基于单片机的PH值控制器的设计(共57页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上西 京 学 院本科毕业设计(论文)题目: 基于单片机的PH值控制器的设计教学单位： 机电工程系 专 业： 自动化 学 号： 姓 名： 王 千 指导教师： 杜学然 2012年5月专心-专注-专业摘要 pH值控制过程广泛存在与石油，化工，制药，造纸，废水处理及给水处理中，在工业生产中必须使pH值严格控制在特定范围内，否则可能会造成产品质量下降，原料浪费，生产不能顺利进行，经济效益下降，甚至造成环境污染，因此将pH值控制在一定的范围内有着非常重要的意义。 本文首先分析了pH控制过程的机理模型和实际的控制要求，建立了静态模型和动态模型，得出了pH值过程的非线性特性曲线。然后根

2、据pH值过程的非线性特点，采用分段折线来近似其非线性特性曲线，设计了分段式变增益PID控制算法以补偿pH值过程的非线性。并应用Matlab软件对pH控制过程进行了仿真，与常规的PID控制进行了仿真对比，结果表明，分段式变增益PID控制方法解决了pH值过程的非线性问题，同时使系统的控制效果明显改善，上升时间、稳定时间显著缩短，超调减小，系统的抗干扰性能也得到了提高，实现了pH值过程的优化控制。最后，基于AT89S51单片机设计了pH值控制器，完善了软件设计，实现了数据采集、数据处理、数据显示、键盘控制等功能。、 通过对所研制控制器的测试，验证了所设计的算法可行性，今后对pH值控制系统的改进提供了

3、一种新的设计思路。关 键 词：pH值；过程控制；变增益；PID控制；单片机 Abstract pH control process widely in petroleum, chemical, pharmaceutical, paper,wastewater treatment and water treatment, the pH value in the industrial production must be strictly controlled within a specified range, otherwise may cause the decline in product

4、quality, raw material waste,production can not becarried out smoothly, economic decline, or even cause environmental pollution, so the pH within a certain range of great significance. This article first analyzesthe pH control mechanism of the process model and the actual control requirements, the es

5、tablishment of static and dynamic models, and obtained thenonlinear characteristic curve of the pH value of the process. According to thenon-linear characteristics of the pH value of the process, the segmented polylineto approximate the nonlinear curve, segmented variable gain PID control algorithm

6、designed to compensate for the pH of the process of non-linear.Matlab software and application of pH control process simulation, the simulationcompared with the conventional PID control, the results show that the segmentedvariable gain PID control method to solve nonlinear problems of the pH value o

7、fthe process, while making the system control improved significantly, the rise time, settling time was significantly shorter, super-reduced small, anti-jammingperformance of the system has also been improved to achieve the optimal control of the pH value of the process. Finally, a pH value of the co

8、ntroller wasdesigned based on AT89S51 microcontroller, improve software design, data acquisition, data processing, data display, keyboard control and other functions.Test the developed controller, verify the feasibility of the design algorithm and theimprovement of the pH control system in the futur

9、e to provide a new design ideas. Keywords: pH value; process control; variable gain; PID control; microcontroller 目录1 绪论1.1 课题的选题背景和意义 在许多现代化工业中，如制药、发酵、造纸、废水处理及给水处理等过程中，由于pH值对溶液的物理、化学性质都有很大的影响，存在着pH的测控问题，在工业生产中必须使pH值严格控制在特定范围内，否则可能会造成产品质量下降，原料浪费，生产不能顺利进行，企业的竞争力下降，甚至造成环境污染，另外强酸强碱还会腐蚀生产设备，降低设备寿命，并影响生产

10、，甚至产生危险，故pH值的控制问题在工业过程中占有举足轻重的地位。因此无论是对工业生产过程控制而言，还是对生态环境的保护而言，对pH值进行有效控制具有重要的意义。 在现代的工业生产过程中，比如在造纸厂产生的废水处理，要把pH值控制在中性值7左右，才符合生产需要：在发酵过程中，微生物在一个最优的pH值范围内生长速率最快：提取重金属时控制pH值，使金属的溶解性最小：在啤酒生产过程中麦汁过滤和洗涤环节，要求洗槽水的pH值控制在5.25。作者经查证发现在废水处理的除盐水环节。要求进入盐水补水的pH值控制在7.58.0之间，pH值过高会腐蚀铜质管路，过低则会腐蚀铁质管路及设备。 因此，课题通过查阅国内外

11、pH值控制的研究现状及应用技术，针对以上所描述的工业生产过程的pH值的控制问题进行了研究和设计。1.2 课题研究目的 pH值的控制问题一直是控制领域中的难题之一，因为酸碱反应过程是一个典型的非线性过程。pH值较低或较高时。pH值变化非常缓慢：而在中性时，即pH值在7左右时，加入试剂的微笑变化都回引起pH值的很大变化，即随着溶液pH值的变化，pH值相对于加药量变化的增益也随之发生显著变化，非线性特性非常明显。另外，试剂酸碱反应过程中还存在混合，测量等滞后环节，而且延迟时间一般很长。就更增加了控制的难度，可见pH值酸碱反应过程的控制系统是一个非线性系统，如何处理非线性是解决这一问题的关键。 由于p

12、H值的非线性特性，用常规的线性控制方法PID控制算法无法对反应的变化过程做快速的，精确的反应，在控制过程中很容易引起震荡现象，很难对系统实现最优控制。因此本课题通过分析pH值过程的机理特性，结合改进的数字PID控制算法，设计了一种设计了一种分段式变增益PID控制算法，利用MATLAB仿真技术对pH值控制系统进行了仿真研究并与常规的PID控制算法进行了仿真对比，最后基于AT89S51单片机搭建了硬件设计了pH值控制器。1.3 国内外的研究动态及发展趋势1.3.1 国外研究概述 国外对pH过程的研究较早，对pH值控制的研究国外早在50-60年代就已经开始了，可见关于pH值的检测与控制并非一个新课题

13、，但要取得良好的控制效果却并非易事。原因正如上述所述的，酸碱反应的pH值滨化通常是高度非线性的，这一严重的非线性给pH值的控制带来了极大的困难。 Shinskey过程控制系统应用，设计和整定对pH控制过程的基础知识进行了详细的叙述。1973年Shinskey F.G.用增益自适应的PI控制器来解决中和点附近的高增益这一难题并取得较为满意的结果，并给出怎样设计一个实际的pH控制系统的方法。1983年Gustafsson T. K .对pH值中和过程应用非线性自适应的控制策略进行了研究，将非线性控制器的设计加入缓冲液的pH值中和过程，提出“输入输出修正线性化”方法。为了估计缓冲液的变化，非线性自适

14、应控制器具有参数间接估计与直接估计的结构，一换的是设计方法和算法都很复杂。另外，Lin和Yu提出了自整定控制方案，定时估算反应物的浓度、缓冲剂与电离数等未知参数，并用一步超前控制律进行了控制。他们的控制策略能够获得良好的动态性能，并且对模型误差具有鲁棒性，但是当中和曲线发生较大变化时控制性能明显下降。Astrom.K. J.和Wittcnmark B.进行了强酸强碱系统的自适应控制器的研究。R .papa等人比较了基于模型的pH控制器和无模型的pH控制器的优劣，包括带有最小方差估计器的自适应控制器、具有模糊控制器的自适应控制器及具有模糊开关的模糊PI控制器，比较它们的控制效果，指出具有模糊开关

15、的模糊PI控制器，比较它们的控制效果，指出具有模糊开关的模糊PI控制器有良好的性能。基于多模型的控制方法也是目前研究的主流之一，Omar Galan 分析了基于多线性模型的多种自适应机制，并与标准的PI控制器和自调整PI控制器相比较，得出多模型线性控制。Sung和Lee使用设定值变动的方法来辨识模型曲线以补偿pH过程的非线性和时变特性。关于pH值控制的理论研究和实际应用方面，Dumont在1990年提出基于拉盖尔的自适应预测控制器，应用于漂白剂的提取。这种控制方法使用拉盖尔或者标准正交基模型，与预测控制使用的自回归滑动平均模型相比，需要较少的信息，但是很难确定拉盖尔模型的时间范围，同时也需要很

16、多可调整参数来瞒住模型的准确度。 还用很多学者研究非线性过程辨识和建模，对pH过程的辨识和建立模型有很大的借鉴作用。对于pH过程模型的研究成果最多的是芬兰Waller和Gaustafasson的研究小组，Gaustafasson T. K.从酸碱反应的动力学模型出发，对中和过车的pH控制进行了系统的探讨，利用反应不变量和电中和条件以及质量平衡方程的讨论，得出了一个通用的控制模型。1972年McAvoy 首先给出了pH中和过程的动态数学模型，在该模型中假定连续搅拌器CSTR（continuously stirred tank reactor）中物料完全混合且处处等温，模型包括两部分：动态模型描述

17、CSTR中化学成分的浓度的动态变化，静态非线性模型描述化学成分的化学平衡。这一模型得到了实验结果的验证，为pH值控制分体的研究奠定了理论基础。Wright和Kravaris将基于反应物不变的pH模型继续简化为一阶状态方程，并通过引入强酸等价物（SAE）的概念，将pH过程的非线性控制问题转化为一个线性问题来控制，使得过程的控制可以使用线性自适应控制。1.3.2 国内研究概况 在国内，近年来不少关于pH值控制的理论研究和实际应用采用了先进控制方法。1998年，商建东、陈康宁提出工业生产过程的新型智能pH值模糊控制器。介绍了一种基于知识库的智能pH控制系统，并研究了在农药生产中的应用，在控制中需需要

18、做的实验形成经验数据。杨翠荣、庞泉、张玉清研究了智能pH值控制器，主要是pH值的模糊算法与神经网络结合的控制算法，对象仅用于给定的中和反应过程，并进行了理论分析和数字仿真，但因其算法复杂，难于在实际工程中实现。孙西、金以惠在谷氨酸结晶过程中的pH控制问题中提出双线性自适应pH值控制，以双线性作为过程的机理模型，基本从本质上反应了该pH值中和过程。2003年，赵彦华、麻红昭在废水中和处理中，采用变增益PID调节结合模糊前馈控制。王伟采用多模型自适应控制来控制CSTR中的pH值。近年来国内研制和开发pH值测控制装置也越来越多。到目前为止，国内大量应用于工业现场的pH值控制器，硬件实现大多数还基于可

19、编程逻辑控制器（PLC）货单片机，采用单回路控制器，辅助以前馈控制或串级控制，但是却存在结构复杂，稳定性差，控制精度低等缺点。梁赋，杜道广等利用西门子S7-300型PLC实现了pH过程的前馈控制。1994年，卞平针对工业废液中的pH值控制问题，应用KMM可编程控制器组成非线性串级控制系统，即当入口流量发生变化时（工业废液处理中的主要干扰之一），流量变送器发出信号到KMM可编程的控制器的副调作用，产生相对应的输出信号来控制调节阀，主调节环是采用PID调节。陈荣、丘达人在分析锅炉给水pH值检测原理的基础上，采用8031单片机实现了常规控制。伍明华、毛家鹏针对电镀过程中pH值控制问题采用了8039单

20、片机作为控制单元对其进行实现，pH值控制范围在4.5左右，属于专用的pH值控制装置。张舒根据抗菌生产的特点，设计了基于ATMEL的一种发酵过程控制器的研究。阎中灿、李志明等人研究了一种嵌入式单片机系统在微型pH计中的应用。1.3.3 pH控制系统的发展趋势传统的酸碱废水是由人工进行调节的工艺，经过人工分析，不断由人为地加入调节剂，化验分析，化验分析后，才能排掉废水。这样进行调节周期长，加酸或加减的量不能把握，而且占地面积大，能耗高，且手工配药无法在密封的环境下进行，有剧毒的化学物质严重危害着操作者的身心健康，因此可以看出手动控制安全可靠性差，工作效率低，很难满足实时控制系统的要求和符合合格排放

21、标准。所以采用pH值自动控制系统取代人工调节是今后发展的必然趋势，从国内外研究的pH值自动控制系统中的控制策略来看，多数控制方法采用单回路控制器或简单的PID算法，这很难适应今后工业生产过程的大型化和复杂化，无法满足生产控制的安全、平稳、优质、高效等方面的要求。所以急需现代控制理论技术、仪表技术、电子技术等多种技术结合起来，研制成能适合各种化学工程与工业场合的高精密通用的pH值全自动控制系统。随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本的迅速发展，使得各种性能的微处理器不断推出，特别是适用于实时控制的工业计算机、单片机和可编程控制器（PLC）在控制领域的应用，更加促进pH值自动控制系统的发展。2

22、 pH值概述与过程建模2.1 pH值简介 2.1.1 pH值的概念pH值是溶液酸度标度的单位，其概念是1970年丹麦科学家伦森提出的，测量溶液pH值实际上就是测量氢离子的浓度，其定义为氢离子浓度的负对数，如公式2.1 （2.1）根据pH值，可以讲溶液分为三类（）：（1） 酸性溶液：0；（2） 中性溶液：；（3） 碱性溶液：7pH。 因此pH值是表征各种溶液酸碱度的一个重要物理化学参数，pH值越小，溶液的酸性越强，pH值越大，溶液的碱性越强,当溶液的浓度大于1 mol/L时，用pH值表示就不在014范围内，这种情况下就不再用pH表示，而直接用浓度表示更加方便，可以看出pH值对溶液的物理，化学性质

23、都有很大的影响，故其在过程控制中占有举足轻重的地位。2.1.2 pH值过程特点 由于pH值在上一个章节所描述的复杂的非线性问题，使得pH值过程在不同的工作点增益差异很大。另外，在实际反应过程中还存在混合，测量等滞后环节，使得对于pH过程进行有效控制较为困难。因此，在过去几十年中，pH值一直被认为是工业过程控制中最难控制的变量之一，其主要原因在于：（1） 过程本身具有严重的非线性；（2） 中性点附近的斜率极大，而两端的斜率急剧变小。在中性点附近具有极高的灵敏度，给控制造成很大困难；（3） 少量的杂质会使过程特性发生严重畸变，难以建立准确的数学模型；（4） pH传感器的动态特性易受环境（如温度、压

24、力、电极的清洁度等）变化的影响。 尽管pH过程存在这些特殊问题，但pH过程控制方面的研究工作仍取得了许多新的进展。特别是在计算机应用普及以后，许多控制理论都相继用于pH过程的控制。2.1.3 pH值测量问题pH值概念自提出到今已有九十多年的历史，pH值的测量也经过了几次重大的变革，测定溶液酸碱性及pH值的方法很多，其中以电位测量法、试纸法和酸碱电位滴定法的使用影响最为深远。电位测量法也称作直接电位法，是通过测量原电池的电动势而对被测溶液进行定量分析，其主要是应用化学的基本原理和技术，研究在原电池内发生的特定现象，利用物质的组成及含量与该电池的电位有一定的关系而建立起来的一类分析方法；试纸法测量

25、溶液的pH值，最为方便、快捷，但是他的缺点在于，pH值比色卡来确定溶液的pH值，这样因为测量者的不同，对颜色的判断不同，就会出现很大的误差，并且精度低；在酸碱液滴定过程中，例如以碱滴定酸，随着溶液的加入，溶液中的浓度不断减小，而且在化学计量点附近出现pH的突越，如设法测量出滴定过程中溶液pH的变换情况，也就有可能确定滴定的终点了。因此受离子选择电极 产生及其应用技术的影响，以及微型计算机、新型技术原件在pH仪器设计制造中的广泛应用，使得pH仪器品种迅速增加，技术水平也进一步提高。进入90年代，用于工业过程中pH值测量进一步注入新的活力。电子技术飞速发展，也提高了仪器的性能和自动化程度。目前对于

26、测量精度和可靠性要求较高的是在线分析仪表，它以实时的数据为生产控制带来了极大的方便，解决了化验室跟踪分析时数据严重滞后和化验数据不能完全代表装置生产状况的问题。2.2 pH被控制过程的数学模型任何一个自动控制系统，都由被控对象和自动控制设备两大部分组成，只有掌握了他们各自的动态特性，并把它们合理的构成控制系统，才能实现人们预期的控制目的。为了弄清pH动态特性，以便对其进行控制，就必须将其内部变量间的因果关系用数学关系式定量的表示出来，这就是建立系统的数学模型，简称建模。对象的各输入变量和各输出变量在静态时的关系，称为静态特性，而输入变量输出变量之间随着时间变化的关系，称为动态特性。控制系统设计

27、和使用的好坏，在很大程度上取决于对被控动态特性的了解程度。被控对象的动态特性实际上就是建立被控对象的动态数学模型，即用数学方程来描述被控对象各种变量间的关系。pH模型可以分为静态模型和动态模型。Waller和Gustafsson提出的结合反应不变量的概念是通过从动态反应不变量中推导出化学反应平衡式的方法来推导pH的模型。因此本系统也是利用化学反应的不变反应原理和酸碱反应的动态特点推导出通用的pH值的静态模型和动态模型，使其能反应工业过程中的pH值变化过程。2.2.1 静态模型 由于pH过程的酸碱反应过程通常速度很快，所以一般考虑其化学反应的平衡过程。当系统达到平衡的时候，利用静态模型可以描述p

28、H过程。 在pH过程中存在以下3类平衡关系： （1）酸或碱溶液的电离平衡 P（实际中，p一般取1, 2, 3）价酸的化学平衡常数和平衡常数方程定义如下：一级电离方程 （2.2）二级电离方程 (2.3) P级电离方程 （2.4）其中为酸对应的平衡常数。 同样，对于m阶碱的定义也可以写成化学平衡方程式：一级电离方程 （2.5）二级电离方程 （2.6）M级电离方程 （2.7）其中为碱相应的电离平衡常数。 （2）水的电解平衡 （2.8）电离常数 水的离子极 纯水离解为浓度相等的氢离子和氢氧根离子，在时，水的离解平衡常数是： （2.9）它能确定任意一个已知pH值的水溶液的氢氧根浓度： （2.10）水的中

29、性点是在氢离子和氢氧根离子浓度相等（即pH=7）的地方。总的离子浓度的概念是这样定义的：对于酸，总的离子浓度为所有包含阴离子的酸的浓度之和；对于碱，总的离子浓度为所有包含阳离子的酸的浓度之和；可以用下式来表示： 酸 （2.11） 碱 （2.12）（3） 溶液电中性方程除酸碱化学平衡以外，溶液还存在电中性反应。溶液在任何时刻均呈现电中性状态，根据电荷守恒定律可以得到 (2.13)联立方程（2.6）（2.13），得到一个代数方程，称之为pH方程，可以写成以下形式 （2.14） 则可以表示为 （2.15） 其中是总离子浓度，这个总离子浓度与氢离子浓度是有关系的。（2.15）即为pH的静态模型的方程表

30、达式。 当i为酸时是包含某类物质各价酸根的所有浓度之和： （2.16） 当i为碱时是包含某类物质各价碱根的所有浓度之和。 （2.17） 其中，对于一元强酸来说，为-1，对于一元强碱来说，为+1，因此当只有强酸强碱溶液存在时，溶液的浓度可以直接组合；当有弱酸弱碱存在时，要乘以一个加权因子。下表2.1给出了常用的酸碱加权因子： 表2.1 常用的酸碱加权因子酸碱 溶液浓度 2.2.2 动态模型 各种快速酸碱反应包括强酸强碱、弱酸弱碱、强酸弱碱、弱酸强碱四种反应。其中非线性最强的是强酸强碱之间的反应，因此本文主要针对一阶强酸强碱对其动态模型的详细描述，通过推导得到pH值的动态模型。一般工业中，酸碱反应

31、是在反应釜（CSTR）中进行的，系统如图2.2所示。途中流入物是酸液，本文不考虑液位和常温变化等反面的问题（因为在常温下，溶液中密度是均衡的）。假设溶液被充分的搅拌和混合，所有的离子完全溶解，反应瞬时完成，通过控制加入的反应物（相应为碱液）流量，使得流出溶液的pH值达到设定值。 图2.2 连续搅拌釜动态结构图 图中，F（t）入流酸的流量，单位：升/分钟，当做常数； U（t）入流碱流量，即控制量，单位：升/分钟； 入流酸的浓度，单位：当量浓度（N），当做常数； 入流碱的浓度，单位：当量浓度（N），当做常数； 出硫酸的总浓度：单位：当量浓度（N）； 出硫碱的总浓度：单位：当量浓度（N）； V反应釜

32、容积，单位：升，常数。 注：当量浓度(N) 溶液的浓度用1升溶液中所含溶质的克当量数来表示的叫当量浓度，用符号N表示。（英文：normality） 其中F（t），是可测量的，是已知的，通过控制U（t）来达到控制pH值的目的。 有了以上描述，可以得到强酸强碱系统过程动态模型： 因强酸、强碱完全电离，故， ；则 流出容器的溶液总量=； 流入酸的总量=； 容器中总酸的变化量=；则入流溶液的总量与出流酸的总量之差为容器中总的酸的变化量 （2.18）同样的，对于碱来说也有如下的平衡方程式 （2.19） 通过以上的数学推导得到的公式（2.15）、（2.18）、（2.19）一起构成了pH值过程的数学模型。

33、本文中，为了描述pH过程的非线性特性点，主要针对一元强酸与一元强碱的反应过程来描述pH过程。通过对于一元强酸来说，为-1，对于一元强碱来说，为+1，则由pH过程的静态模型方程可得到一阶强酸强碱的反应的滴定曲线方程为 （2.20）令y（t）=，进一步可得 （2.21） （2.22）对上式近似离散化模型为 （2.23）其中T为采样周期。由（2.21）解得 （2.24） 应用MATLAB软件，利用以上（2.23）、（2.24）的方程式，绘制一种一元强碱滴定一种意愿强酸所得到的pH的特性曲线如图2.2所示。其中所有得参数如表2.2所示。 表2.2 参数表 参数 取值 参数 取值反应釜体积V 1000L

34、 水离解常量 入硫酸的浓度 0.4N 入流碱的浓度 0.02N入流算的流量F 0.5L/min 从下图中可以看出，它的非线性主要表现在：在中性点7附近，此处特性曲线的增益很大，就是说，此时添加的反应剂微有变化，就能引起pH值大古都的变化，而当pH值远离中性点7时pH值的特性曲线的增益变小，这是要加入大量的反应剂才能造成pH值的少量变化 图2.2 pH的特性曲线 综上说述，本文中的中和过程的数学模型建立在一些假设条件之上，是一种理想模式下的数学模型，因此在实际工程中把本文的数学模型作为控制算法设计的基础，通过实际的工程情况和需要来更加完善pH值的数学模型。 3 pH值过程的控制方法研究本章主要针

35、对工业中pH值过程的控制问题介绍了常规的PID算法和基于改进的数字PID算法基础上设计了分段式变增益PID控制算法，通过对带有滞后的pH值控制系统进行MATLAB仿真，并与常规的PID控制效果进行比较，结果表明本课题所用的控制算法使pH值控制系统的控制效果明显改善，响应速度快、上升时间、稳定时间显著缩短，超调减小，系统的抗干扰性能也得到提高。3.1 常规的PID控制方法按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，就是著名的PID控制。PID控制是典型的传统控制方法，它简单易实现，广泛的应用于控制领域。PID控制早在三十年代末期就已经出现，经过六十多年来不断的更新换代，由模拟PID控制器发展

36、到数字PID控制器，己被广泛应用于工业过程控制。由于PID控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高，至今大概有90左右的控制回路具有PID结构。所有这些都表明，对PID控制研究和设计改进是很必要的。3.1.1PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规的PID控制系统是由模拟PID控制器和被控对象组成，其原理框图如图3.1所示。图3.1 PID控制系统原理图PID控制器是根据给定值与实际输出值构成控制偏差。 (3.1)将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，从而通过调节阀对被控对象进行控制，在模拟调节控制系统中，其控制规律表达式如(3.2)式所示： (3.2)或写成

37、传递函数的形式： (3.3)其中调节器的输出信号；调节器的输入信号，它等于测量值与给定值之差；比例增益，无量纲； 积分时间常数，1/s； 微分时间常数，s；常规的PID控制特点如下：(1) 比例控制的作用是：比例控制是一种最简单的控制方式。比例调节作用是按比例反映系统的偏差，偏差一旦产生，控制器立即就有控制作用，被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。(2) 积分控制的作用是：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误

38、差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。积分调节的作用是使系统消除稳态误差，提高无误差，只要有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常数。积分作用的强弱取决于积分时间常数， 越小，积分作用就越强。反之大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合， 组成PI调节器或PID调节器。但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会产生积分饱和现象，使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。(3) 微分控制的作用是：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分调节作用反映系统偏

39、差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以增加系统的稳定性，改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利，使系统抑制能力降低。此外，当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要于另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。3.1.2 数字PID控制算法由于近年来微型计算机技术的迅猛发展，而计算机控制系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量，实际应用大多数采用数字PID控

40、制器。因此连续PID控制算法不能直接使用，在计算机控制系统中，必须首先对公式进行离散化处理。其中经常采用的有位置式和增量式PID控制算法。(1) 位置式PID控制算法按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点代表时间连续，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项离散化可得： (3.4) (3.5)将式(3.4)、(3.5)代入式(3.2)中，可得到位置式数字PID控制器的控制规律，其表达式如下： (3.6)其中是第k次采样时调节器的输出，是第k次采样时的偏差值。 由于计算机输出的直接去控制执行机构如阀门，的值和执行机构的位置如阀门开度是一一对应的，因此称以上算式为位置式控

41、制算法。这种算法的缺点是，由于控制量是全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式控制的控制算法。(2) 增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是控制器的增量，当执行机构需要的是控制量的增量时，可由位置式PID算法推导出增量式的控制算式，可以得到第()次的PID输出表达式： (3.7)两次采样计算机输出的增量为： (3.8) 则 (3.9)在增量式算法中，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置如阀门开度的增量，对应阀门实际位置的控制量，因此通过执行软件容易实现。增量式PID控制虽然只是在位置式PID控制算法上作了一点改进，但却带来了不少优点：1.当偏差改变时，在一个采样周期内输出控制作用即能回到控制范围内；2.手动/自动切换时冲击