[发明专利]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

说明书

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。

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，K_P为比例系数；T_D为微分时间；e(n)为被控量误差；n为采样序列；y_D(n)为PID中的微分部分；T_S为控制器通用子程序PIDtest的采样时间，K_D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T_D/K_D，其中K_D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。