基于MATLAB的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)(PID_串級(jí)控制)

1、目 錄前 言1第一章 串級(jí)控制系統(tǒng)及仿真概述21.1 串級(jí)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介2基本概念及組成結(jié)構(gòu)2串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程2系統(tǒng)特點(diǎn)及分析3工程應(yīng)用場(chǎng)合3系統(tǒng)設(shè)計(jì)31.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3主回路的設(shè)計(jì)3副回路的設(shè)計(jì)4主、副回路的匹配41.3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用5用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后5用于克服被控過(guò)程的純滯后6用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng)6用于克服被控過(guò)程的非線性61.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真6控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真6控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真7第二章 PID控制簡(jiǎn)介及整定方法102.1 PID控制簡(jiǎn)介102.2 PID參數(shù)整定方法13第三章 多容液位控制系統(tǒng)的建模1

2、83.1 過(guò)程建模的方法183.1.1 機(jī)理法18測(cè)試法19階躍響應(yīng)法193.2 有相互影響的雙容建模203.3 無(wú)相互影響的多容過(guò)程22第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真254.1 被控對(duì)象的仿真模型254.2 單回路控制系統(tǒng)的仿真254.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真31第五章 總結(jié)和展望39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄42前 言隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，液位過(guò)程控制的應(yīng)用十分普遍，所以為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，生產(chǎn)工藝要求儲(chǔ)槽內(nèi)的液位常常需要維持在某個(gè)設(shè)定值上，或只允許在某一小范圍內(nèi)變化。與此同時(shí)，為確保生產(chǎn)過(guò)程的安全，還要絕對(duì)保證液體不產(chǎn)生溢出。所以人們對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力

3、的要求越來(lái)越高。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的被控對(duì)象往往具有非線性、時(shí)延的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對(duì)非線性、時(shí)延對(duì)象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)際意義。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用的控制算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。本文所提及的雙容水箱液位控制系統(tǒng)是參考了國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)裝置并充分考慮性能價(jià)格比的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)的一種可以模擬多種對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置。雙容水箱雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻是最基本的過(guò)程空竹系統(tǒng)。即使在復(fù)雜、高水平的過(guò)程控制系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)仍占大多數(shù)（約占工業(yè)控制系統(tǒng)的70%以上）。復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)也是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，即便是一些高級(jí)過(guò)程控制系

4、統(tǒng)，也往往是將這類系統(tǒng)作為最低層的控制系統(tǒng)。因此，學(xué)習(xí)和掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法既具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，又是學(xué)習(xí)和掌握其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對(duì)雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時(shí)，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義。第一章 串級(jí)控制系統(tǒng)及仿真概述1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介串級(jí)控制系統(tǒng)是指把兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)

5、調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)【1】。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同

6、，分種情況進(jìn)行分析：(1)擾動(dòng)作用于副回路(2)擾動(dòng)作用于主過(guò)程(3)擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過(guò)程分析可以看到：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。(1)改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。(2)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。(3)提高了系統(tǒng)的工作頻率。(4)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)(1)應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程(2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程(3)應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過(guò)程(4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程(5)應(yīng)用于非線性過(guò)程(1)主參數(shù)的

7、選擇和主回路的設(shè)計(jì)(2)副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)(3) 控制系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇(4)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇(5) 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過(guò)程可以按照簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問(wèn)題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問(wèn)題。 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)， 對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過(guò)主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈、頻繁、

8、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。 歸納如下。 (1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。 (2)將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。 (3)副被控過(guò)程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 (4)要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。 (5)在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。 在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過(guò)大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧(2)和(3)的綜合?！?】 (1)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次

9、回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問(wèn)題。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會(huì)降低。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在310之間。比值過(guò)高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過(guò)少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過(guò)低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，

10、不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。 (2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無(wú)差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入I或 D 控制。如果引入 I 控制，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速控制作用；也沒(méi)有必要引入 D控制，因?yàn)楦被芈凡捎?P控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。(3)主、副

11、調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過(guò)程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式?！?】1.3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，

12、保證快速動(dòng)作的副回路。 被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。 在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的

13、副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。1.4 過(guò)程控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性學(xué)科，它的產(chǎn)生及發(fā)展差不多是與計(jì)算機(jī)的發(fā)明和法陣同步進(jìn)行的?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程包含如下步驟：(1)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳

14、遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式。(2)建立控制系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。(3)編制控制系統(tǒng)的仿真軟件采用各種各樣的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（Basic、FORTRAN、C等語(yǔ)言）編制控制系統(tǒng)的仿真程序，或直接利用一些仿真語(yǔ)言。(4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果通過(guò)對(duì)仿真模型對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。如果應(yīng)用MATLAB的Toolbox及Simulink集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了MATLAB仿真?！?】MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix laboratory)之意。MATLAB具有以下主要特點(diǎn)：(1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣MATLAB除

15、具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計(jì)算，MATLAB均可完成。(2)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活 MATLAB提供的庫(kù)函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫(kù)函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫(kù)函數(shù)。MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫(kù)函數(shù)避開了復(fù)雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。(3)有好的圖形界面，用戶使用方便MATLAB具有有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。MATLAB的函數(shù)命令眾多，功能各異，但MATLAB得聯(lián)機(jī)幫助功能使用戶既可用help命令查詢某個(gè)函數(shù)的

16、功能及使用，又可由MATLAB圖形界面下的help菜單來(lái)查詢，為用戶提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。MATLAB是演算紙式的科學(xué)過(guò)程計(jì)算語(yǔ)言，使用MATLAB編程運(yùn)算與人的科學(xué)思路和表達(dá)方式相吻合，猶如在演算紙上運(yùn)算并求運(yùn)算結(jié)果，使用十分方便。(4)圖形功能強(qiáng)大MATLAB里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單，MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。(5)功能強(qiáng)大的工具箱MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。當(dāng)前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)主包和三十多種工具包（Toolbox）。工具包又可以分為功

17、能性工具包和學(xué)科性工具包：功能性工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能；學(xué)科性工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包、信號(hào)處理工具包、通信工具包等都屬于此類。針對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等特點(diǎn)及MATLAB的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用MATLAB的Toolbox與Simulink仿真工具，為過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算和仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書

18、寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。(1)Simulink 的功能：Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合

19、的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供

20、了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。(2)Simulink的特點(diǎn)：a.豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。b.交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖c.以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。 d.通過(guò)Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。 e.提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。 f.使用Embedded MATLAB模塊在Simul

21、ink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。 g.使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型。 h.圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為?！?】第二章 PID控制簡(jiǎn)介及整定方法2.1 PID控制簡(jiǎn)介1. PID控制原理當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來(lái)糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)?！?】在過(guò)去的十幾年里，PID控制，也就是比例積分微分控

22、制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖1.1所示。這是一個(gè)典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖1.1 PID控制系統(tǒng)原理圖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e(t)構(gòu)成偏差 e(t)=r(t)-c(t)將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為 傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp1+ +Tds= Kp+ Kt +Kds式中Kp為比例

23、系數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)；Kt=Kp/Tt為積分常數(shù)，Kd=KpTd為微分系數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。當(dāng)偏差。e(t)=0時(shí)，控制作用也為0。因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度取決于比例系數(shù)Kp。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。(2)積分環(huán)節(jié)。能對(duì)偏差進(jìn)行記憶，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度

24、，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Tt。Tt越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但Tt過(guò)小，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若Tt過(guò)大，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)微分環(huán)節(jié)。能反映偏差的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Td過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能?！?】(4)比例積分環(huán)節(jié)PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。PI控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原

25、點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于遠(yuǎn)點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性及動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的不利影響。在實(shí)際工程中，PI控制器通常用來(lái)改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。(5) 比例微分環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)是

26、不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。(6) 比例積分微分環(huán)節(jié)PID控制通過(guò)積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長(zhǎng)處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過(guò)積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所以從時(shí)間的角度講，比例作用是針對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前偏差進(jìn)行

27、控制，積分作用則針對(duì)系統(tǒng)偏差的歷史，而微分作用則反映了系統(tǒng)偏差的變化趨勢(shì)，這三者的組合是“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”的完美結(jié)合。2.PID控制的特點(diǎn)事實(shí)表明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PD控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器;(2)控制器適用于多種不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)魯棒性。確切地說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)攝動(dòng)不敏感。但從另一方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制

28、品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:(1)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果;(2)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn);閉環(huán)特性從根本上只是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的;(3)出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求?！?】 2.2 PID參數(shù)整定方法自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，隨著各種技術(shù)和理論的發(fā)展，PID參數(shù)整定

29、的方法越來(lái)越多。1. 傳統(tǒng)整定方法(1)Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式(Z-N公式法)。該方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對(duì)象的純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)。此方法簡(jiǎn)單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參

30、數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過(guò)程臨界信息的最簡(jiǎn)便方法之一。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí);對(duì)干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過(guò)程為止，記下此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定主要是一些手動(dòng)整定方法，階躍響應(yīng)是其整定PID參數(shù)的主要依據(jù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)整定控制器的參數(shù)，具

31、有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡(jiǎn)便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，因其簡(jiǎn)單實(shí)用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;同時(shí)，對(duì)于一些系統(tǒng)，由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。1984年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測(cè)被控過(guò)程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過(guò)程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過(guò)程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的有用信息:臨界振蕩

32、周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計(jì)值，再利用Z-N經(jīng)驗(yàn)公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算出PID的參數(shù)。從根本上說(shuō)，這仍然是根據(jù)過(guò)程響應(yīng)來(lái)整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標(biāo)?！?】(4)積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制在一般的PID控制中，當(dāng)存在較大的擾動(dòng)和大幅度給定值變化時(shí)，此時(shí)有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會(huì)導(dǎo)致超大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)時(shí)間。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時(shí)，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時(shí)，才施加積分控制。即：a.當(dāng)時(shí)，采用P

33、D控制；b.當(dāng)時(shí)，采用PID控制。其中，為積分分離值，它可根據(jù)具體對(duì)象及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。實(shí)際中的值要選的合適，若值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若值過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。積分分離時(shí)，取常見的積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5) 數(shù)字變PID控制對(duì)于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因?yàn)槠胀≒ID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個(gè)參數(shù)在整定時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的被調(diào)參量可能是合適的，但是被調(diào)參量時(shí)刻都在變化并且有時(shí)可能波動(dòng)范圍很大。此時(shí)如果再用以前已整定好的PID參數(shù)來(lái)控制

34、此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動(dòng)情況由控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。I積分時(shí)間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強(qiáng)，I的各個(gè)分段值應(yīng)根據(jù)對(duì)PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動(dòng)范圍確定。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù)PID控制系統(tǒng)的要求而定?！?】2.最優(yōu)整定方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展，PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了

35、一些基于計(jì)算機(jī)的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問(wèn)題新的生命力，PID控制器的最優(yōu)化整定方法是針對(duì)特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。常用的性能指標(biāo)除ISE，IAE，ISTE，ITAE，IST2E等指標(biāo)外，還有改進(jìn)ITAE指標(biāo)，對(duì)階躍響應(yīng)過(guò)程中不同響應(yīng)階段區(qū)別對(duì)待，不同階段的偏差賦予不同的權(quán)重，以獲得更佳的控制品質(zhì);加權(quán)二次型性能言指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。目前還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實(shí)用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控對(duì)象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，求取被控對(duì)象的等

36、效純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過(guò)程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計(jì)算得出一系列參數(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過(guò)程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)整定方法來(lái)說(shuō)，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結(jié)果比較精確，控制效果比較好。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo);此外，從某種意義上說(shuō)，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小;而且某種數(shù)值解法通常只對(duì)某一類問(wèn)題適用，對(duì)于不同的系統(tǒng)，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇合適的方法。3.智能整定方法近年來(lái)，隨著智能控制理論的發(fā)展，專家系統(tǒng)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

37、日益受到控制界的重視，出現(xiàn)了一些智能優(yōu)化手段，主要有如下幾種:（1）專家智能型PID參數(shù)自整定技術(shù)。該自整定技術(shù)在線觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可識(shí)別過(guò)程的響應(yīng)參數(shù)，并由此確定PID控制器參數(shù)。識(shí)別過(guò)程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無(wú)需對(duì)被控對(duì)象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)干擾響應(yīng)的觀察，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的識(shí)別，然后由專家系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。專家系統(tǒng)的核心就是知識(shí)庫(kù)，控制器參數(shù)的調(diào)整完全依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)需過(guò)程對(duì)象模型，但不同的專家整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)不同，因而針對(duì)相同的過(guò)程會(huì)出現(xiàn)不同的整定參數(shù)。此外，由于缺少特定過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)，投運(yùn)初期，會(huì)有一個(gè)比較長(zhǎng)的自整定過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定。（2）基于模糊推理的PID自整

38、定。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于運(yùn)用模糊理論和方法將操作人員或?qū)＜业恼ń?jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為模糊規(guī)則模型，形成微機(jī)的查詢表格及解析式，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整。這種控制器不依賴于特定的過(guò)程，因而魯棒性很強(qiáng)。該方法根據(jù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在給定的PID參數(shù)附近對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)整，屬于一種局部尋優(yōu)方案，而且預(yù)給定的PID參數(shù)必須具有一定品質(zhì)。(3)基于遺傳算法的PID參數(shù)整定。最常見的是標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法SGA。優(yōu)化PID控制器時(shí)，將控制器參數(shù)按二進(jìn)制或其它形式編碼，按Kp、TI和TD拼接成一條染色體個(gè)體，然后隨機(jī)生成一組個(gè)體，稱為群體。它以個(gè)體的適應(yīng)度判斷個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)一般基

39、于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)，常為各種積分型指標(biāo)的某種函數(shù)。依據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度按概率從當(dāng)前群體中選擇個(gè)體進(jìn)行交叉、變異產(chǎn)生下一代群體。個(gè)體的適應(yīng)度越高，其被選擇的概率越大，然后再對(duì)下一代群體進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)勝劣汰。因?yàn)樵谶\(yùn)用遺傳算法對(duì)PID參數(shù)尋優(yōu)的個(gè)體評(píng)價(jià)過(guò)程中，許多個(gè)體所對(duì)應(yīng)的參數(shù)都可能使實(shí)際過(guò)程系統(tǒng)失控，這在應(yīng)用中是不能接受的，因此一般采用的是基于模型的PID控制器參數(shù)優(yōu)化，對(duì)過(guò)程不產(chǎn)生任何影響;同時(shí)優(yōu)化是基于模型，對(duì)模型響應(yīng)的評(píng)價(jià)大大加快，可以在較短的時(shí)間里得到最優(yōu)化結(jié)果。遺傳算法操作的是解空間的一組個(gè)體，而非單個(gè)解，因而可以有效地減小局部收斂的危險(xiǎn)。此外，遺傳算法采用純數(shù)值計(jì)算方法和隨機(jī)進(jìn)行策

40、略，無(wú)需模型梯度信息，使得問(wèn)題的處理更具靈活性、適應(yīng)性、全局性和魯棒性。從理論上來(lái)看，它能有效地攻克十分困難的優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，它不僅能提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，而且能降低設(shè)計(jì)的難度，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管遺傳算法在優(yōu)化問(wèn)題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但由于其本身還存在著一些問(wèn)題，如理論上還不完善、收斂性問(wèn)題、未成熟收斂(早熟)、局部搜索能力差等，遺傳算法的應(yīng)用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進(jìn)的遺傳算法。此外，還有其它的一些策略有助于改進(jìn)遺傳算法的收斂性?！?】第三章 多容液位控制系統(tǒng)的建模3.1 過(guò)程建模的方法從控制的角度來(lái)看，過(guò)程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)方案和控制算

41、法設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)之一，然而，在不少情況下必須同時(shí)掌握過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，需要把靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型結(jié)合起來(lái)。模型的建立方法可分為機(jī)理建模方法和測(cè)試建模方法，下面分別進(jìn)行闡述。用機(jī)理法建模就是根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，例如物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動(dòng)量平衡方程，反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理法建模也稱為過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)方法，它的特點(diǎn)是把研究的過(guò)程視為一個(gè)透明的匣子，因此建立的模型也稱為“白箱模型”。機(jī)理法建模的主要步驟如下：(1)根據(jù)過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程；(2)消去中間變量，建立狀

42、態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關(guān)系；(3)在工作點(diǎn)附近對(duì)方程進(jìn)行增量化，建立增量化方程；(4)在共作點(diǎn)處進(jìn)行線性化處理，簡(jiǎn)化過(guò)程特征；(5)列出狀態(tài)方程和輸出方程。機(jī)理建模法的首要條件是需要過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)，并且可以比較確切地對(duì)過(guò)程加以數(shù)學(xué)描述。用機(jī)理法建模時(shí)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況，這時(shí)可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)工業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)確定這些參數(shù)。【15】測(cè)試法建模通常只用于建立輸入/輸出模型。它根據(jù)過(guò)程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到模型，主要特點(diǎn)是把被研究的過(guò)程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，也稱為“黑箱模型”。復(fù)雜過(guò)程一般都采用測(cè)試法建模。測(cè)試法建模又可分為經(jīng)典

43、辨識(shí)法和系統(tǒng)辨識(shí)法兩大類；(1)經(jīng)典辨識(shí)法不考慮測(cè)試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對(duì)少量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，計(jì)算工作量一般較小。經(jīng)典辨識(shí)法包括時(shí)域法、頻域法和相關(guān)分析法。采用經(jīng)典辨識(shí)法，直接獲得的是非參數(shù)模型，一般是時(shí)間或頻率為自變量的試驗(yàn)曲線或數(shù)據(jù)集。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或隨機(jī)函數(shù)作用于過(guò)程，直接得到的是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)或譜密度，他們都是圖形或數(shù)據(jù)集。對(duì)本類方法的對(duì)象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應(yīng)用。對(duì)非線性模型，可以直接作為辨識(shí)結(jié)果，即直接用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)作為對(duì)象模型；有時(shí)還需

44、要將圖形或數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)或其他形式的參數(shù)模型。(2)系統(tǒng)辨識(shí)法其特點(diǎn)是可以清除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)是不可缺少的工具。它所涉及的內(nèi)容很豐富，已形成一個(gè)專門的學(xué)科分支。系統(tǒng)辨識(shí)方法不需要過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)。【10】階躍響應(yīng)法建模是實(shí)際中常用的方法，其方法是獲取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)?；静襟E是：首先通過(guò)手動(dòng)操作使過(guò)程共作所需測(cè)試的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，快速改變過(guò)程的輸入量，并用紀(jì)錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄過(guò)程輸入和輸出的變化曲線，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，過(guò)程進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束得到的記錄曲線就是過(guò)程的階躍響應(yīng)。多容過(guò)程是指有多個(gè)貯蓄容量的過(guò)程，多容

45、過(guò)程可分為有相互影響的多容過(guò)程和無(wú)相互影響的多容過(guò)程。雙容過(guò)程是最簡(jiǎn)單的多容過(guò)程，本設(shè)計(jì)以雙容過(guò)程為例，分析多容過(guò)程的數(shù)學(xué)建模。【14】3.2 有相互影響的雙容建模圖3.1的雙容器之間有一串聯(lián)在一起的管路，管路的流量Q1不僅與容器1的液位h1有關(guān)，也與容器2的液位h2有關(guān)。所以不僅容器1的液位會(huì)影響容器2的液位，容器2的液位也會(huì)影響容器1的液位，兩容器相互影響。圖3.1 有相互影響的雙容液位過(guò)程兩容器的液位和流出量之間都為非線性關(guān)系，有： （3-1）其中，a1和a2分別為容器1、容器2的比例系數(shù)，與手動(dòng)閥門開度有關(guān)；若設(shè)容器1、容器2相應(yīng)的線性化水阻分別為R1何R2 (3-2)則有： (3-3

46、) (3-4)如此有過(guò)程的數(shù)學(xué)描述： (3-5) (3-6)令,經(jīng)整理有： (3-7) (3-8)得出與得關(guān)系如下： (3-9)對(duì)式（2-35）求導(dǎo)，再代入式（2-36）有： (3-10)類似方法可推出與的關(guān)系。最后導(dǎo)出容器1、容器2的過(guò)程傳遞函數(shù)、分別為： (3-11) (3-12)可見兩個(gè)環(huán)節(jié)都是二階的。式（2-39）也可以寫成： (3-13)其中，,。從上述分析可知，該過(guò)程是一個(gè)典型的二階環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)特性取決于自振蕩頻率和阻尼系數(shù)。當(dāng)1時(shí)，系統(tǒng)特性為過(guò)阻尼特性，變化較為緩和；當(dāng)時(shí)，過(guò)程特性為衰減振蕩，越小則衰減的越慢，而振蕩頻率與自振蕩頻率有關(guān);當(dāng)=0時(shí)，系統(tǒng)特性呈等幅振蕩，此時(shí)振蕩頻率

47、為?！?3】3.3 無(wú)相互影響的多容過(guò)程無(wú)相互影響的雙容液位過(guò)程如圖3.2所示。圖3.2 無(wú)相互影響的雙容液位過(guò)程與圖3.1相比，圖3.2的雙容器之間沒(méi)有串聯(lián)的管路，兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量只與容器1的液位有關(guān)，與容器2的液位無(wú)關(guān)。容器2的液位也不會(huì)影響容器1的液位，兩容器無(wú)相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，故有非線性方程： (3-14) (3-15)過(guò)程的原始數(shù)據(jù)模型為： (3-16)令容器1、容器2相應(yīng)的線性水阻分別為和： (3-17) (3-18)其中為容器1的初始液位，為容器2的初始液位。則有過(guò)程傳遞函數(shù)： (3-19) (3-20)而由式（2-41）可以退出： (3-

48、21)因此有： (3-22)令時(shí)間常數(shù)和，綜合式（2-46）和式（2-49），最終可得該過(guò)程的傳遞函數(shù)為： (3-23)可見，雖然容器1的液位會(huì)影響容器2的液位，但容器2的液位不會(huì)影響容器1，二者不存在相互影響；過(guò)程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)相乘，但過(guò)程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對(duì)液位h則控制系統(tǒng)過(guò)程傳遞函數(shù)為： (3-24)由上述分析可知，該過(guò)程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢(shì)的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個(gè)具有自平衡能力的過(guò)程。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快，反之，若時(shí)間常數(shù)較大（即

49、容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過(guò)程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過(guò)程等效時(shí)間常數(shù)，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。因此通常可用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似無(wú)相互影響的多容系統(tǒng)?！?】第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真4.1 被控對(duì)象的仿真模型單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、即使成熟、操作維護(hù)也比較方便，在生產(chǎn)過(guò)程控制中得到廣泛應(yīng)用。為了設(shè)計(jì)好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)均達(dá)到要求值，就必須很好地了解具體的生產(chǎn)工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類型和控制器的參數(shù)等。串級(jí)控制系統(tǒng)必須合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

50、得到充分的發(fā)揮。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計(jì)和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。為此，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包括在副回路中，并且把副回路放大系數(shù)整定的應(yīng)大些，會(huì)使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制將干擾對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。【12】在雙容控制系統(tǒng)中，主被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為，副被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為，控制器采用PI控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。控制器參數(shù)整定到最佳值時(shí)，得出單回路控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖，串級(jí)控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、

51、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖。通過(guò)分析和比較單回路和串級(jí)也為控制系統(tǒng)的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統(tǒng)和串級(jí)液位控制系統(tǒng)的差異，具體仿真過(guò)程如下所述。4.2 單回路控制系統(tǒng)的仿真。 (a)(b)圖4.1 單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(a)仿真框圖 (b) 單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(a)(b)(c)圖4.2 單回路系統(tǒng)二次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用下的輸出曲線(a)(b)(c)圖 4.3單回路系統(tǒng)一次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c) 設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作

52、用下的輸出曲線(a)(b)(c)圖4.4 單回路系統(tǒng)一次和二次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c) 設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出曲線4.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真副控制器選擇P作用，主控制器選擇PID作用，整定串級(jí)控制器的參數(shù)為最佳值，同樣是40%的設(shè)定值設(shè)定值擾動(dòng)。 (a)(b)圖4.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(a)串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真框圖 (b) 串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，圖加幅值為設(shè)定值40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.7所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為330s。(a)(b)(c)圖4.6

53、串級(jí)控制系統(tǒng)二次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.8所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為260s。(a) (b)(c)圖4.7 串級(jí)控制系統(tǒng)一次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.9所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為280s。(a)(b)

54、(c)圖4.9 串級(jí)控制系統(tǒng)一次和二次干擾同時(shí)作用下的響應(yīng)曲線(a) 仿真框圖(b) 擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c) 設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線從上面的仿真曲線可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)具有更好的控制效果。第五章 總結(jié)和展望經(jīng)過(guò)三個(gè)月的時(shí)間，我的論文終于完成了，回想起這三個(gè)月的艱辛，讓我覺(jué)得很值得。剛開始拿到論文時(shí)間，我對(duì)題目還不是很明白，就想通過(guò)上網(wǎng)查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒(méi)找到，就在這找資料的過(guò)程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關(guān)論文，從中知道了題目的意思，和論文寫作思路。我做的是多容液位控制，是以串級(jí)的雙容液位控制過(guò)程來(lái)做的，在做論文的過(guò)程中

55、用到了MATLAB的仿真，數(shù)學(xué)建模和PID控制，數(shù)學(xué)模型的建立和PID控制是本論文的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有這兩個(gè)部分，我就沒(méi)辦法去做仿真。問(wèn)題出現(xiàn)最多的就是仿真過(guò)程，剛開始仿真的時(shí)候，我以為建立模型然后就能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，沒(méi)想到我參數(shù)沒(méi)有調(diào)節(jié)好，以致我在仿真的這個(gè)地方用了很長(zhǎng)時(shí)間，最后還是在老師和同學(xué)的幫助下完成的。所有的工作做完以后就是論文的定稿了，由于我以前做的東西很散，所以整理起來(lái)不是很容易，不過(guò)最后還是整理出來(lái)了，看著我自己做出來(lái)的論文，我覺(jué)得工作已經(jīng)完成了，便發(fā)給老師看初稿，結(jié)果說(shuō)我內(nèi)容作的太單調(diào)，仿真方法單一，于是我又開始了修改的工作。單一是因?yàn)槲抑挥写?jí)控制，所以我又做了一個(gè)單回路控制過(guò)

56、程，又來(lái)比較兩者的優(yōu)越，通過(guò)仿真結(jié)果得出的波形，來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，而不是通過(guò)單一的文字描述來(lái)說(shuō)理。然后又對(duì)用到過(guò)的軟件做了一些簡(jiǎn)介。經(jīng)過(guò)再三修改，論文終于完成了，也通過(guò)了老師的認(rèn)可，論文終于定稿了。論文寫作的過(guò)程雖然很累，但努力終歸得到了收獲，自己覺(jué)得很自豪，回首走過(guò)的路，覺(jué)得現(xiàn)在心中平靜多了。研究展望本文對(duì)多容液位的研究只不過(guò)是基本雙容液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過(guò)是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒(méi)有涉及。在控制方面可以選擇更加好的PID控制以提高控制精度。致謝本文是在馮翼老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。馮翼老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于液位PID控制方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。 本論文的完成也離不開其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。再次感謝馮以老師在論文開題、初稿、預(yù)答