工作介质看成理想气体, 根据气体状态方程式:
pV =mR , T （3.3）
式中: p 为气室中的绝对压力; V为气体体积; m 为气体质量; R 为气体常数; 若将气容的充气放气过程视为等温过程, 则得到
Vdp =R 'Tdn （3.4） 则式( 2) 可以表示为 C =dm V = （3.5） dpc R 'T
由上式可见, 当温度T 不变时, 气容量C 与气室的容积V 成正比, 由于固定气室的容积恒定, 因此固定气室的气容量为一恒值。
（3）流量控制阀
流量控制阀为一种执行机构, 它接受控制信号, 并将其转换为相应的推杆直线位移, 以推动调节机构动作。静态特性为
dQ K v = （3.6） du
式中: u 为控制电压; Q 为介质流量。
动态特性为
G v =K V （3.7） T V s +1
其中Tv 为控制的时间常数, 一般很小, 可以忽略。则可以求得流量控制阀的传递函数的近似为
Q (s )=K v （3.8） U s 由于本课题涉及到多个压力容器，适合机理法建模。下图是控制系统的简单结构图。
图3.1控制系统的简单结构图
根据课题要求，支路1流量作为操作变量的主输入通道，支路2为扰动输入通道。通过由阀门1输入一固定气压的气流，即一般情况下阀门1不作用，而阀门2作为气缸2的输入调节阀，阀门3作为气缸2的输出调节阀，阀门4控制气缸3的输入，阀门5控制气缸3的输出。
P 气缸2作为被控变量，输入流量Q 阀门2是调节作用，而Q 阀门5是外部扰动作用。
根据物料平衡关系，气体累积量的变化速度等于输入流量和输出流量之差。首先对支路1进行分析，假设气缸2的容积V2是常数，则流入量与流出量相等
dP =Q 3-(Q 2+Q 5) （3.9） dt
（注：Q2、Q3、Q4、Q5分别指 阀门2、阀门3、阀门4、阀门5，A 代表气缸横
切面积, 容器2容器3的阻力分别是R1,R2）又 P=F/S ，气缸的的体积以及横切面积A 一定，所以密度ρ在一定的体积下与压强P 成正比 即ρ=kP
又
P =⎰[Q 3-(Q 2+Q 5)] （3.10）
设T1=A1ρ1R1, T2=A2ρ2R2，由G （s ）=△P(s)/△Q(s)
最后导出气缸2 和气缸3的过程传递函数G1（s ），G2（s ）分别为：
G 1(s )=
G 1(s )=k [(T 2R )S +(R 1+R 2)]△P 1(s ) （3.11） =2△Q s T 1T 2S +T 2+T 1+A 1ρR 2S +1kR 2△P 2(s ) （3.12） =△Q s T 1T 2S 2+T 2+T 1+A 1ρR 2S +1
3.2 控制方案的确定
通过控制方案的进一步分析，得到压力控制系统硬件简易方框图
图3.2 压力控制系统硬件简易方框图
3.2.1 被控参数的选择
生产中希望借助控制系统保持恒定值的参数称为被控参数，也称为被控变量。被控参数的选择是控制方案的重要一环，对控制系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、节能降耗、改善劳动条件、保证生产安全等具有决定性的意义，关系到控制方案的成败。如果被控参数选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管选用多么先进的检测控制设备，均难以到预期的控制效果。
影响正常操作的因素很多，但并非都需加以控制。只有根据工艺要求，深入分析工艺过程，才能选择出合适、可测的被控参数。
选择的方法：对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是容易理解的，也无需多加讨论。1). 选直接参数即能直接反应生产过程产品产量和质量，以及安全运行的参数。2). 选间接参数当选直接参数有困难（信号微弱或者无法进行检测）时采用。可以选择那些能间接反应产品质量产量又与直接参数有单值对 应关系的、易于测量的参数作为被控参数。
被控变量选择的原则：1、若可行，尽量选择质量指标参数作为被控变量。2、当不能选择质量指标作被控量时，应当选择一个与产品质量 指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控量。3、所选的间接指标应当具有足够大的灵敏度，以便反应产品质量的变化。择被控变量时需要考虑到工艺的合理性和国内外仪表的生产状况。
按照实际设计要求，以及控制系统图，可以得知，气体的流量、压力、因而选择气缸2的出口气压大小作为被控参数。
3.2.2 控制变量的选择 控制变量在物理学的概念是指那些除了实验因素(自变量) 以外的所有影响实验结果的变量，这些变量不是本实验所要研究的变量，所以又称无关变量、无关因子、非实验因素或非实验因子。只有将自变量以外一切能引起因变量变化的变量控制好，才能弄清实验中的因果关系。控制变量衍生到生活中的作用是控制一定影响因素从而得到真实的结果。
在控制系统中，把用来克服干扰对被控参数的影响，实现控制作用的变量称为控制变量，也称为操纵变量。在一个控制系统中，可以作为控制量的参数往往不至一个，所以控制量的选择问题也是系统设计中一个重要考虑的因素。在过程控制中最常见的控制变量是介质的流量。在有些生产过程中，控制变量是很明显的，如液位控制系统，其控制变量一般是选择出口流体的流量，而在温度控制系统中，控制变量一般选择载热介质的流量。但在有些生产过程中，影响被控参数的外部变量有几个，这些输入变量中，有
些允许控制，有些则不允许控制。从理论上讲，所有允许控制的变量都可选作为控制变量，但在单输入—单输出系统中只能有一个控制变量。
控制变量还需要注意几个方面：1）、控制变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量2）、控制变量一般应该比其他干扰对被控量的影响更加灵敏。为此，要合理选择控制变量，使控制通道的放大系数K0要适当选大一些；时间常数T0要适当小一些；纯滞后时间τ0越小 越好，τ0与T0之比应小于1. 扰动通道的放大系数Kf 应尽可能小；时间常数Tf 要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀) ；容量滞后愈大，愈有利于控制时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器) 由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。 3）、注意工艺操作的合理性、经济性。
综合上述因素，在此次设计中选择气缸2的出气量作为控制变量。
3.2.4 传感器、变送器的选择
过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。
传感器与变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。
本次设计涉及到压力以及流量的测量，所以需要压力检测仪表以及流量检测仪表。下面介绍几种常用的压力及流量检测仪表以及检测的方法
测量压力、压差的仪表很多，按照转换原理的不同，大致可以分为四类。1、夜注式压力计 2、弹簧式压力计 3、电气式压力计 4、活塞式压力计。
本次设计选择电气式压力计中的电容式差压变送器，因为它能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。而且可以远距离传送信号。
电气式压力计一般由敏感元件、测量和信号处理电路组成，常用的信号处理有补偿电路、放大转换电路，如下图
3.2.5 测量流量仪表的选择
流量一般是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。流量可以用质量表示，也可以用体积表示，单位时间内流过的流体以质量表示时为质量流量。
单位是每秒立方米，则流量的方程为：Q=SV=常量。不可压缩的流体作定常流动时，通过同一流管各截面的流量不变。
对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。
流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所
3.2.6 执行器、安全栅的选择
执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。
在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器直接安装在生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。
执行器大致分以下几类：
（1）执行器按所用驱动能源分为气动、电动和液压执行器三种。
（2）按输出位移的形式，执行器有转角型和直线型两种。
（3）按动作规律，执行器可分为开关型、积分型和比例型三类。
（4）按输入控制信号，执行器分为可以输入空气压力信号、直流电流信号、电接点通断信号、脉冲信号等几类。
造型又分为单作用、双作用执行机构。单作用执行机构的选用以SR 系列气动执行机构为例在弹簧复位的应用中，输出力矩是在两个不同的操作过程中所得，根据行程位置，每一次操作产生两个不同的力矩值。弹簧复位执行机构的输出力矩由力(空气压力或弹簧作用力) 乘上力臂所得第一种状况：输出力矩是由空气压力进入中腔压缩弹簧后所得，称为" 空气行程输出力矩" 在这种情况下，气源压力迫使活塞从0度转向90度位置，由于弹簧压缩产生反作用力，力矩从起点时最大值逐渐递减直至到第二种状况：输出力矩是当中腔失气时弹簧恢复力作用在活塞上所得，称为" 弹簧行程输出力矩" 在这种情况下，由于弹簧的伸长，输出力矩从90度逐渐递减直0度如以上所述，单作用执行机构是根据在两种状况下产生一个平衡力矩的基础上设计而成的。
双作用执行机构的选用以DA 系列气动执行机构为例。齿轮条式执行机构的输出力矩是活塞压力(气源压力所供) 乘上节圆半径(力臂) 所得，如图4所示。且磨擦阻力小效率高。如图5所示，顺时针旋转和逆时针旋转时输出力矩都是线性的。在正常操作条件下，双作用执行机构的推荐安全系数为25-50%
本次主要用到针型调节阀如下图所示
图3.8 针型调节阀
任何阀门的作用都是为了切断流体. 根据阀芯的不同, 可以分为截止阀, 闸阀 , 球阀, 碟阀，针型阀等等.
针型阀形比其他类型的阀门能够耐受更大的压力, 密封性能好, 所以一般用于较小流量, 较高压力的气体或者液体介质的密封. 针型阀形与压力表配合使用是最合适的了. 一般的针型阀形都做成螺纹连接。公称压力：PN2.5 PN4 PN6.4 PN16 PN32Mpa 公称通径：DN5～DN25 适用介质：油﹑水﹑气等多种非腐蚀性或腐蚀性介质 适用温度：-20℃～+440℃ -70℃～-240℃ ≤540℃ ≤570℃等制造材料：20#﹑1Cr18Ni9Ti ﹑304﹑316﹑316L ﹑12Cr1Mov 等
相对应的参数为：公称通径6~40mm ，压力范围1.6～32.0M ，适用介质水、油品、蒸汽、石油气等 ，制造标准GB ANSI JIS。
安装中还需要注意的事项：1）、安装位置、高度、进出口方向必须符合设计要求，注意介质流动的方向应与阀体所标箭头方向一致，连接应牢固紧密。 2）、阀门安装前必须进行外观检查，阀门的铭牌应符合现行国家标准《通用阀门标志》GB 12220的规定。对于工作压力大于1.0 MPa 及在主干管上起到切断作用的阀门，安装前应进行强度和严密性能试验，合格后方准使用。强度试验时，试验压力为公称压力的1.5倍，持续时间不少于5min ，阀门壳体、填料应无渗漏为合格。严密性试验时，试验压力为公称
压力的1.1倍；试验持续的时间符合GB 50243的要求。
安全栅又称安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区和能量转递。一般安全栅有齐纳式、隔离式.
下图是齐纳式安全栅
图3.9 齐纳式安全栅
电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：
1、 安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分的苛刻并在实际工程应用中难以保证。
2、 要求来自危险区的现场仪表必须是隔离型，否则通过齐纳式安全栅的接地端子与大地相接后信号无法正确传送，并且由于信号接地，直接降低信号抗干扰能力，影响系统稳定性。
3、 齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。
4、 由于齐纳式安全栅的电路原理需要吸收输入回路的能量，所以易造成输出不稳定。
下图是隔离式安全栅
图3.10隔离式安全栅
采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：
1. 由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。
2. 对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。
3. 由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大
大增强，从而提高了整个系统的可靠性。
4. 隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。
3.3 PID调节的各个环节及其调节过程
3.3.1 PID控制的特点
工程实际中，应用最为广的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。
在过程控制中，按偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）进行控制的PID 控制器（亦称PID 调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。
3.3.2．比例(P)调节
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：
（3.29）
式中K P 为比例系数，δ为比例带。
比例调节规律及其特点，比例调节作用，一般用字母P 来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
（3.30）
式中 ——调节器的输出变化值；
——调节器的输入，即偏差；
——比例调节器的放大倍数。
放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。
I 调 (3.31)
了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI 调节器，其作用特性可用下式表示
(3.31)
这里，表示PI 调节作用的参数有两个：比例度P 和积分时间。而且比例度不仅影
响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。
下图为比例积分控制的阶跃响应
3.3.4
(3.32)
式中T D 度的大小进行调节。比如当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地打开（关闭）调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比较有效地改善容量滞后比较大的调节对象的调节质量。
t
图3.13微分的阶跃响应图
3.3.5. 比例积分微分(PID)调节
由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。
比例积分微分调节又称PID 调节，它的传递函数为：
(3.33)
下图表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
图3.14 各种控制规律对应的响应过程
PID 控制器是一种线性控制器如图6，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。其控制规律为：
(3.34)
DDZ-Ⅲ型调节器采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。主要特点如下：1、采用国际电工委员会推荐的同意信号标准，现场传输信号为DC4~20mA，控制室联络信号为DCI~5V，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。2、广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。3、整套仪表可构成安全火花型防爆系统，是按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表能在危险场所中使用。
下图是全刻度指示调节器的面板图。
图3.16 PID控制器面板图
在调节器的右侧面板上设有正、反作用切换开关，正作用时偏差=测量值-给定值，反作用市偏差=给定值-测量值。调节器正、反作用的选择是根据控制系统负反馈要求而定的。在调节器的右侧面板上还设有P 、T1、T0参数设定轮，在调节器使用中，根据不同控制对象特性，可以分别整定PID 参数，以达到最佳的控制品质。
DDZ-Ⅲ型调节器的原理电路主要油输入电路、给定电路、PID 运算电路，自动与手动切换电路、输出电路及指示电路组成。
3.3.7 PID控制器参数的整定
简单控制系统的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统处于最佳过渡过程时，调节器比例度P 、积分时间Ti 和微分时间Td 的具体数值。
通常用到三种方法，稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法。本次设计采用衰减曲线法，因为这种方法不需要系统达到临界振荡状态，步骤简单，也比较安全。
一般情况下，我们要求过渡过程衰减率φ=0.75，即递减比n 为4：1，其整定步骤如下:
（1） 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID 控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于温度系统：P （%）20--60，I （分）3--10，D （分）0.5--3
对于流量系统：P （%）40--100，I （分）0.1--1
对于压力系统：P （%）30--70，I （分）0.4--3
对于液位系统：P （%）20--80，I （分）1--5
在生产过程中为了提高产品质量，增加产量，节约原材料，要求生产管理及
生产过程始终处于最优工作状态。因此产生了一种最优控制的方法，这就叫自适应控制。在这种控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态。自适应控制包括性能估计（辨别）、决策和修改三个环节。它是微机控制系统的发展方向。但由于控制规律难以掌握，所以推广起来尚有一些难以解决的问题。
下图是系统衰减振荡曲线，从中可以看出此时的振荡周期Ts ，以及比例度PS
图3.17 系统衰减振荡曲线
按照给出的经验公式计算调节器的整定参数值P 、Ti 、Td ，并按计算结果设置调节参数，再做设定值的扰动实验，观察过渡过程曲线。可以适当的调P 、Ti 、Td 计算值，并做调整，直到最满意的结果。
3.3.8 模糊PID 流量控制原理
为了满足工艺要求，设计了带修正因子和寻优参数的模糊控制器。控制规则是模糊控制器的核心部分，它决定了模糊控制器的有效性与实用性[9、10]。一成不变的控制规则, 其适应性显然较差，为此本文采用一种带修正因子的模糊控制算法。
（3.35）
式中:为加权系数；为取整；值的大小直接反映了控制量对偏差及偏差变化率的加权程度, 其值可根据偏差的大小自动在线调整。设偏差和偏差变化率EC 的论域为:
（3.36）
由(2) 式可知, 在整个论域范围内具有在线参数自整定的模糊控制规则可表达为:
(3.37)
式中
一般取0、3左右。这个控制规则的特点是: 调整参数在和1之间随误差绝对值的大小而变化, 由于N 是量化等级, 故有N + 1 个可能的取值。当=时, 为最小, 的权重最大; 当时, = 1, 的权重最大, 故能尽快消除偏差，下图给出了带修正因子的规则自整定模糊控制器。在控制策略中, 增加了积分抑制作用, 其目的在于提高系统的稳态精度, 增强适应性, 改善系统的动态特性。
（3.38）
式(4)中, 、分别为给定的阀值; 为比例系数。模糊量化部分采用归一化模糊量化处理, 这样就无需再设置和调整量化因子 和, 而模糊控制器所需调整的参数只剩下一个, 可采用自寻优在线调整, 使系统工作在最佳状态。文中选用ITAE 准则作为目标函数, 即:
带修正因子和优化参数的模糊控制器, 可使模糊控制规则实现自调整、自完善, 适用于被控对象的特性不太明确或特别复杂, 而无法用精确数学模型来描述的系统。这种方法不仅可以保证系统输出响应快, 调节时间短, 超调量小, 控制精度高, 鲁棒性好, 而且还有较强的抗干扰能力和自适应能力[12]。
常规PID 控制对非线性、时变和机理复杂的过程难以控制以及参数在线整定困难；模糊控制器虽然能对复杂的和难以建模的过程进行简单而有效的控制，但是简单模糊控制器由于不具有积分环节，因而很难消除稳态误差。如果将2种控制策略结合，则可以构成两者优点兼有的新的控制器，即模糊PID 控制器。
本系统采用的是模糊PID 控制器[14]。模糊控制器采用串级结构, 输入量选用设定的流量值与采样流量值之间的偏差以及流量偏差值的变化率, 输出量选用流量控制量。模糊控制器的设计是模糊控制中的重点, 它由模糊化、模糊算法、模糊判决三部分组成。
自适应模糊PID 就是找出PID 的3个参数、、与误差和误差变化率之问的模糊关系。在运行中通过不断检测和，对3个参数进行在线修改，以满足不同和时对控制参数的要求，使被控对象具有良好的动、静态特性。
根据PID 输出的工程状态，将系统响应划分为3个区域：①响应阶段。此时较大，为加速系统的响应速度，应取较大的、较小的 ，且为0；②跟随阶段。此时中等，为了使系统的超调量减小和保证一定的响应速度，应取较小的，和的大小要适中；③调整阶段。此时较小，为了使系统具有良好的稳态性能，应增大和的数值，并取适当，使系统避免振荡。下表3.2 为总结出各种情况时的控制规则表
表3.1 控制规则表
NB PB PB PM PM PS O O
压
力 偏 差
NM PB PB PM PM PS O O
NS PB PB PM PS O NM NM
O PB PB PM O NM NB NB
PS PM PM O NS NM NB NB
PB O O NS NM NM NB NB
通过表3.2根据专家及工程技术人员的经验, 建立合适的模糊控制规则表, 见表3.3、表3.4、表3.5所列。
表3.2 △K
的模糊控制规则表
NB NB NS NS NS ZO ZO PS e
NM NS NS ZO NS ZO ZO PS
NS NS NS ZO ZO PS PS PS
ZO ZO ZO ZO ZO PS PB PB
PS NS NS ZO ZO PS PS PS
PM NS NS NS NS ZO PS PS
PB NB NS NS NS ZO ZO ZO
表3.3 △K I 的模糊控制规则表
NB PB PB PB PS PS PS ZO e
NM PS PS PS PS PS ZO NS
NS PS PS PS PS ZO NS NB
ZO NS NS NS ZO PS PS PS
PS NB NS ZO PS PS PS PS
PM NS ZO PS PS PS PS PS
PB ZO PS PS PS PB PB PB
第三步：将上一步得到的模糊化输入变量及计算出来的模糊控制量，根据操作者的经验或专家的知识, 用if, then描述的一组条件语句。
第四步：把控制量由模糊形式转化为精确形式, 这一步叫做解模糊化。
器2
下图是模糊PID 控制流程图
第4章 系统仿真
通过系统仿真分析波形，从而验证本方案是否合理，因此此环节更需小心谨慎。下面详细介绍MATLAB 及其仿真波形图。
4.1 MATLAB的介绍
MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink 两大部分。
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
Simulink 是MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink 。
Simulink 是MATLAB 中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
4.2 传统PID 控制及模糊PID 控制的仿真
在进行MATLAB 仿真时，首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI ）下建立上述的模糊控制器，然后在SIMULINK 环境下，选择所需的模块，建立系统仿真模型进行仿真。
下图是传统控制器仿真模型图
图4.1 传统控制器仿真模型图
首先按4：1衰减曲线整定，在Simulink 中，把反馈连线、微分器的输出连线、积分器的输出连线都断开，“Kp ”的值从大到小进行试验，每次仿真结束后，观察示波器的输出，直到输出4：1衰减振荡曲线为止。下图为P 控制时系统的单位阶跃响应。
图4.2 P控制时系统的单位阶跃响应图
下图是衰减曲线法法整定参数计算表。
表 4.1 衰减曲线法法整定参数计算表
从仿真图4.2可以得出，当Kp=4.459时，在t=2.45出现了第一峰值，它的值为1.19；在t=5.31时出现第二峰值，它的值为0.93，稳定值是0.8，计算可得衰减度为4：1 。所以，Ts=5.31-2.45=2.86，由此可得出P 控制整定时，比例放大系数和出现4:1衰减振荡时的比例系数相同。
根据衰减曲线法整定控制器参数表4.1可以得知，当用PI 控制整定时，比例放大系数Kp2=5/6Kp1= 3.749 积分时间常数Ti= 1.43，所以将“1/Ti”的值设为 1/1.43=0.699 将面将积分器的输出连线连接上，仿真运行，运行完毕后，双击“SCOPE ”得到PI 控制时系统的单位阶跃响应曲线图。
图4.3 PI控制时系统的单位阶跃响应曲线图
根据衰减曲线法整定控制器参数表可以得知，当用PID 控制整定时，比例放大系数Kp3=1.2Kp1=5.4 积分时间常数Ti= 0.3Ts=0.858 ，将“1/Ti”的值设为 1/0.858=1.165。“tou ”的值为0.1Ts=0.286 将微分器的输出连线也接上，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope ”得到PID 控制时系统的单位阶跃响应曲线图。
图4.4 PID控制时系统的单位阶跃响应曲线图
通过上面三幅图可以看出，P 控制PI 控制的阶跃响应上升速度基本相同，由于其控制比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同，PI 控制的超调量比P 控制的小，PID 控制比P 控制和PI 控制的响应速度快，控制超调量也要大些。PID 控制也是最先达到稳定状态。
在 MATLAB命令窗口中键入 Fuzzy进入模糊逻辑编辑窗口, 选定 [Edit]下的[Add Input]、[Add Output]选项。确定模糊控制器的结构为两输入 e、ec 、三输出 k 、k 、k ,并确定输入、输出名,p i d。选择隶属函数的类型为三角形隶属函数 trimf;然后确定输入、输出变量的模糊子集为 [NB,NM,NS,ZO,PS,PM, PB],选定要编辑变量的图标, 确定当前变量的论域, 最后对各变量的隶属函数标明其对应模糊子集的模糊语言值。然后将模糊控制器编辑完成后, 进行仿真。得到如下图。
图4.5 模糊PID 控制时系统的单位阶跃响应曲线图
传统PID 控制系统的超调量为15％ ，调节时间3.8s ；自适应模糊PID 控制系统的超调量为0，调节时间2.1S ，上升速度快，振荡周期短。所以自适应模糊PID 控制系统适应力强，系统的静、动态特性和稳态性都较好，所以用模糊PID 控制是个更好的选择。
结论
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。本次设计主要是基于PID 控制器的过程控制系统。这种控制融合了较先进的自动化技术，具有安全系数高，控制精度高，维护容易等多方面功能特点，为压力过程控制的系统的连续、稳定、安全运行提供了保证。
本次毕业设计是有关过程控制系统里面的压力闭环控制系统的研究与设计，通过这次设计让我学习了相关专业知识的同时也了解了过程控制系统在各个领域的一些应用。初步了解过程控制技术在MATLAB 软件中的运用，明白了其中的一些简单控制原理。MATLAB 软件功能齐全、操作简单方便、友好的工作平台和编程环境、简单易用的程序语言、强大的科学计算机数据处理能力、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱，从而让我的这次设计过程变得相对简单。
参考文献
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[10] 陶永华. 新型PID 控制及其应用(第二版)[M].机械工业出版社,2000.
社,2004 :3-5,45-50.
致 谢
本次设计的顺利完成首先要感谢的就是我们的指导老师。本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导，在论文设计过程中也多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同样也感谢学院为我们提供了这次毕业设计的环境以及机会，让我们扩充了知识面，提高了动手动脑的能力。为以后工作积累了不少经验。
虽然这设计过程中遇到了很多的困难，但是最后都迎难而上，最后都解决了问题，这对于我自己应付处理问题的能力得到了很大的提高。经过此次的毕业设计，我受益非浅，由于设计中涉及到的知识面很广，很多们专业知识需要综合运用，所以翻阅了大量的书籍以及浏览了无数的相关知识网页。虽然付出了很多的汗水与辛酸，但是这一切肯定是值得的，因为我们在付出之后，得到了不错的回报。
由于本人水平有限, 加之时间仓促, 设计中疏漏和错误之处在所难免, 希望老师给予谅解，同时也希望老师加以批评和指正，使我在以后的学习和工作中取得更大的成绩。
2011届 本科生毕业设计资料
过程管理资料
第二部分
2011届毕业设计课题任务书
系(部) ：电子与通信工程系 专业：电气工程及其自动化 班级：电气二班
注：本任务书一式三份，由指导教师填写，经教研室审批后一份下达给学生，一份由指导教师保留，一份交系部存档。
附件五：
本科毕业设计开题报告
（2011届）
2011年 2 月1日
在指导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经指导师审查后签署意见生效。