雙容水箱液位控制系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)報(bào)告

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)方案報(bào)告學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：年月日雙容水箱液位控制系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案報(bào)告一、設(shè)計(jì)背景伴著工業(yè)生產(chǎn)水平的飛快發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、精確性、穩(wěn)定性的要求愈來(lái)愈高。然而現(xiàn)實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的被調(diào)對(duì)象往往是非線性的、且具有很大的不穩(wěn)定性和延遲性。另外，越是完善的控制理論，也越是難以運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中，這就說(shuō)明如今的學(xué)術(shù)科研結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用程度并非同步的，這就更需要設(shè)計(jì)出解決這些矛盾的液位控制算法，因而為了提升整體的控制水準(zhǔn)，研究理想的控制算法具有很大的實(shí)際意義。二、數(shù)學(xué)模型的建立一般而言，控制系統(tǒng)的

2、數(shù)學(xué)模型可從兩個(gè)方面進(jìn)行描述，一是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工況。穩(wěn)態(tài)工況下，系統(tǒng)的各個(gè)變量與時(shí)間無(wú)關(guān)，描述系統(tǒng)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程為代數(shù)方程；二是研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)過(guò)程，各個(gè)變量都不是常數(shù)，是隨著時(shí)間變化的，所以需要把靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型結(jié)合起來(lái)。而本設(shè)計(jì)主要是根據(jù)機(jī)理法推理然后利用浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司THKGK-1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行雙容水箱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)附圖1來(lái)處理實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，確定本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。附圖1雙容水箱階躍響應(yīng)曲線三、線性PID控制器及其參數(shù)整定常規(guī)線性的PID控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方案容易實(shí)現(xiàn)，如附圖2所示：附圖2線性PID控制器結(jié)構(gòu)方框圖上圖表示在MA

3、TLAB軟件中Simulink模塊下的線性PID控制器，其中控制器參數(shù)分別為比例放大系數(shù)、積分放大系數(shù)、微分放大系數(shù)，其中為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，則調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)如下：通常，、和在一定范圍調(diào)整，因此可以作為調(diào)節(jié)器參數(shù)。關(guān)于線性PID的整定通常利用工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，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、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。三種方法都是通過(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。而在本設(shè)計(jì)中主要采

4、用最常用的臨界比例帶法和衰減曲線法進(jìn)行了整定。四、非線性PID控制器及其參數(shù)整定隨著技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力水平的提高，現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制對(duì)大型、復(fù)雜系統(tǒng)的自動(dòng)控制要求愈來(lái)愈高，加上大多數(shù)工業(yè)對(duì)象的非線性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)線性PID控制器的控制效果并不理想。由于雙容水箱是典型的二階系統(tǒng)，故在本設(shè)計(jì)中主要是利用非線性PID控制器，以便達(dá)到較好的控制效果。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明假如非線性函數(shù)中的所有參數(shù)選擇合理,就可以使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不僅響應(yīng)快,而且又無(wú)超調(diào)的目標(biāo)。本文利用雙曲余弦增益的非線性控制算法，即利用系統(tǒng)誤差構(gòu)成非線性函數(shù)與傳統(tǒng)PID控制器級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成一種新型的非線性PID控制算法，控制系統(tǒng)框圖如

5、附圖3所示。附圖3非線性PID控制系統(tǒng)方框圖這種由誤差構(gòu)成的非線性函數(shù)可以有多種形式，如則構(gòu)成了一種基于雙曲余弦函數(shù)的非線性PID控制器，其中，這種非線性PID控制算法構(gòu)成的非線性PID控制器的傳遞函數(shù)為式中：為非線性增益參數(shù)，、分別為比例、積分、微分放大系數(shù)。可以搭建這種雙曲余弦增益的非線性PID控制器模型如附圖4所示。附圖4雙曲余弦增益的非線性PID控制器上述非線性PID控制器還沒(méi)有具體有效的整定方法，考慮到熱工過(guò)程建模的復(fù)雜性和不確定的外部因素等等的相互影響探究合理的分析計(jì)算方法相對(duì)困難，因此本文采用Simulink下的NCD模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。五、設(shè)計(jì)的局限性非線性PID控制器有很多種，而本文利用雙曲余弦增益的非線性控制算法，雖然這種算法比線性PID控制算法的控制算法要精確，快速，但是并不是非線性PID控制算法中最好的，還需要我們繼續(xù)探索與研究。六、參考文獻(xiàn)1 THKGK-1型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司2 王志新，谷云東. 雙容水箱上的幾種液位控制實(shí)驗(yàn)及被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型J.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)第42卷第4期3 丁軻軻. 熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)M. 北京:中國(guó)電力出版社,2010.4 MATLAB數(shù)學(xué)工具軟件實(shí)例簡(jiǎn)明教程M. 南京航空航天大學(xué)王正盛編5 劉金琨先進(jìn)PID控制MATLAB仿真M第三版電子工業(yè)出版社，20046 顧紅艷，龍興權(quán)，曾河華，等. 雙曲余弦增益