基于Matlab的对过程控制系统的PID整定

孔凡杨

摘 要：本文就分析了串级控制系统的特点和设计，并分析了基于MATLAB的增量式PID算法应用在其中的应用，通过分析发现PID参数整定方法能够很好地实现串级控制系统的精度和稳定性。

关键词：MATLAB；串级控制；PID整定

笔者在此介绍了一种采用基于MATLAB的增量式PID控制的双容无自衡串级贮槽液料控制系统，并在PID参数整定方法的作用下实现了控制系统的良好控制效果。

1 串级控制系统的相关特点和设计分析

在对纯滞后和时间常数较大的对象控制中可使用串级控制系统，其对于系统控制质量的提高主要表现在以下几个方面，第一，是它能够很好地克服副回路中的二次干扰；第二，它能够使控制对象的时间常数减小；第三，它能够使动态特性在被控过程中得到改善，依此使控制系统的工作频率得以提高；第四，这种串级控制系统还能很好地适应操作条件和负荷的变化。

主回路和主参数的设计选择。在某些条件下，最直接有效的质量指标也可被选为主参数，不然在选择主参数时相关人员还可以选择一个与产品质量有单值函数关系的参数，但是灵敏度和工艺过程的合理性是这个被选主参数必须满足的条件。

副回路和副参数的设计与选定。较强的抑制扰动能力和较快的调节速度是串级控制系统副回路具备的主要优势，所以相关人员可以把尽可能多的一些扰动干扰放在副回路的设计中以充分利用副回路自身的优势，使其减少干扰对主参数的影响以提高其控制质量。

2 基于MATLAB的串级控制系统分析

本文介绍的是一个串联式双容无自衡液位过程，由上方的进料管液料流进贮槽S1，然后再经过管道液料又流进贮槽S2，这时液料的流出受到变频调速器的控制，如果此变频调速器的工作频率是固定不变的，那么一个积分时间常数不变的积分环节就会在贮槽S2中构成，在当前的工艺生产过程中液料位通常被要求在贮槽S2中保持某一定值，令被控制量为h，使S1中进料体积流量q为控制变量，在这种情况下这个串联式双容无自衡液位過程的机构式可列为： =e

在这个串级控制系统中（如上图所示），副参数被选择为贮槽S1，主参数被选择为贮槽S2的液位h，当控制系统运行时来自反馈的贮槽液位测量值就会被变频器收集并实现与设定值的对此，之后相关数据值就会被送入PID模块进行计算，并实现输出频率的自动更改，以对液料流量和电机的转速实现调整，从而使贮槽液位实现稳定，和贮槽S1、S2分别对应的液位传感器1和2将对其对应的贮槽信号的检测结果在A /D转换的作用下传送到计算机，然后分别与两个PID调节器设定值对比，并实现对其差别进行判断和计算。

MATLAB的两个PID算法程序被上位机所调用 ，PID1的输入信号就是贮槽S2液料位信号与事先的系统设定值对比得到的偏差；然后该偏差会在PID1中实现运算并将信号输出，然后就将其作为贮槽S1的系统设定值，然后将贮槽S1液料位信号与该设定值进行对比，再将此偏差输入PID2进行运算，然后利用D/A转换应用于运算结果，从而使电机的输出频率被改变，实现了对水泵转速的调整，从而使控制系统实现了对贮槽S1控制，进而也控制了S2的目的。

3 串级系统的PID参数整定

在串级系统的整定中试凑法、两步和一步整定法是主要运用的工程整定方法。具体如下，首先应选一适当的副调节器，对其设置要根据纯比例控制规律并放大倍数KC2，在主调节器的设置中也应先置于纯比例控制规律作用下，然后将实现整个控制系统的工作，并在这个过程中利用相关单回路整定方法使主调节器参数实现调整，并在施行干扰的情况下，观察相关的运行状况，并在KC1和KC2相互匹配原理的支持下实现对调节器参数的改进，经过对系统的多次调试，当液位在贮槽S2中实现快速稳定于设定值时，反馈值也与设定值相同，当液位稳定后将扰动干扰加于贮槽S1，如果在副回路的校正作用下液位还受到影响的话，为了克服这种扰动的干扰主回路应该对此进一步实施调节，而保证扰动影响的消除，使液位处在设定值上。

依据此系统的工程整定方法中一步整定法对系统的参数进行整定如下：副调节器的放大倍数KC2设定为2，然使将积分系数Ki2被设定为1000，之后对主调节器的参数整定根据4∶1衰减曲线法实施，可以得到δS1为12.5%，TS1为7s，参数整定后的实时控制曲线如下：