盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2011)
下所示：
G(s)?Kp?Ki?Kds (3-2) s起始于输出方程为：
de(t) (3-3) dt式(3-1)与式(3-2)实际上可以相互转还，两者参数间的关系如下所示：
KcKp?Kc， Ki?， Kd?KcTd (3-4）
Ti1此时，模型的积分时间和微分时间也相应改变，分别为：和 Kd
Ki3.4 PID控制各参数的作用
u(t)?Kpe(t)?Ki?e(t)dt?KdPID控制器包括积分、比例、微分三个部分，分别代表过去、现在和将来的控制作用，相应的控制参数：比例增益Ki、积分时间Ti、微分时间Td的取值影响带系统控制效果的好坏。三部分对系统性能的影响如下所示：
(a)比例作用
引入比例的作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即生效，使系统偏差快速向减小的趋势变化。增大比例增益，可提高系统开环增益，减小系统稳态误差，从而提高控制精度加快调节速度。
但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成闭环系统不稳定。
(b)积分作用 引入积分作用是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪，改善系统的稳态性能。从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分调节的输出为常数。积分作用的强弱取决于时间常数Ti的大小，Ti越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。
但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后，使系统稳定性下降，动态响应变慢。因此，实际中一般不单独使用积分器，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI或PID控制器。
(c)微分作用 引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度，同时使相位超前，提高系统的相位裕度，增加系统稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化率，遇见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微分作用的强弱取决于微分时间Td的大小，Td越大，微分作用越强。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。
但是微分作用对噪声干扰有放大作用，而这时我们在设计时不希望看到的。所以我们不能过强的增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰能力产生不利影响。因
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基于组态的智能仪表液位控制系统
此，微分器不能单独使用。 3.5 PID控制器的设计
PID控制器，是根据偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的控制器，是连续系统中技术最成熟、应用最广的一种控制器，也是计算机中应用最广泛的控制方式。PID被广泛地应用到微机数字控制系统中，形成了数字PID控制方式，其实现是由计算机软件完成的，本课题所研究的就是计算机软件与现场PID液位控制的控制方式。PID控制原理图如图3-8所示：
给定值 e PID控制器 u D/A 执行机构 被控对象 y + - A/D 传感器
图3-8 PID控制原理图
PID控制算式是以
u(t)?Kp[e(t)?1de(t)e(t)dt?Td] (3-5) ?Tidt来描述的，在式(3-6)中：
u(t)：PID控制器的输出信号；
e(t)：PID控制器的偏差信号；
Kp、Ti、Td：控制器的比例系数、积分、微分时间。
在PID的三种控制作用中，比例作用可对偏差作出及时的反映；积分作用主要用于消除静差，提高精度，改善系统的稳态特性；微分作用主要用来减少超调，克服振荡，使系统趋向于稳定，加快系统的动作时间，减少超调时间，用来改善系统的动态特性。如果将三种控制作用作适当配合，可使控制器快速、平稳、准确地运行，从而获得满意的控制品质。
PID控制器的三种控制作用是各自独立的，互不影响的，改变一个控制参数，只影响一种控制作用，而不影响其他的控制作用。为了用软件实现PID控制作用，必须将其控制算式进行离散化处理，以求得在计算机中使用的离散控制算式。我们采用梯形数值积分法，可得数字PID的位置型控制算法，如下式(3-7)所示： ?u(n)?u(n)?u(n?1)?Kp[e(n)?e(n?1)]?Kfe(n)?Kd[e(n)?2e(n?1)?e(n?2)] (3-6)
TTd式中：Kp称为比例增益，Kf?Kp称为积分增益，Kd?Kp称为微分增益，
TiTT为采样时间。
从式(3-6)可以得出PID控制器nT时刻的输出u(n):
u(n)?u(n?1)?Kp[e(n)?e(n?1)]?Kfe(n)?Kd[e(n)?2e(n?1)?e(n?2)] (3-7)
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从以上两式可以看出，采用增量式的PID算法只需保存当前时刻以前三个时刻的误差即可，这种算法具有如下优点：
(a)增量式PID算法只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影 响较小，误动作少。
(b)采用增量PID算法，其输出与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换或使切换冲击很小。
(c)增量式算法不进行累加计算，增量只与最近三次的误差值有关，节省了计算机存储空间，容易获得较好的控制效果。
常规PID控制器是一种应用广泛，技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，但采用PID控制算法的控制系统，其控制品质的优劣在很大程度上依赖于PID的控制参数的整定。而其整定方法都是根据对象特性离线进行的，因此，当工业对象存在时变性、非线性和不确定性时，PID控制往往不能保证良好的控制品质，对于大惯性、大时滞的对象，其效果也不能令人满意，原因在于常规PID控制器的参数是经离线整定后相对固定，不能根据对象特性变化和动态过程修改控制参数。本设计是基于组态的智能仪表的单水箱液位控制系统，通过计算机建立的监控界面完成相关仪表调校和控制器参数整定，常规PID控制器即可满足要求，但是在实际工业控制过程中，由于对象的特性变化或者具有动态特性，需要采取更加灵活有效的控制方式，如自适应PID控制、非线性PID控制、模糊PID控制等，本设计不做讨论。
4 系统监控界面设计
人机界面的设计时通过组态软件来实现的。组态软件的设计思想是面向对象(Object-Oriented)的思想，它模拟控制工程师们在进行过程控制时的思路，围绕被控对象及控制系统的要求构造“对象”，从而生成适用于不同应用系统的用户程序。组态软件的原理是将系统软件的基本部分和工具固定，而与应用有关的部分变成数据文件，这些数据文件由组态工具在屏幕上编辑而成。组态软件具有通用性强、灵活性好和良好的在线性等特点，其画面丰富，操作简单，集多功能为一体。 4.1组态软件简介
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System,简称DCS）的出现，才被广大的过程自动化技术人员所熟悉的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
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组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特殊任务、满足用户要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集（SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，HMI或MMI是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着其快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向。 (1)数据采集的方式
大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。由于COM技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。同时，组态软件同样可以作为服务器为其他的应用系统（如MIS等）提供数据。OPC现在已经得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等国外知名厂商的支持。随着支持OPC的组态软件和硬件设备的普及，使用OPC进行数据采集必将成为组态中更合理的选择。 (2)脚本的功能
脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此，大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种：一是内置的类C/Basic语言；二是采用微软的VBA的编程语言；三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。应该指明的是，多数采用这种方式的国内组态软件，对脚本的支持并不完善，许多组态软件只提供IF…THEN…ELSE的语句结构，不提供循环控制语句，为书写脚本程序带来了一定的困难。微软的VBA是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。由于VisualBasic
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是解释执行的，所以VBA程序的一些语法错误可能到执行时才能发现。而面向对象的脚本语言提供了对象访问机制，对系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问，比较容易学习、掌握和扩展，但实现比较复杂。
(3)组态环境的可扩展性
可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。增加功能最常用的手段是ActiveX组件的应用，目前还只有少数组态软件能提供完备的 ActiveX组件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问。
(4)组态软件的开放性
随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生产现场数据的应用已经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。现有的组态软件对大部分这些方面需求还只能以报表的形式提供，或者通过ODBC将数据导出到外部数据库，以供其他的业务系统调用，在绝大多数情况下，仍然需要进行再开发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加，可以预见，组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更加紧密，并很可能以实现数据分析与决策功能的模块形式在组态软件中出现。
(5)对Internet的支持程度
现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。 Internet将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持Internet，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要课题。限于国内目前的网络基础设施和工业控制应用的程度，笔者认为，在较长时间内，以浏览器方式通过Internet对工业现场的监控，将会在大部分应用中停留于监视阶段，而实际控制功能的完成应该通过更稳定的技术，如专用的远程客户端、由专业开发商提供的ActiveX控件或Java技术实现。
(6)组态软件的控制功能
随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。
随着企业提出的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。先进过程控制（Advanced Process Control，APC）是指一类在动态环境中，基于模型、充分借助计算机能力，为工厂获得最大理论而实施的运行和控制策略。先进控制策略主要有：双重控制及阀位控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理控制及软测量技术、智能控制（专家控制、模糊控制和神经网络控制）等，尤其智能控制已成为开发和应用的热点。目前，国内许多大企业纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。国外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相
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