智能PID流量调节控制仪器
流量调节控制仪与流量计和调节阀一起配合使用，可以实现介质瞬时流量大小自动控制。主要采用继电器调节控制、S S R电平调节控制、电流模拟量调节控制。
调节仪表内置 2 个继电器，每个继电器的报警值、上下限报警功能、报警回差可分别设定，可设置报警延迟与首次上电抑制功能。仪表可自定义操作员菜单、设定值上下限幅、
控制输出上下限幅、控制输出上限有效范围、控制回差等，以实现不同用户的使用需求。此外，仪表带继电器报警控制输出、模拟量调节控制输出、 仪表异常变送输出选择等多种输出功能，带双屏高亮度数码管显示。
技术参数
测量精度：±0.3%FS
控制精度：±0.5%
信号输入：4-20ma输入
控制输出：模拟量4-20ma输出，JZC继电器输出，容量：AC220V/3A，DC24V/3A。
报警输出：带上下限报警功能，可以设置回差。
工作电压：开关电源AC/DC 110～240V，频率50/60HZ,功耗≤5W，开关电源：DC12-36V， 功耗≤3W。
使用环境：-10～50℃。
PID 是比例、积分、微分的简称，PID 控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定．参数整定的关键是正确地理解各参数对控制系统的影响．在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小．由于受实验限制，再加上多媒体课件的局限，学生对PID 控制的过程感觉很抽象，分析起来有一定的困难．详细分析了 PID 控制器的基本作用，并将MATLA/SIMULINK 应用到教学中，通过对 PID 控制系统进行仿真，直观地展现了各参数变化对过渡过程的影响自从有了PID 控制，参数对过渡过程的影响就一直是人们研究的问题之一．处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后，被控变量会发生变化而偏离给定值，系统进入过渡过程．自动控制的作用就是检测变化、计算偏差并消除偏差．在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度、精度等都是衡量自动控制系统质量的依据．
各种参数的作用，其变化是如何影响控制系统，理论的讲解晦涩难懂．若将 MATLAB/SIMULINK 对控制系统仿真引入教学中，针对不同参数的仿真比对，直观地反映了各参数对控制过程的影响，便于分析。
1 PID 控制系统原理及算法
比例-积分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）是在工业过程控制中最常见、应用最为广泛的一种控制策略，它是在上世纪 20 年代对船舶自动导航的研究中提出的．到上世纪 40 年代，PID 控制器已在过程控制中得到了广泛的应用．尽管许多先进控制算法不断推出，但 PID 控制器由于结构简单、实现容易、鲁棒性较强的优点，被广泛应用于各种工业过程控制中．正确使用、合理设计PID 参数可改善控制性能．
1.1 PID 控制系统原理及算法
1.1.1 PID 控制系统原理 其原理见图 1．
1.1.2 PID 控制系统算法 PID 控制器主要是依据给定值 r(t ) 与实际输出值 y(t )构成控制偏差，用公式表示，即e(t ) = r(t)- y(t )．
PID 的控制规律
1.2 PID 控制器各环节的作用
1.2.1 比例环节 成比例地反映控制系统的偏差信号e(t ) ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差．因为比例调节器的输出变化量与输入偏差是一一对应的，所以控制及时，其中 Kp 的大小决定了比例控制的强弱．
1.2.2 积分环节 主要用于消除余差，提高系统的无差度．积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti ，Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强．
1.2.3 微分环节 根据偏差信号的变化趋势来进行调节，并能在偏差信号变得太大之前，开始调节，从而加快系统的动作速度，减少调节时间．微分作用强弱取决于微分时间的大小[1-3]．
2 MATLAB 仿真
通过用 MATLAB 软件对PID 控制仿真，并进行分析比例、积分和微分是如何影响控制过程的．
2.1 建立数学模型
设被控对象的传递函数为G(s) =
2.2 仿真建模
PID 控制系统模型[4]见图 2．
2.3 仿真实验
2.3.1 比例控制 图 2 中先去掉积分和微分项，然后取不同的比例系数 Kp ，进行仿真，仿真结果见图 3．
在相同大小的干扰下，调节器的比例系数越大，则比例作用越强，
5
s(s + 5) ．
图 2 PID 控制系统模型
调节器的输出越大．被控变量偏离给定值越小，被控变量被拉回到给定值需要的时间越短，系统的余差也
随之减小．同时，系统的响应速度加快，但系统超调也随之增加，随着比例系数的增加，达到一定值时， 系统将趋于不稳定．比例系数越小，则调节器的输出变化越小，被控变量变化越缓慢，过渡过程越平稳， 但过渡时间加长，系统平衡时的余差就越大．
2.3.2 积分控制 图 2 中 Kp 保持不变（本实验取 Kp =15），去掉微分项，然后取不同的积分系数 Ki ，进行仿真，观察仿真结果，分析 Ki 的变化对控制系统的影响．
从图 4 中可以看出，超调的减小、振荡变小以及系统的稳定性、响应速度取决于 Ki ．随着 Ki 增加， 积分作用不断增强，在相同的扰动作用下，调节器的输出增大，余差消除加快；同时系统的振荡加剧，稳定性下降． Ki 太大，还可能导致系统不稳定．
1.1.1 微分控制 图 2 中 Kp 保持不变（本实验取 Kp =200） 去掉积分项，然后取不同的微分系数 Kd ，进行仿真，观察仿真结果，分析 Kd 的变化对控制系统的影响（见图 5）．
从图 5 中可以看出，在相同输入变量作用下，微分系数
太小对系统的品质影响不大（见图中的曲线 1）．随着微分系数 Kd 增加，微分作用越强；当 Kd 适当，对于系统的稳定
性、响应速度的加快以及超调量的减少都会有所改善（见图
中的曲线 2）； K 太大，反而会使系统不稳定[5-7]．
图 5 微分控制的过渡曲线
注：1，2，3 条曲线分别是 Kd=0.5，3，6 的阶跃响应曲线．
3 结论
PID 控制原理，通过利用 MATLAB 仿真，了解各参数的作用及对控制系统的影响[8-10]．在整定 PID 控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数． 如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间．如果阶跃响应没有超调量，但是被控变量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数．如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用．反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从 0 逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数，直到满意．
总之，PID 参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的．基于 PID 控制系统的众多优点，使其成为工业生产中应用最为广泛的调节器控制规律， PID 控制或是基于PID 控制的各种改进型PID 越来越得到广泛应用，前景十分广阔．