儲(chǔ)聯(lián)罐系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文題 目 儲(chǔ)聯(lián)罐系統(tǒng)的pid控制器設(shè)計(jì) 學(xué) 院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 班 級(jí) 自動(dòng)化0802 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 二一二年六月八日摘 要 隨著時(shí)代的發(fā)展，儲(chǔ)聯(lián)罐系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)都已經(jīng)應(yīng)用，儲(chǔ)聯(lián)罐的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。而pid 控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)，并且具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過(guò)程控制中。作為一種廣泛的控制規(guī)律， pid 控制在各種控制技術(shù)中占著主導(dǎo)地位。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)法建立儲(chǔ)聯(lián)罐的一般數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析被控對(duì)象的特性，學(xué)習(xí)和了解pid的工作原理，然后設(shè)計(jì)pid 控制器，在 m

2、atlab/simulink 環(huán)境下建立儲(chǔ)聯(lián)罐控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì) pid控制算法進(jìn)行仿真研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，并從控制原理、參數(shù)整定方法以及應(yīng)用等方面分析討論pid控制器，并證明該設(shè)計(jì)方法可行性，證明該pid算法是正確的和有效的。通過(guò)本次設(shè)計(jì)我學(xué)到很多相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，準(zhǔn)確控制了儲(chǔ)聯(lián)罐的液位，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。關(guān)鍵詞：pid；儲(chǔ)聯(lián)罐；整定；仿真；數(shù)學(xué)模型abstractwith the development of the reservoir coupled-tank system has been applied in domestic industries, control o

3、f the coupled-tank as a basis for more complex nonlinear systems, but also has a strong theory, belong to the application of basic research. and pid controller because of the simple structure, strong robustness, and simple features, which is widely used in various industrial process control. as a wi

4、de range of control law, pid control occupied a dominant position in the various control technologies. in this paper, the experimental method to establish the general mathematical model of the coupled-tank, by analyzing the characteristics of the controlled object, learning and understanding the wor

5、king principle of the pid, and then design a pid controller, chu associated tank control system simulation model in matlab/simulink environment simulation study, the pid control algorithm, by simulation, and analysis from control theory, parameter tuning method and application to discuss the pid con

6、troller, and prove the feasibility of this design method, the pid algorithm is correct and effective. i learned a lot of professional knowledge through the design, and simulation experiments, accurate control of the coupled-tank liquid level, to meet the design purposes.keywords: pid; coupled-tank;

7、setting; the simulation目錄摘 要- 1 -abstract- 2 -1 前言- 4 -1.1課題研究背景- 4 -1.2 研究的意義- 5 -1.3 研究的目的- 6 -2 pid控制的基本理論- 7 -2.1 pid控制基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀- 7 -2.1.1 pid控制基本原理- 7 -2.1.2 pid發(fā)展現(xiàn)狀- 8 -2.3 pid參數(shù)整定方法- 9 -2.3.1 pid參數(shù)整定方法簡(jiǎn)介- 9 -2.3.2 pid參數(shù)整定步驟- 9 -2.4 pid參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響- 10 -3 儲(chǔ)聯(lián)罐的構(gòu)成及數(shù)學(xué)建模- 11 -3.1儲(chǔ)聯(lián)罐簡(jiǎn)介及組成部分- 11 -3.1.

8、1儲(chǔ)聯(lián)罐簡(jiǎn)介- 11 -3.1.2儲(chǔ)聯(lián)罐組成部分- 12 -3.2儲(chǔ)聯(lián)罐的數(shù)學(xué)模型建立- 12 -4系統(tǒng)仿真- 13 -4.1 matlab簡(jiǎn)介- 13 -4.2 matlab優(yōu)點(diǎn)- 13 -4.3 simulink仿真簡(jiǎn)介- 13 -4.4 pid控制器的設(shè)計(jì)及仿真- 14 -結(jié) 論- 16 -參 考 文 獻(xiàn)- 17 -致 謝- 18 -1 前言1.1課題研究背景pid控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其適用于課件里精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。大多數(shù)反饋回路用該方法或較小的變形控制，pid調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型實(shí)在工業(yè)控制中最常見(jiàn)的控

9、制器1。盡管自20世紀(jì)初pid控制誕生以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，控制理論與控制技術(shù)取得了令人矚目的成就，一些先進(jìn)控制策略不斷推出，但在大多數(shù)過(guò)程控制中能夠獲得令人滿意的控制性能，且仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)中2。吳宏鑫院士提出的“特征建模”理論3、4，第一次從理論有力地論證了pid控制器的廣泛應(yīng)用的理論依據(jù)，并且指出pid控制器具有獨(dú)特的優(yōu)越性，它將是復(fù)雜系統(tǒng)智能控制最基本、最基礎(chǔ)的一個(gè)子控制單元5。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)

10、計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 6?？刂破鞯膮?shù)整定就是對(duì)一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)并安裝就緒的控制系統(tǒng)，通過(guò)控制器參數(shù)的調(diào)整，使得系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量取決于對(duì)象特性、控制方案、干擾的形式和大小以及控制器參數(shù)的整定等各種因素。然而，一旦系統(tǒng)按所設(shè)計(jì)的方案安裝就緒，對(duì)象特性和干擾位置等基本固定下來(lái)，這時(shí)系統(tǒng)的質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)的整定。合適的控制器參數(shù)會(huì)帶來(lái)滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會(huì)使系統(tǒng)的質(zhì)量變壞。因此，在方案設(shè)計(jì)合理和儀表選型合適的基礎(chǔ)上，控制器參數(shù)整定的合適與否對(duì)控制器質(zhì)量具有重要的影響。pi

11、d的原理及特點(diǎn)在工程實(shí)際中，pid控制理論的發(fā)展歷史已經(jīng)有數(shù)十年了，它的構(gòu)想首先于西元1922年minorsky的論文中被發(fā)表出來(lái)。pid控制器的模型首先出現(xiàn)在callender等人在1936年所發(fā)表的論文里。而著名的ziegler與nichols則在1942年提出了pid控制的調(diào)整法則，歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)，pid一直是歷史最久的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，而且在今日依然被廣泛的使用。應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)pid控制，又稱(chēng)pid調(diào)節(jié)。pid控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完

12、全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。1.2 研究的意義儲(chǔ)聯(lián)罐它是從流程工業(yè)領(lǐng)域的液位系統(tǒng)中抽象出來(lái)的被控對(duì)象模型, 是一個(gè)非線性的系統(tǒng), 在實(shí)際控制中具有一定難度。它的液體走勢(shì)為: 坐落在罐底的水泵從集水槽抽水, 抽上來(lái)的水通過(guò)罐上端的入水口進(jìn)入儲(chǔ)聯(lián)罐, 之后經(jīng)出水口流入集水槽。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐的控制, 建立其數(shù)學(xué)模型。pid控制最核心的問(wèn)題就是如何整定pid控制器參數(shù)，使pid控制系統(tǒng)達(dá)到所期望的控制性能7。儲(chǔ)聯(lián)罐是從流程工業(yè)中抽象出的典型被控對(duì)象模型，pid控制器是一種具有良好控制性能的控制器。由于儲(chǔ)聯(lián)罐在流程工業(yè)中要求的控

13、制精度非常高，而一般的控制方案顯然無(wú)法達(dá)到其控制要求8。由于pid自身的許多控制優(yōu)點(diǎn)，能取得非常良好的控制效果，從而將pid控制應(yīng)用于儲(chǔ)聯(lián)罐中，從而達(dá)到各方面控制的指標(biāo)。在其他方面：對(duì)多指標(biāo)向榮控制賦予了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x；歸納了他的期望指標(biāo)集；建立了它的主要命題體系，即指標(biāo)及的相容分析、控制策略的求取技術(shù)；為具有目的與的隨機(jī)控制系統(tǒng)創(chuàng)造了待機(jī)指標(biāo)及；將待機(jī)指標(biāo)集納入期望性能指標(biāo)集，創(chuàng)建了滿意待機(jī)控制，并將滿意控制的理論與方法推廣到估計(jì)，建模與模型簡(jiǎn)化中，建立了統(tǒng)一的滿意控制理論9-14。由于pid在實(shí)際過(guò)程中運(yùn)用十分廣泛，在儲(chǔ)聯(lián)罐更是廣泛15。1.bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在pid控制器參數(shù)整定中的應(yīng)用16，bp

14、網(wǎng)絡(luò)具有很好的逼近非線性映射的能力, 而且具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)、并行分布處理和有較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性等特點(diǎn), 因此適用于對(duì)復(fù)雜非線性系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制。在此基礎(chǔ)上, 提出了基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid 參數(shù)整定方法, 并用matlab進(jìn)行了仿真, 得到較為滿意的結(jié)果。2.pid控制在凈水處理中的應(yīng)用17：（1） 提高設(shè)備利用率，保證水質(zhì)；（2）節(jié)約日常運(yùn)行費(fèi)用，如耗電量、耗氯量等；（3）運(yùn)行安全可靠，可持續(xù)檢測(cè)、高限/低限報(bào)警；（4）節(jié)省人力、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度：運(yùn)行中的調(diào)節(jié)控制可自動(dòng)集中管理；（5）實(shí)現(xiàn)集中顯示，分散控制或過(guò)程全部自動(dòng)化。3.模糊pid控制在球磨機(jī)給礦量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用18。對(duì)球磨的給礦量實(shí)現(xiàn)

15、自動(dòng)控制，使球磨機(jī)工作在最佳狀態(tài)，提高磨礦效率。4.智能控制在pid參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用19。使pid能夠在線調(diào)整，以滿足控制的要求。5.自適應(yīng)模糊pid在溫度控制中的應(yīng)用20。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,，溫度是重要的控制參數(shù)之一，對(duì)溫度的有效控制對(duì)于保證生產(chǎn)質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。溫度控制系統(tǒng)具有非線性、滯后性和時(shí)變性等特點(diǎn)。6.智能pid控制器在船舶發(fā)電機(jī)電壓控制中的應(yīng)用21。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊自適應(yīng)pid 控制方案。一方面利用模糊邏輯的概念抽象能力和非線性處理能力，另一方面利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和任意函數(shù)的逼近能力，通過(guò)兩者的有機(jī)結(jié)合尋找一個(gè)最佳的pid 非線性組合控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知對(duì)

16、象進(jìn)行在線控制22。pid 控制是最早的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方法，盡管現(xiàn)代控制理論有了相當(dāng)完善的發(fā)展，但在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，pid控制仍然是最常用的經(jīng)典控制方法，有資料表明工業(yè)過(guò)程控制中95% 以上仍然是pid控制，究其原因，這主要得益于它在某種程度上不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)?？梢灾? pid控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要在控制器三個(gè)參數(shù)的整定上，針對(duì)此三個(gè)參數(shù)整定方法較多，各有其特點(diǎn)。1.3 研究的目的（1）通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步加深理解自動(dòng)控制理論與過(guò)程控制系統(tǒng)等所學(xué)課程以及一些相關(guān)的內(nèi)容。（2）掌握pid調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，熟悉了p、i、d三個(gè)參數(shù)的意義，及調(diào)整方法。（3）掌握儲(chǔ)聯(lián)罐系

17、統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法，加深了對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐的認(rèn)識(shí)。2 pid控制的基本理論2.1 pid控制基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀2.1.1 pid控制基本原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是pid控制。模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對(duì)象組成。 圖2.1 pid控制系統(tǒng)原理框圖pid控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差，即: 2-1pid的控制規(guī)律為: 2-2式中kp為比例系數(shù)；ti為積分時(shí)間常數(shù)；td為微分時(shí)間常數(shù).簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)pid控制校正環(huán)節(jié)中積分環(huán)節(jié)的作用是用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度.積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)ti，t

18、i越大，積分作用越弱，反之則強(qiáng)。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)ti，ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之ti大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成pi調(diào)節(jié)器或pid調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，

19、能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前已，被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此可，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用,因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)微，分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成pd或pid控制器。pid控制器由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（ kp ， ki 和 kd ）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。 首先，

20、pid應(yīng)用范圍廣。雖然很多控制過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣pid就可控制了。 其次，pid參數(shù)較易整定。也就是，pid參數(shù)kp，ki和kd可以根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化， pid 參數(shù)就可以重新整定。 第三，pid控制器在實(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)，下面兩個(gè)改進(jìn)的例子，在工廠，總是能看到許多回路都處于手動(dòng)狀態(tài)，原因是很難讓過(guò)程在“自動(dòng)”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用 pid 的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費(fèi)等問(wèn)題的困擾。pid參數(shù)自整定就是為了處理pid

21、參數(shù)整定這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動(dòng)整定或自身整定的pid控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的pid控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩?wèn)題需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了pid參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過(guò)程模型是較難的。閉環(huán)工作時(shí)，要求在過(guò)程中插入一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的 pid 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。 如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此受到干擾的影響控制器會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個(gè)不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒(méi)有成熟的穩(wěn)定性

22、分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問(wèn)題。 因此，許多自身整定參數(shù)的pid控制器經(jīng)常工作在自動(dòng)整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動(dòng)整定通常是指根據(jù)開(kāi)環(huán)狀態(tài)確定的簡(jiǎn)單過(guò)程模型自動(dòng)計(jì)算 pid 參數(shù)。但仍不可否認(rèn) pid 也有其固有的缺點(diǎn):pid 在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，如果 pid 控制器不能控制復(fù)雜過(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。 雖然有這些缺點(diǎn)，pid控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器。2.1.2 pid發(fā)展現(xiàn)狀目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控

23、制理論三個(gè)階段。而pid控制及其控制器或智能pid控制器在當(dāng)今控制理論中首屈一指，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器，其中pid控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用pid控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實(shí)現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器，還有可實(shí)現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等。有關(guān)pid 控制和基于pid 的控制方法的文獻(xiàn)非常多，并且已經(jīng)在實(shí)際中得到了最廣泛的應(yīng)用。到目前為止，自ziegler 和nichols提出pid參數(shù)整定方法起，國(guó)內(nèi)外關(guān)于pid 參數(shù)整定方法已有一

24、些綜述文章，astrom 和hagglund 還出版了pid控制器整定方面的專(zhuān)著，同其他控制方法一樣，pid 控制的參數(shù)整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中，許多重要國(guó)際雜志仍然不斷發(fā)表新的研究成果。2.3 pid參數(shù)整定方法2.3.1 pid參數(shù)整定方法簡(jiǎn)介pid控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定pid控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。pid控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主

25、要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。pid控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 pid控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到pid控制器的

26、參數(shù)。2.3.2 pid參數(shù)整定步驟pid參數(shù)整定步驟整定步驟為先比例，再積分，最后微分。（1）整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。（2）整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減會(huì)比原來(lái)減小，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。（3）整定微分環(huán)節(jié) 若經(jīng)過(guò)步驟（2），pi控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成pid控制。先置微分時(shí)間td=0，逐漸加大td，同

27、時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和pid控制參數(shù)。2.4 pid參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來(lái)考慮, kp , ki , kd 的作用如下:1.比例系數(shù)kp 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。kp 如果越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度就越快,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度就越高,但容易產(chǎn)生超調(diào),可導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。kp 取值如果過(guò)小,則會(huì)使調(diào)節(jié)精度降低,響應(yīng)速度會(huì)變慢,從而使調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)等。2.積分作用系數(shù) ki 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。ki 如果越大,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快,如果 ki 過(guò)大,在響應(yīng)過(guò)程的初期就會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而引

28、起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若 ki 過(guò)小,將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3.微分作用系數(shù)kd 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其作用是能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)。并能在偏差信號(hào)值變得很大之前,在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào),從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,減少調(diào)節(jié)所需的時(shí)間。3 儲(chǔ)聯(lián)罐的構(gòu)成及數(shù)學(xué)建模3.1儲(chǔ)聯(lián)罐簡(jiǎn)介及組成部分3.1.1儲(chǔ)聯(lián)罐簡(jiǎn)介典型的儲(chǔ)聯(lián)罐如圖1所示, 它是從流程工業(yè)領(lǐng)域的液位系統(tǒng)中抽象出來(lái)的被控對(duì)象模型, 是一個(gè)非線性的系統(tǒng), 在實(shí)際控制中具有一定難度。儲(chǔ)聯(lián)罐專(zhuān)業(yè)模塊是臺(tái)式“雙儲(chǔ)罐”植物組成的一個(gè)水泵盆地和均勻截面的兩個(gè)坦克。這樣儀器構(gòu)成一個(gè)自治的封閉和循環(huán)系統(tǒng)。兩個(gè)水箱

29、，裝上前面板上，配置等，從流第一（上）罐可以流入第二（下）罐。從第二槽的流量流入的主要水罐。在每個(gè)人的兩個(gè)水箱，液體被撤回從底部通過(guò)流出口（即出口）。出口壓力大氣。兩個(gè)插座插入配置和可以通過(guò)改變插入螺絲在每個(gè)水箱底部挖孔。以引入干擾流，也是第一罐配備一個(gè)排氣閥，打開(kāi)時(shí)，流量可以直接被釋放入水流域。 “泵推力水垂直兩個(gè)快速連接竅“out1”和“out2”，這是正常關(guān)閉。對(duì)于可配置的目的，這兩個(gè)竅，或進(jìn)氣口，有不同的直徑。橡膠與適當(dāng)?shù)慕宇^油管提供使泵送入一個(gè)或兩個(gè)水罐。從泵的輸出選擇控制的兩個(gè)網(wǎng)點(diǎn)之間的流動(dòng)比率“out1”和“out2”。在每個(gè)水箱的水位是采用壓力敏感的傳感器，位于水箱底部。作為在

30、這后面詳述手冊(cè)，每個(gè)都偏移和增益電位器壓力傳感器可隨時(shí)提供適當(dāng)校準(zhǔn)。此外，垂直刻度（厘米）每罐旁還擺放視覺(jué)反饋每罐的水位。圖1儲(chǔ)聯(lián)罐實(shí)物圖3.1.2儲(chǔ)聯(lián)罐組成部分主要的組成部分有：1.儲(chǔ)聯(lián)罐主體框架；2.集水槽；3.泵；4.橡膠管；5.快速連接入口孔板；6.輸出1快速連接入口孔板輸出口2；7.快速連接輸出1耦合軟管；8.快速連接輸出口2耦合軟管；9.小插座插入；10.中等插座插入；11.大出口插入；12.平行插座插入；13.干擾塔；14.壓力傳感器校準(zhǔn)和信號(hào)處理電路板；15.水泵電機(jī)4針din連接器；16.壓力傳感器電纜6針小型din連接器；17.液位表；18.流分配器。3.2儲(chǔ)聯(lián)罐的數(shù)學(xué)模型

31、建立儲(chǔ)聯(lián)罐的液體走勢(shì)為: 坐落在罐底的水泵從集水槽抽水, 抽上來(lái)的水通過(guò)罐上端的入水口進(jìn)入儲(chǔ)聯(lián)罐, 之后經(jīng)出水口流入集水槽。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐的控制, 建立其數(shù)學(xué)模型。表3.2.1儲(chǔ)聯(lián)罐參數(shù)名稱(chēng)意義k p水泵流量常數(shù)v p水泵電壓開(kāi)度l1液位高度dt1罐體直徑do1出水口直徑at1罐體橫截面積ao1出水口橫截面積g萬(wàn)有引力常量罐的入水口液體流入量ft1為： 3.2.1罐的出水口流速為： 3.2.2罐的出水口橫截面積為： 3.2.3罐的液體流出量為： 3.2.4罐體橫截面積為： 3.2.5所以罐的液位變化率為： 3.2.6上式即為儲(chǔ)聯(lián)罐的數(shù)學(xué)模型, 它表達(dá)了水泵電壓和液體高度之間的關(guān)系, 這個(gè)微分

32、方程存在一個(gè)開(kāi)平方的關(guān)系所以儲(chǔ)聯(lián)罐是一個(gè)非線性的系統(tǒng)。對(duì)其用傳統(tǒng)的控制器進(jìn)行控制達(dá)不到很好的效果, 而預(yù)測(cè)控制能極大的克服對(duì)象的非線性, 所以本文中采用預(yù)測(cè)控制算法之一的動(dòng)態(tài)矩陣控制對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐進(jìn)行控制。4系統(tǒng)仿真4.1 matlab簡(jiǎn)介matrix laboratory(縮寫(xiě)為matlab)軟件包，是一種功能強(qiáng)、效率高、便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括:一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序和圖形集于便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問(wèn)題的matlab語(yǔ)言表述形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的

33、計(jì)算，同時(shí)提供了與其它高級(jí)語(yǔ)言的接口，是科學(xué)研究和工程應(yīng)用必備的工具。目前，在控制界、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本論文設(shè)計(jì)中pid參數(shù)的整定用到的是matlab中的 simulink,它是一個(gè)強(qiáng)大的軟件包 ，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)工作。用 simulink對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，為設(shè)計(jì)人員提供參考。其仿真結(jié)果是否可用，取決于數(shù)學(xué)模型正確與否，因此要注意模型的合理及輸入系統(tǒng)的參數(shù)值要準(zhǔn)確。4.2 matlab優(yōu)點(diǎn)1.電力系統(tǒng)仿真工具箱功能強(qiáng)大，工具箱內(nèi)部的元件庫(kù)提供了經(jīng)常使用的各種電力元件的數(shù)學(xué)模型，并且提供了通過(guò)自己編程的方

34、式來(lái)創(chuàng)建合適的元件模型的手段。2.matlab采用scope模塊和其他的畫(huà)圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來(lái)迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到matlab的工作空間里事后處理。3.友好的界面。模型分析工具包括線性化和平衡點(diǎn)分析工具、matlab的許多工具及matlab的應(yīng)用工具箱。由于matlab和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。4.3 simulink仿真簡(jiǎn)介simulink可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析

35、的軟件包，它支持連續(xù)，離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在simulink環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中畫(huà)出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型十分的容易。4.4 pid控制器的設(shè)計(jì)及仿真圖1仿真圖圖2 儲(chǔ)聯(lián)罐階躍響應(yīng)模型結(jié) 論本文介紹了基于matlab/sinmulink實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)聯(lián)罐液位pid控制系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)。再通過(guò)了和其他控制器的比較，最終采用pid控制對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液位控制，通過(guò)學(xué)習(xí)和了解pid工作原理，以及如何進(jìn)行參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)了以儲(chǔ)聯(lián)罐為對(duì)象，針對(duì)儲(chǔ)聯(lián)罐的進(jìn)水口和出水口的流量特性，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在s

36、inmulink環(huán)境下，對(duì)控制水箱液位儲(chǔ)聯(lián)罐模型系統(tǒng)的進(jìn)出水口流量的控制算法進(jìn)行仿真研究。經(jīng)過(guò)這半年的學(xué)習(xí)，得出了以下結(jié)論：1）通過(guò)本次設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡(jiǎn)單系統(tǒng)特性的一般方法，并對(duì)系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。2）基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的pid參數(shù)整定方法，對(duì)pid調(diào)節(jié)器中的p、i、d各個(gè)參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。是自己的 3）從設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)講，或許學(xué)習(xí)的是僅僅過(guò)程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是matlab的操作，但設(shè)計(jì)過(guò)程中，從設(shè)計(jì)思想，到研究方法，再到結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也許更重要。參 考 文 獻(xiàn)1 須田信英.pid的

37、控制理論與實(shí)務(wù).1992,12(3):33-352 王偉,張晶濤,柴天佑.pid先進(jìn)整定方法綜述.自動(dòng)化學(xué)報(bào),2000,26(3):347-3553 吳宏鑫,解永春,李智斌等.基于對(duì)象特征模型描述的智能控制.自動(dòng)化學(xué)報(bào),1999,25(1):9-174 吳宏鑫,劉一武，劉忠漢等.特征模型與腦型結(jié)構(gòu)的控制.中國(guó)科學(xué),2001,31(2)：137-1495 吳宏鑫,沈少平.pid控制的應(yīng)用與理論依據(jù).控制工程,2003,10(1):37-426 金以慧.過(guò)程控制.控制工程,1993,10(4):20-257 wendell s j, take control of pid tuning. plant engineering