[發明專利]一種具有PID階躍響應特性展示功能的串級控制系統教學設備

在審

• 申請號: 202310080754.1
• 申請日: 2023-02-08
• 公開（公告）號: CN116047890A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 徐昌一;李禹增;劉雨
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 王海波

本發明屬于過程控制教學、教學展示領域，提出了一種具有PID階躍響應特性展示功能的串級控制系統教學設備，包控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest和串級控制監控程序。控制器通用子程序PIDtest基于實際微分算法編寫。本發明將傳統不適用于階躍輸入的理想增量式PID算法改用為適用于階躍輸入的實際微分位置式PID算法代替。該系統可實現單回路控制、比值控制、串級控制以及階躍輸入，并且可進行PID控制原理階躍響應動態曲線特性展示，可用于過程控制教學、對PID控制原理階躍響應動態曲線特性進行教學展示等。

技術領域

本發明涉及過程控制教學、教學展示領域，尤其涉及一種具有PID階躍響應特性展示功能的串級控制系統教學設備。

背景技術

目前用于過程控制教學的串級控制系統中，如“李毅.基于PID控制技術的工業自動控制研究[J/OL].現代工業經濟和信息化,2022,12(8):102-104.”，其PID模塊的編寫一般是基于理想微分算法實現的，其微分作用不適用于階躍輸入，當理想微分的輸入為一個階躍響應的時候，輸出為一個脈沖函數，但在過程控制工程實踐教學環節中經常需要使用階躍輸入進行測試，因此該教學環節缺少一套能進行階躍響應顯示的教學設備。針對以上情況，有必要研究一種具有階躍響應展示功能的串級控制教學系統設備。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種具有PID階躍響應特性展示功能的串級控制系統教學設備，基于實際微分位置式PID的具有PID控制原理階躍響應動態曲線特性展示功能，形成可編程邏輯控制器串級控制教學系統設備，用于過程控制工程串級控制系統實驗以及階躍響應曲線演示。

本發明的技術方案如下：一種具有PID階躍響應特性展示功能的串級控制系統教學設備，可展示階躍響應特性，也可進行串級控制系統的教學演示，其包括控制器控制程序、控制器通用子程序PIDtest和串級控制監控程序；控制器通用子程序PIDtest包含于控制器控制程序，作為PID模塊，用作PID運算；串級控制監控程序用于監控串級控制系統狀態，對串級控制過程進行實時上位機監控；控制器控制程序對實際被控對象進行串級控制。

所述控制器通用子程序PIDtest基于實際微分算法編寫，主要由死區檢測、積分部分近似處理、微分部分近似處理、控制輸出與手自動處理組成；死區檢測用于處理控制輸入的小幅度變化，防止輸出產生抖動；積分部分近似處理采用梯形面積積分法以提高積分計算精度；微分部分近似處理加入一階慣性濾波并使用位置式PID離散式，該部分表達為：其中，K_P為比例系數；T_D為微分時間；e(n)為被控量誤差；n為采樣序列；y_D(n)為PID中的微分部分；T_S為控制器通用子程序PIDtest的采樣時間，K_D為一階慣性濾波常數，取值區間為[2-10]，濾波時間常數起名為Tm_lag,Tm_lag為T_D/K_D，其中K_D為時間常數系數；微分部分近似處理用于PID控制原理階躍響應動態曲線特性展示；控制輸出與手自動處理區分輸出模式為手動輸出和自動輸出兩種情況，對應不同工況。

所述控制器控制程序主要由單回路控制系統、比值控制系統、串級控制系統組成，每個控制系統中均包括控制器通用子程序PIDtest；單回路控制系統又稱簡單控制系統，為一個測量變送器、一個控制器、一個執行器和一個被控對象組成的單回路閉環負反饋控制系統；比值控制系統為實現兩個或者兩個以上的流量參數按照一定比例關系變化的控制系統；串級控制系統為具有兩個或者多個被控變量的多層回路的控制系統，一個主控制器的輸出作為另一個副控制器的設定值。

所述串級控制監控程序主要由IO設備組態、組態數據庫、控制界面組成；IO設備組態的意義在于定義IO設備之后上位機才可以通過組態數據庫和下位機之間建立聯系；組態數據庫包括多個數據點，用于存放以及傳輸串級控制系統運行時產生的數據；控制界面用于與實際工程系統進行對比，實現在技術人員不到現場的同時對工程現場進行查驗、檢測。