某流量控制系统控制策略仿真比较

（西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039）

1 流量控制系统控制策略

1.1 设计目的及意义

流量控制系统无论是工业生产还是过程控制中都有着极大的作用。一套合理高效的流量控制系统不但能通过管理水流量的进出帮助工业生产节约巨大的成本，还能将节约的电能和水资源运用到其他生产工作上面。实现资源的循环和低耗利用。通过对流量的实时测量计算，调节各控制环节对于生产过程中流量的大小，可以轻松的保证生产过程的安全运行，保证产品的合格质量，降低物料的使用，从而帮助企业节约生产成本，提高经济效应。如今在食品生产，石油提炼，冶金炼铜，新能源电力等众多领域有广泛应用。例如对污水排放控制，水库液位高度，温室气体排放，食品饮料调制都有相对应的流量控制系统。本次实验主要是对于给定的流量控制系统，控制其输出值符合给定范围。对广义对象的传递函数其系统进行单回路控制方案仿真比较，讨论针对该系统进行P、PI、PD、PID控制仿真，研究出对应该系统最适合的控制策略，得到各种控制策略下最好的控制指标并列表比较。通过使用MATLAB的SIMULINK仿真系统，比较几种不同的流量控制方案，使用图标罗列比较几种方案的控制效果，选择其中最好的控制策略，通过仿真得到最佳控制系统并展示其效果。

1.2 国内外发展概况

流量控制在如今许多过程工业中广泛应用，如石化，水电，冶金，化工，医药，食品等相关工业。其特点都是具有连续性，我国产品销售大部分排名都有连续工业的特点，可见流量控制在我国众多企业中有着十分重要的意义，随着计算机技术的出现和工业生产力的需求提高，连续工业为了向大型化，连续化，自动化方向发展，提高自身竞争能力，不断的在自动控制中寻求帮助来提高产品质量，节约能源，降低成本。在技术方面，70年代以前主要是经典控制理论，受限于常规仪表，而且大多数是单变量简单控制系统。70年代以后，计算机发展迅速，在国外发达国家过程控制自动化普遍运用，随着微电子技术和通信技术的发展，自动控制理论也在逐渐完善，计算机技术也在流量控制系统中占据绝对优势，不但技术较为完善，并且成本价格也容易接受。其中核心控制算法分别随时间发展出现“经典控制理论”，“现代控制理论”，“智能控制理论”，具有适应不同控制系统的能力。PID是较早出现并且十分受欢迎的控制策略，算法简单，适用性广，实用性高。我国在水利工程计算机控制系统中与外国在结构体系上差别不大，但是在运用上缺乏管理和规范，针对不同环境还可以更细更优更廉价。争取达到方案简单使用，操作便捷灵活，成本低廉运行可靠的优点。

2 总体方案设计

2.1 各方案设计框架

如图1所示。

2.2 流量控制系统的工作原理

本次设计内容分4种方案，分别是P控制策略，PI控制策略，PD控制策略，PID控制策略。单回路控制系统要求被控流量和给定值流量相同，并且在SIMULINK仿真下加入扰动的情况下根据对应的控制传递函数进行相应的变化最终达到设定值流量。系统的被控对象为流量阀，通过改变其开度控制系统流量。P控制的特点有两点：第一，控制及时、适当，只要存在偏差输出立刻成比例变化，偏差越大输出控制作用越强，第二，P控制控制结果存在静差，因此若被调量偏差为零，调节器的输出就为零，不能做到无静差调节。PI控制的特点是在P控制上加入了积分控制，I控制的特点是当有偏差存在时，积分输出将随时间增大，当偏差消失时，输出能保持在某一值上。所以I控制具有保持功能，能够消除残余差，因为积分输出信号随着时间逐渐增强，控制动作比较缓慢，这里使用PI控制，这样既具有P控制作用的及时快速特点，又具有积分控制能消除余差的性能，因此有更好的控制效果。D控制也有其明显的特点，微分作用能超前控制，在偏差出现或者变化的瞬间，微分立即产生强烈的调节作用，使偏差尽快的消除在萌芽状态中，对于惯性较大的系统有较好的控制作用，但是对静态偏差毫无控制效果，因此这里组成PD控制。PD控制作用迅速且无滞后，并且能抑制动态偏差过大的能力，但是缺乏一定的抗干扰能力，如偏差信号中含有高频干扰，输出就会有大幅度的变化，很容易引起执行器的误动作。最后我们使用PID控制，将比例，积分，微分控制结合在一起，只要三种调节规律强度适当，则能快速调节，并且能消除余差，得到最满意的控制效果，在PID控制作用下，比例作用是基础控制，微分作用是加快系统控制速度，积分作用则用于消除静差。综合考虑，PID控制策略为最为理想的控制策略。本次实验也会对上述几种控制策略进行仿真比较。

图1

3 仿真设计

3.1 仿真设计原理及设计所用工具

3.1.1 仿真原理

本次仿真设计原理是利用比例控制，积分控制以及微分控制规律，对某流量控制系统进行控制仿真，在某一输入下，对已经得到的广义对象的传递函数为：

进行单回路控制方案仿真比较，讨论针对该系统进行P、PI、PD、PID控制仿真，研究出对应该系统最适合的控制策略，得到各种控制策略下最好的控制指标并列表比较，最终展示各方案仿真效果。单流量控制系统的控制目的是要使被控流量与设定流量相等，并且在simulink仿真系统里添加扰动的情况下根据对应的控制传递函数进行对应的变化并最终趋近于设定流量。系统的被控对象为管道阀门，通过改变阀门开度控制系统流量。在根据相关参数整定计算，得到相应的数据后进行仿真实验，加入干扰后逐步调节数据直到出现满意的效果。

3.1.2 仿真工具介绍

MATLAB可以分解为matrix和laboratory单词的拼接，可以解释为运算矩阵的专业实验室。它是由美国的mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯等领域。为用户提供了大量方便实用的处理工具。这是MATLAB的基本信息，而我们本次实验主要是使用其中的SIMULINK组件。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

3.2 仿真设计流程图及说明

3.2.1 P控制策略调试

首先我们进行比例控制仿真调试，先构造一个单回路控制系统，写入传递函数，给一个较大的比例系数KC。

根据示波器所得数据适当调整比例系数，再根据仿真效果选择合适的参数整定方法。选定方法后通过相关技术进行参数整定。

3.2.2 PD控制

在没有干扰信号加入前，我们先选择PD控制策略进行仿真试验，写入计算所得数据，通过示波器显示观察，再结合实际情况进行参数修改，达到满意的比例微分控制。

3.2.3 PID控制

在得到比例微分控制过后，根据所得参数最后进行积分调试，此时引入一定强度的噪音信号，根据示波器显示数据结合实际情况进行参数调节，最终完成调试，得到满意的数据和仿真效果。

补充说明：本次实验是基于simulink软件进行仿真，实验实际所得数据和理论计算值有一定偏差，需要在理论数据上自行使用试凑法调节相关参数，参数整定方法由系统结构和传递函数有关，进行比例调节试验后发现，该系统振荡较为厉害，因此采用4:1衰减曲线法，采用这种方法主要是将衰减度减小到4:1即第一个波峰和第二个波峰比值接近于4:1，然后在得出两波峰的之间的时间差值Ts，用于计算其经验公式。

衰减曲线法比较简便,适用于一般情况下的各种参数的控制系统。

4 系统调试

首先进入SIMULINK操作页面，将给定的广义对象的传递函数带入单回路控制系统，正确连接所用控件接线，接入示波器后进行仿真实验。

然后我们给入一个较大的比例系数，使得波形尽量出现2个波峰左右比较合适，当我们调试到KC=5时出现比较理想的波形。

由于波形中前两个波峰之比近似为4:1，故我们采用4:1衰减曲线法整定PID参数，

根据经验公式和示波器数值我们可以得到：KC=5,KI=1.2,KD=0.28；我们将这些数值代入PID控制器中。

当波形大致达到我们的预期效果，但是对于噪音信号的干扰和振荡的波形我们可以继续优化，这里我们使用试凑法，经过一系列的参数调试后，最终得到较为满意的PID参数，KC=5,KI=0.3,KD=0.5；完成对参数的整定。

5 系统功能、指标参数

5.1 系统能实现的功能

本次仿真设计为一个单回路的某流量控制系统控制策略的仿真，本次设计的目标要求是在给定的广义对象的传递函数下使输出流量达到设定值的标准，基于传递函数的特点和单回路控制系统，最终决定使用PID控制策略。在此控制策略下可以是满足一般控制指标和相应的功能。

功能一：通过采用比例控制，使输出控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上无延滞，单纯在静差，控制效果及时，适当，控制作用随着偏差的增大而增强。

功能二：通过采用积分控制，使控制器输出的变化速度与偏差成正比，这样只要偏差存在，控制器输出就会产生相应的变化，系统不会稳定，只有偏差消除后，输出信号停止变化，执行器停止动作，系统达到稳定[1]。并且当偏差消失时，积分输出能保持在某一数值上，因其具有保持功能，所以可以弥补比例控制的静差缺点，形成无差系统。但是因为其控制动作缓慢，还需引入其他控制策略。

功能三：通过采用微分控制，使面对惯性较大的对象，能有效地加快控制速度，微分控制作用的输出大小与偏差变化的速度成正比。如果偏差固定不变，不管偏差大小，微分控制都无法起控制作用。微分控制的功能在于它能超前控制，只要偏差一出现或者变化，微分作用就能立马起效，使偏差能尽快消灭与萌芽之中。但无法对静差起作用，需要积分控制的弥补。[2]

总的来说，本次仿真结合以上三个功能，将比例控制，积分控制，微分控制三种控制规律互相结合，在经过相关参数的整定之后，可以达到快速调节，消除余差，降低惯性影响的功能。在PID控制规律下，比例作用是控制的基础，微分作用是用于加快系统控制作用，积分则用来消除余差，控制质量较高，对大部分控制系统都能适用。[3]

5.2 系统指标参数测试

本控制系统一共运用PID三个控制策略，因此我们对这三个控制策略都要进行参数整定。

整定一：理论PID控制参数计算，对于该单回路控制系统，我们首先进行P控制，根据传递函数特点确定整定方法。首先我们设置一个较大的比例系数，使示波器的输出刚好在两个波峰时较为理想。可以大致得到得到KC=5，这时我们发现两波峰高度之比大致为4:1，因此确定参数整定的方法为4:1衰减曲线法，根据经验公式和示波器显示的相关数值，我们可以大致得到PID三个控制策略的理论参数。

整定二：理论PID控制参数的优化，将理论的PID参数放入控制系统中，在没有干扰信号的情况下对比例微分控制使用试凑法进行调试，最后引入积分控制和噪音干扰，同样运用试凑法逐步优化示波器输出的波形，达到较为满意的输出波形为止。

5.3 系统指标参数分析

本次系统参数的整定使用了4:1衰减曲线法和试凑法，下面分别介绍：

4:1衰减曲线法整定PID参数具体操作如下：

（1）首先设置一个较大的比例度，除去积分和微分作用，仅使用比例调节。

（2）当系统达到稳定状态时，可以加入输入信号比如一阶跃信号，此时观察输出波形的衰减比。

（3）从大到小改变比例度，直至出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度δs(叫4:1衰减比例度)并从曲线上得出衰减周期Ts(在4:1曲线中为峰-峰时间)。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认为是4:1的衰减过程，其波动1次时间为Ts。

（4）将示波器显示的比例度和衰减周期记录后，带入到经验公式中计算出微分和积分的参数。

（5）首先将比例度调制较大数值，然后先引入积分再引入微分作用。

（6）降低比例度到需要的数值，然后在示波器上仿真出波形并对数值做相应调整。

试凑法：

更改调节器参数，先将积分常数Ti设为10000以上，微分时间Td设为0,再将比例系数Kp设置为一个较小的初值条件下，开始仿真实验，逐渐增大整比例系数Kp并且观察整定效果。当出现4:1 衰减度的过程曲线时。这时候先加入积分作用。将Ti由大到小进行整定。最后引入微分作用，将Td按经验结论由小到大整定。最后得到较好的衰减过渡过程曲线。各控制策略比较：

表1 各控制策略参数

各控制规律性能指标比较：

P控制和PI控制：

P控制和PI控制结构都比较简单，控制时间也较为及时，参数数量P控制要更少，但是I控制很明显的使系统稳定性变差，I控制主要是起消灭余差的作用，所以这两种控制规律相比较，我们会优先选择系统稳定性更高的P控制，当系统不稳定，起控制策略也毫无意义。[4]

P控制和PD控制：

经过D控制的系统，明显大幅度减少了偏差，提升了系统的稳定性，同时响应迅速，并且还具有超前控制作用，可以克服对象的惯性。P控制和D控制虽然都能改善系统稳定性，但是都无法对余差进行处理，综合比较，P控制和PD控制中，我们优先选择PD控制来加强系统稳定性和克服对象惯性。

P控制PI控制以及PD控制综合比较：

由上述比较可得知，该系统下在最终整定的参数下面，PD控制的效果大于P控制大于PI控制，虽然PI控制不但引入了新的控制参数，使系统结构复杂和系统稳定性降低，但是我们最后还是选择要加入I控制，我们接下来就分析目前最优的PD控制和我们最终决定的PID控制策略。

PD控制和PID控制策略的比较：

PD控制有着响应快，偏差小，超前控制的优点，但不能消灭余差，PID控制中虽然加入了降低系统稳定性的I控制，但是消除了余差，并且，I控制在噪音干扰的情况下能有效稳定波形，综合一下，引入的D控制可以一定程度上减少I控制所带来的不稳定，使系统稳定性能符合要求的前提下，消除余差，降低干扰，因从PID控制综合控制效果是最符合设定标准的，明显的缺点就是参数较多，整定较为复杂，需要设计者在参数方面找出比较简便的整定方法。[5]

6 结论

本实验作为一个单回路流量控制系统的仿真，在给定传递函数的系统中分别进行了P,PI,PD,PID四种控制策略仿真，并得到每种策略的较理想数值，通过这四这种策略的仿真比较，我们发现P控制是作为所有控制策略的基础，D控制可以在P控制的基础上降低系统振荡强度，而I控制可以削弱噪音干扰信号的影响。但是每种控制策略也有自己的缺点，P控制有余差，且振荡时间太久，加入I控制后会一定程度降低系统稳定性，D控制同样不能消灭余差，最终比较得出PID的控制策略是最适合该系统的，它具有反应迅速，没有余差，超前控制的特点，控制质量最高，但是缺点是参数较多，整定比较复杂。最终整定需要试凑法不断调试各参数。因此根据系统特点找出最佳的参数整定方案可以降低实验难度。