液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、命而弧3圭孑、凈硝伐津嬉NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY MING DE COLLEGE本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)名稱學(xué)生姓名指導(dǎo)教師畢業(yè)時(shí)間畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)論文一、題目液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、指導(dǎo)思想和目的要求通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)所學(xué)自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制原理、控制系統(tǒng)仿真、 電子技術(shù)等的基本理論和基本知識(shí)加深理解和應(yīng)用；培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處 理、文件編輯、文字表達(dá)、文獻(xiàn)查閱、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、工具書(shū)使用等基本事件能力 以及外文資料的閱讀和翻譯技能；掌握液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和步驟，培 養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手能力，為今后的工作

2、打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。要求認(rèn)真復(fù)習(xí)有關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)知識(shí)，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，全身心 投入，認(rèn)真查閱資料，仔細(xì)分析被控對(duì)象的工作原理、特性和控制要求，按計(jì)劃 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)各階段的任務(wù)，重視理論聯(lián)系實(shí)際，寫(xiě)好畢業(yè)論文。二、主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足以下要求：調(diào)節(jié)時(shí)間：S - 4S超調(diào)量：a % 5%四、進(jìn)度和要求1、搜集中、英文資料，完成相關(guān)英文文獻(xiàn)的翻譯工作，明確本課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究意義；（第1、2周）2、 完成總體設(shè)計(jì)方案的論證并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；（第3、4周）3、 理論推導(dǎo)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；（第5、6周）4、分析未校正單容、雙容水箱液位控制系統(tǒng)的性能;（第7、8周）5、選用PI

3、D控制方案設(shè)計(jì)滿足性能指標(biāo)要求的控制系統(tǒng)；（第9、10周）6、應(yīng)用Matlab對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證;（第11周）7、整理資料撰寫(xiě)畢業(yè)論文;（1）初稿；（第 12、13 周）（2）二稿；（第14周）8、準(zhǔn)備答辯和答辯。（第15周）五、主要參考書(shū)及參考資料1周勝凱，李穎，水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)M，2012、062陳帆、王勇，PID控制單容水箱液位及其相關(guān)階躍響應(yīng)曲線M,2013、63盧京朝，自動(dòng)控制原理，西北工業(yè)大學(xué)出版社，20094涂植英，過(guò)程控制系統(tǒng)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19835胡壽松，自動(dòng)控制原理，科學(xué)2008，6出版社，2008，66薛定宇，陳陽(yáng)泉，系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，

4、2004.47王正林，MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真，電子工業(yè)出版社，2009.78徐兵，過(guò)程控制，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.99張顯庫(kù)，賈欣樂(lè).基于閉環(huán)增益成型的魯棒PID算法及在液位控制中的應(yīng) 用.中國(guó)造船J. V01. 41第三期（總第150期），200010薛毅，數(shù)學(xué)建模基礎(chǔ)，北京：工業(yè)大學(xué)出版社，2004學(xué)生 指導(dǎo)教師 系主任摘要隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展電子信息時(shí)代的進(jìn)步。國(guó)家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位控制 系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用到石油、化工等各個(gè)行業(yè)。液位控制系統(tǒng)是以液位為控制參數(shù)的 控制系統(tǒng)。有很多地方需要對(duì)容器的介質(zhì)進(jìn)行控制，使之高精度地保持在給定數(shù) 值，液位控制一般指對(duì)某一液位進(jìn)行

5、控制和調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度， 液體的液位自動(dòng)控制是近年來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng) 控制等幾項(xiàng)技術(shù)的緊密合作的產(chǎn)物。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)水位進(jìn)行 測(cè)量和控制。本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng).計(jì)首先對(duì)被控對(duì)象的模型 進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，設(shè)計(jì)PID控制器，在 Matlab/Simulink環(huán)境下建立雙容水箱控制的仿真模型，對(duì)PID控制算法進(jìn)行仿 真研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)方法可行性和該算法的正確性。關(guān)鍵詞：雙容水箱，實(shí)驗(yàn)法建模，PID控制AbstractWith the development of moder

6、n science and technology progress of electronic information era. The rapid development of national industry, liquid level control system is widely applied to petroleum, chemical and other industries. Liquid level control system based on liquid level control parameters of control system. There are ma

7、ny places need to control the container medium, to keep the accuracy of the given value, liquid level control usually refers to a certain level to control and adjust, make it reach the required control precision, liquid level automatic control is a new technology in recent years, it is a miniature c

8、omputer software, hardware, several technologies such as automatic control of the product of close cooperation. In the process of industrial and agricultural production, often need to measure and control of water level.The purpose of this paper is to design the double let water tank liquid level cas

9、cade control system. Plan the first analysis of the model of the controlled object, and USES the experimental modeling method to calculate the transfer function of the model. Secondly, PID controller is designed, under the environment of Matlab/Simulink to establish double let water tank control sim

10、ulation model, simulation results of PID control algorithm, through simulation experiment, proves that the design method is feasibility and correctness of the algorithm is correct.Keywords : double let water tank, the experiment method of modeling, PID control TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark52 o

11、Current Document 摘要III HYPERLINK l bookmark55 o Current Document AbstractIV HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 第一章緒論7 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 1.1課題提出背景7 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀8國(guó)外研究現(xiàn)狀8國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀9 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 1.3控制理論的發(fā)展10

12、 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 1.4本章小結(jié)11 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 第二章單容水箱液位控制系統(tǒng)建模13 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 2.1水箱液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介13 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 2.2液位控制的實(shí)現(xiàn)13 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 2.3單容水箱建模14 HYPERLINK l bookmark

13、130 o Current Document 2.4雙容水箱建模16雙容水箱數(shù)學(xué)模型16雙容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)17 HYPERLINK l bookmark214 o Current Document 第三章 液位控制系統(tǒng)中的PID算法和控制18 HYPERLINK l bookmark217 o Current Document PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展18 HYPERLINK l bookmark226 o Current Document PID的內(nèi)容19 HYPERLINK l bookmark229 o Current Document PID控制組成20 HYPERLINK l

14、 bookmark232 o Current Document 3.4調(diào)節(jié)器PID整定21 HYPERLINK l bookmark235 o Current Document 第四章 MALAB /Smilink 仿真22 HYPERLINK l bookmark238 o Current Document 4.1 MATLAB 簡(jiǎn)介22優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23 HYPERLINK l bookmark245 o Current Document 4.2 Simlink 簡(jiǎn)介244.3單容水箱仿真25 HYPERLINK l bookmark251 o Current Document 4.

15、4雙容水箱仿真27 HYPERLINK l bookmark270 o Current Document 第五章全文總結(jié)36 HYPERLINK l bookmark273 o Current Document 參考文獻(xiàn)37致謝38 HYPERLINK l bookmark286 o Current Document 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)39第一章緒論1.1課題提出背景隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，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)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

16、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。 然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，甚至相差幾 十年。在我國(guó)，越是高深的、先進(jìn)的控制理論，其研究越是局限于少數(shù)科研院所 的狹小范圍內(nèi)，也越是遠(yuǎn)離了國(guó)民生產(chǎn)這個(gè)應(yīng)用基地。最近幾年，國(guó)內(nèi)一些控制 領(lǐng)域已接近甚或超越了國(guó)際水平，然而，就先進(jìn)理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的狀 況來(lái)講，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比卻存在較大差距。其原因固然是多方面的。但是，一個(gè) 很明顯的原因就是在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，理論的算法一旦應(yīng)用于 現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題，制約了其應(yīng)用前景。在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn) 室中復(fù)現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過(guò)程條件的今天，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的

17、具有典型對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝 置無(wú)疑是一條探索將理論成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)的捷徑。在過(guò)程工業(yè)中，被控量通常有以下四種：液位、壓力、流量、溫度，而液位 不僅是工業(yè)過(guò)程中的常見(jiàn)參數(shù)，且便于直接觀察，也容易測(cè)量，過(guò)程時(shí)間常數(shù)一 般比較小，以液位過(guò)程構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可靈活地進(jìn)行過(guò)程組態(tài)，實(shí)施各種不同的 控制方案。液位控制裝置也是過(guò)程控制最常用的實(shí)驗(yàn)裝置，國(guó)外很多實(shí)驗(yàn)室有此 類裝置，很多重要的研究報(bào)告、模擬仿真等均出自此類裝置。雙容水箱是較為典 型的非線性、時(shí)延對(duì)象，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)，

18、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，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)品器液位控制。而且， 雙容水箱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。同時(shí)，它具有較強(qiáng)的綜合性，涉及控制原理、智能控制、 流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著人們生活質(zhì)量的提高和環(huán)境的變化，“水”已經(jīng)成為人們關(guān)注的對(duì)象！ 不管是生活用水，是工業(yè)用水，這都牽扯水的過(guò)程控制問(wèn)題。將PID算法運(yùn)用到 水位控制系統(tǒng)中，不僅可以解決水塔的自動(dòng)化給水問(wèn)而且還可以合理、安全、節(jié) 約的使用水資源，近而使居民安居樂(lè)業(yè)，使我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化不斷的向前發(fā)展！國(guó)外研究現(xiàn)狀德

19、國(guó)Amira自動(dòng)化公司研制的雙容水箱系統(tǒng)是著名的智能實(shí)驗(yàn)設(shè)備之一， 在國(guó)外很多大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都已得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也有包括清華大學(xué)、浙江 大學(xué)、吉林大學(xué)等高校引進(jìn)了 Amira公司研制的雙容水箱過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置。 但是，由于德國(guó)Amira自動(dòng)化公司研制的雙容水箱系統(tǒng)價(jià)格太高，給購(gòu)置這個(gè) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來(lái)很多困難。也正是受其高價(jià)格的限制，目前，國(guó)內(nèi)只是少數(shù)高校的 部分實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了這個(gè)設(shè)備，給基于雙容水箱系統(tǒng)的算法研究和仿真帶來(lái)了困 難。液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系 統(tǒng)。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī) 律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安

20、全，使生產(chǎn)自動(dòng)進(jìn)行下去。液位過(guò)程參數(shù)的變化不 但受到過(guò)程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)一 般不止一個(gè)，在過(guò)程中的作用也不同，這就增加了對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性， 或者控制起來(lái)相當(dāng)困難，因此形成了過(guò)程控制的下列特點(diǎn)：（1）對(duì)象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大， 設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的 趨勢(shì)。因此，當(dāng)流入（流出）對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、 阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。對(duì)象特性的非線性對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)特

21、性有明顯的不同。 大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重 要的?？刂葡到y(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù) 變化不超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。 過(guò)程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，對(duì) 象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來(lái)，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡， 被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來(lái)的，這就是具有積分的對(duì)象。任何生產(chǎn)過(guò)程被控 制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特 性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)也有一些廠家研制

22、了雙容水箱液位系統(tǒng)GWT系列水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝 置由固高科技有限公司協(xié)同香港城市大學(xué)聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)而成，并經(jīng)過(guò)香港城市 大學(xué)雙年的實(shí)踐檢驗(yàn)，充分證明了其教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究?jī)r(jià)值。用戶既可通過(guò)經(jīng)典 的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，完成經(jīng)典控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可通過(guò)模糊邏輯控制器的 設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。各種控制器的控制效果既通過(guò)水位 的變化直觀地反映出來(lái)，同時(shí)通過(guò)液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，方便地獲得瞬 態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。開(kāi)放的控制器平臺(tái)，便于用戶進(jìn)行自己的控 制器設(shè)計(jì)，滿足創(chuàng)新研究的需要THJS-1型雙容水箱對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由浙江 天煌科技實(shí)業(yè)有限公司研制開(kāi)發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院

23、校，科研院所從事自動(dòng)控 制理論學(xué)習(xí)、研究及控制模型和算法探索的教師，科研人員及高年級(jí)本科生和研 究生提供了一個(gè)具體的控制對(duì)象。液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的液位控 制器來(lái)講，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有差距。目前，我 國(guó)液位控制主要以常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控 制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控 制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于 工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控 制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)

24、發(fā)展迅速，并在智能化、自 適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó) 技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在 各行業(yè)廣泛應(yīng)用。1.3控制理論的發(fā)展在20世紀(jì)30到40年代，奈奎斯特、伯德、維納等人的著作為自動(dòng)控制理 論的初步形成奠定了基礎(chǔ)；二戰(zhàn)后，又經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的努力，在總結(jié)了以往的實(shí) 踐和關(guān)于反饋理論、頻率響應(yīng)理論并加以發(fā)展的基礎(chǔ)上，形成了較為完整的自動(dòng) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率法理論。1948年又提出了根軌跡法。至此，自動(dòng)控制理論 發(fā)展的第一階段基本完成。這種建立在頻率法和根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，通常被 稱為經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論以拉

25、氏變換為數(shù)學(xué)工具，以單輸入一一單輸出的線性定常系統(tǒng) 為主要的研究對(duì)象。將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到復(fù)數(shù)域中，得到系 統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以此作為基礎(chǔ)在頻率域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確定控制器 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。通常是采用反饋控制，構(gòu)成所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)。它有以下幾個(gè)特 點(diǎn).八、：第一，經(jīng)典控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對(duì)最簡(jiǎn)單的非線性系統(tǒng) 也是無(wú)法處理的；出描述方式，這就從本質(zhì)上忽略了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性，也不 能處理輸入和輸出皆大于1的系統(tǒng)。實(shí)際上，大多數(shù)工程對(duì)象都是多輸入一一多 輸出系統(tǒng)，用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)都沒(méi)有得到滿意的結(jié)果；第二，經(jīng)典控制理論采用試探法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用

26、合適的、簡(jiǎn)單的、 工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。雖 然這種設(shè)計(jì)方法具有實(shí)用等很多優(yōu)點(diǎn)，但是，在推理上卻是不能令人滿意的，效 果也不是最佳的。綜上所述，經(jīng)典控制理論的最主要的特點(diǎn)是：線性定常對(duì)象，單輸入單輸出， 完成鎮(zhèn)定任務(wù)。經(jīng)典控制理論具有明顯的局限性，突出的是難以有效地應(yīng)用于時(shí) 變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。當(dāng)把這種理論推廣到更 為復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)典控制理論就顯得無(wú)能為力了，即便對(duì)這些極簡(jiǎn)單的對(duì)象、 對(duì)象描述及控制任務(wù)，理論上也尚不完整，從而促使現(xiàn)代控制理論的發(fā)展對(duì) 經(jīng)典理的精確化、數(shù)學(xué)化及理論化。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，對(duì)工業(yè)過(guò)程控

27、 制的要求越來(lái)越高，不僅要求控制的精確性，更注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容 錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力。另外，需要控制的工業(yè)過(guò)程日趨復(fù)雜， 工業(yè)過(guò)程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無(wú)法用數(shù)學(xué)模型精確描述。這樣 建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的古典和現(xiàn)代控制方法將面臨空前的挑戰(zhàn)，同時(shí)也給新控 制方法的發(fā)展帶來(lái)了良好的機(jī)遇。近幾年來(lái)，控制界非常熱心于“復(fù)雜系統(tǒng)”及 “智能控制”的提倡及研究，也發(fā)表了一些見(jiàn)解與成果。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)和智能控制的理解有很大差別。比較有代表性的說(shuō)法如下：復(fù)雜系統(tǒng)的特征可概括為以下三個(gè)方面：復(fù)雜對(duì)象(ComplexPlant)：難于用常規(guī)數(shù)學(xué)工具建模并研究

28、的對(duì)象. 如多機(jī)械組成的系統(tǒng)，大型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，自動(dòng)化工廠等。復(fù)雜任務(wù)(ComplexTask):鎮(zhèn)定問(wèn)題所不能包括的任務(wù)。復(fù)雜環(huán)境(ComplexEnvironment)：現(xiàn)有控制理論通常假設(shè)對(duì)象是孤立 的、自由的、但實(shí)際卻常是開(kāi)放的，受到外部環(huán)境制約。如自動(dòng)車在種種環(huán)境中 行駛與躲避，煤礦采掘面的多變工作環(huán)境，人對(duì)高度開(kāi)放系統(tǒng)的干預(yù)等，這時(shí)環(huán) 境對(duì)控制有巨大影響。具有以上特征的系統(tǒng)稱為復(fù)雜系統(tǒng)，或稱為3C系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)在對(duì)象、環(huán) 境及任務(wù)這三方面中至少有一個(gè)是復(fù)雜的。解決這類系統(tǒng)的控制問(wèn)題，必須跳出 建立在簡(jiǎn)化的理想數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的現(xiàn)代控制理論框架，真正面對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜 性，提出新的概念和模

29、型，探索新的方法和手段，這類3C系統(tǒng)的控制即構(gòu)成智 能控制。1.4本章小結(jié)本章著重介紹了本次論文研究對(duì)象的背景以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了過(guò) 程控制的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展前景以及控制理論的發(fā)展。同時(shí)說(shuō)明了本文的主要研究 內(nèi)容和目的。第二章水箱液位控制系統(tǒng)建模2.1水箱液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過(guò)程的物理模擬對(duì)象，它是集自動(dòng)化 儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。根 據(jù)自動(dòng)化及其它相關(guān)專業(yè)教學(xué)的特點(diǎn)，吸收了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處 后，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出了這一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置。該系 統(tǒng)包括流量、液位、壓力等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系

30、統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、 前饋一反饋控制、比值控制、解藕控制等多種控制形式。系統(tǒng)的水箱主體由蓄水 容器、檢測(cè)組件和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三大部分構(gòu)成。水箱1、2、3和儲(chǔ)水箱是用來(lái)蓄水的 容器;檢測(cè)液位可以采用壓力傳感器或者浮漂加滑動(dòng)變阻器兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)液位 高度數(shù)字量的采集，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)通 過(guò)不銹管道連接起來(lái)，儲(chǔ)水箱為三個(gè)水箱提供水源，通道閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，水可以被 分別送至三個(gè)水箱。三個(gè)水箱底部均有兩個(gè)出水管道，其中裝有于動(dòng)閥的管道是 控制系統(tǒng)的一部分，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度用來(lái)做漏水干擾的控制實(shí)驗(yàn);另外 一個(gè)直通管道則是在水箱液位達(dá)到最大值時(shí)經(jīng)由它流至儲(chǔ)水箱，以

31、防止水箱里的 水溢出水箱。2.2液位控制的實(shí)現(xiàn)除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)PID算法控制。首先由差壓傳感器檢 測(cè)出水箱水位；水位實(shí)際值通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后，被輸入 計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID 序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號(hào)控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速， 從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。2.3單容水箱建模32圖2-1單容水箱系統(tǒng)構(gòu)成單容水箱系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-1所示，不斷有水流入水箱內(nèi)，同時(shí)也有水不斷由 水箱中流出。水的流入量Q1由變

32、頻器控制泵來(lái)加以調(diào)節(jié)，流出量Q。由用戶根據(jù) 需要通過(guò)負(fù)載閥R來(lái)改變。被控量為水位它反映水的流入和流出量之間的平dHdt衡關(guān)系。顯然在任何時(shí)間水位的變化均滿足下述物料平衡方程:（2-1）其中q= Ku（2-2）Q0 = WH（2-3）其中A為水箱的橫截面積，Ku是取決于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)特性的系數(shù)，可以 假定它是常數(shù)；k是與負(fù)載閥門(mén)開(kāi)度有關(guān)的系數(shù)，在負(fù)載閥門(mén)開(kāi)度固定不變的情況下，k看作是一個(gè)常數(shù)。將式2-1表示成增量形式為d AHdtCd AHdt（2-4）AQi、AQo、AH分別為偏離某一平衡狀態(tài)Qio、Qoo、H0的增量，H為水箱截面積?？紤]到水位值在其穩(wěn)定值附近的小范圍內(nèi)變化，故由式2-2,

33、2-3可近似認(rèn)為式2-4可變?yōu)锳Qi = K AukAQ =AHo 2河d AH1dt FdAH+ah = dtAu如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起始點(diǎn)，H o = uo則可以去除式2-8中的增量號(hào)，變?yōu)殄腇 d AHTT+ H =K切k dtu k (2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)可以看出，此時(shí)式2-10是最常見(jiàn)的一階微分方程，將其變?yōu)閭鬟f函數(shù)為:（2-11）H(s) _ K U (s) Ts +1式2-11中K = % 2kHo.J，t = HF從傳遞函數(shù)可以看出，單水箱對(duì) 象為一階慣性環(huán)節(jié)。它為有自平衡性的對(duì)象，即當(dāng)原有的物料平衡被打破時(shí)隨著 被控量液位的變化

34、，其不平衡量會(huì)越來(lái)越小，最后能自動(dòng)地穩(wěn)定在新的平衡點(diǎn)上。 對(duì)于有自平衡的對(duì)象來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇包括積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器；而對(duì)于無(wú)自平衡性的對(duì) 象，則應(yīng)該選擇不包括積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。2.4雙容水箱建模雙容水箱數(shù)學(xué)模型圖2-2容水箱系統(tǒng)構(gòu)成雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-2所示，它是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，水首先進(jìn)入 水箱A，然后通過(guò)閥R1流入水箱B，再通過(guò)閥R2從水箱B中流出。水流入量Q1 由變頻器控制泵來(lái)加以調(diào)節(jié)，流出量Q。由用戶需要改變。被控量為水箱B的水 位史,根據(jù)圖2-6可以寫(xiě)出兩個(gè)水箱在任何時(shí)間的物料平衡方程：水箱A：（2-12）水箱B：（2-13）（2-14）dH 1才二 A，一 Q）2其中:Q1 = K

35、uA，A為水箱的截面積，R，R代表線性化水阻，Q，H和u等均以各個(gè)量1212的穩(wěn)態(tài)值為起始點(diǎn)，將式2-14代入式2-12和式2-13，合并整理后得:T 虬 + H = K Ru 1 dt 1 u 1 dHT2d + H2- rHj 0(2-15)(2-16)其中：T = AR， T = AR， r = R /R11 122 221從式2-15和式2-16兩式中消去氣得:d 2 HdHTT 2 + (T + T ) + H = rK Ru1 2 dt 12 dt 2 u 1(2-17)式2-17顯然是一個(gè)二階微分方程，這是被控對(duì)象兩個(gè)串聯(lián)水箱的反映。將上式變?yōu)閭鬟f函數(shù)形式為:H (s) _rK

36、RU (s) - TT s2 + (T+1 T )s + 1-2當(dāng)過(guò)程具有純時(shí)延，則傳遞函數(shù)為:H (s) _rK RU (s) 一 TT s2 + (T+1 T )s + 1 1 212Koe-1(Ts +1)(T + 1)1一(2-18)(2-19)式2-19中K0為總放大系數(shù)雙容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)通過(guò)機(jī)理建?？梢缘弥p容水箱的傳遞函數(shù)我們可以通過(guò)對(duì)單個(gè)水箱進(jìn)行特性測(cè)試的方法得到各個(gè)水箱的過(guò)程時(shí)間常數(shù)T1T及時(shí)延t2112，再由輸出穩(wěn)態(tài)值 （3）K =入，土。輸入階躍幅值 h0(2-20)求的K。，t即可。nT = Tii=1(2-21)第三章液位控制系統(tǒng)中的PID算法和控制3.1 P

37、ID控制器的應(yīng)用與發(fā)展在過(guò)去的幾十年里，PID控制器在工業(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，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)， 并且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生 并發(fā)展于1915 一 1940年期間。盡管自1940年以來(lái)，許多先進(jìn)控制方法不斷推 出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍 被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。PID控制器作 為最早實(shí)用化的控制器己有70多年歷史，它的算法簡(jiǎn)單易懂、使用中參數(shù)容易 整定，也正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，PID控制器現(xiàn)在仍然是應(yīng)用

38、最廣泛的工業(yè)控制器。PID的發(fā)展過(guò)程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究 過(guò)程。最早的PID參數(shù)工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的 簡(jiǎn)稱為z一N的整定公式，盡管時(shí)間已經(jīng)過(guò)去半個(gè)世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制 中普遍應(yīng)用。1953年Cohen和Coon繼承和發(fā)展了 Z 一 N公式，同時(shí)也提出了一 種考慮被控過(guò)程時(shí)滯大小的Cohen 一 Coon整定公式。自Ziegler和Niehols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)己經(jīng)被用于 PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。按照發(fā)展階段劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方 法及智能PID參數(shù)整定方法;按照被控對(duì)象個(gè)數(shù)來(lái)劃

39、分，可分為單變量PID參數(shù) 整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最 近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn);按控制量的組合形式來(lái)劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方 法及非線性PID參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，后者用于由非線性跟 蹤一微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。從目前PID參數(shù)整定方 法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)八、對(duì)于單入單出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)象或被控過(guò)程存在較大 干擾情況下的PID參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進(jìn)一步 增強(qiáng)，使用最少量的過(guò)程信息及較簡(jiǎn)單的操作就能較好地完成整定。

40、對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著禍合的多變量過(guò)程的多 變量PID參數(shù)整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所t需先驗(yàn) 信息量，使其易于在線整定。智能PID控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定 有機(jī)結(jié)合，使其具有自診斷功能;結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺(jué)推理邏輯等專家系統(tǒng) 思想和方法對(duì)原有PID控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn);將預(yù)測(cè)控制、模糊 控制和PID控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能。這些都是智能PID控制發(fā)展 的極有前途的方向。3.2 PID的內(nèi)容PID控制是一種負(fù)反饋控制pid控制器(比例-積分-微分控制器)，由 比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。

41、通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的 設(shè)定。PI d控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。P:比例調(diào)節(jié)控制器的輸出信號(hào)u與偏差信號(hào)e成正比例，即u=kce。比例控制作用是最 基本的，也是最只要的控制作用，它能比較迅速地克服干擾，適合干擾變化幅度 小，自衡能力強(qiáng)，對(duì)象滯后小，控制質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。I：積分調(diào)節(jié)控制器輸出信號(hào)的變化速度du/dt與偏差信號(hào)e成正比，即du/dt=S0e.PI:比例積分u=k e+S 小t edt 或 u=1/6 (e+1/T 小t edt)c 00i 06為比例度，可視情況取正或負(fù)值;Ti為積分時(shí)間。6和Ti是比例積分控 制器的兩個(gè)重要參數(shù)。在工業(yè)要求靜

42、態(tài)無(wú)余差，控制對(duì)象容量滯后小，負(fù)荷變化 幅度較大，但變化過(guò)程又較慢的場(chǎng)合，可采用比例積分作用控制規(guī)律的控制器。 一般來(lái)說(shuō)，積分時(shí)間較小，積分作用強(qiáng)，消除余差的能力強(qiáng)，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性也 相應(yīng)下降。D：微分調(diào)節(jié)具有微分控制規(guī)律的控制器，其輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正 比，即U=TDde/dt TD為微分時(shí)間，de/dt為偏差對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)PD:比例微分控制器U=1/6(e+TDde/dt)6為比例度，可視情況取正值或負(fù)值；TD為微分時(shí)間。 由于微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖仰制被調(diào)量的震蕩，因此它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的 作用。由于微分作用使系統(tǒng)具有超前控制功能，減小了動(dòng)態(tài)偏差，因此，它適用 于控制對(duì)

43、象的時(shí)間常數(shù)較大的場(chǎng)合，只要微分時(shí)間設(shè)定得當(dāng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、 穩(wěn)定性都會(huì)提高，過(guò)度過(guò)程時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的縮短PID：比例積分微分調(diào)節(jié)U=1/6 (e+1/T 4 edt +T de/dt) PID 控制器的傳遞函數(shù)為 G (s) i 0D=1/(1+1/Tis+TDS)。最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之 長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的 超前控制功能。3.3 PID控制組成控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。系統(tǒng)由模擬PID控制器 和被控對(duì)象組成圖3-1控制系統(tǒng)組成方框圖3.4調(diào)節(jié)器PID整定調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定1）選擇調(diào)節(jié)

44、器PID參數(shù)整定方法 建議選擇“衰減 曲線法”，即4： 1衰減曲線法。 此方法具體做法為：首先結(jié)合此時(shí)液位值給出 一合適的設(shè)定值SV值，其次將調(diào)節(jié)器TI=8,TD=0,比例度（百分?jǐn)?shù)形式）設(shè)置 為一合適值（比例度與比例系數(shù)成反比），最后將調(diào)節(jié)器手動(dòng)狀態(tài)切換為自動(dòng)狀 態(tài)，由大到小適當(dāng)改變比例度，直至出現(xiàn)輸出曲線4： 1衰減過(guò)程為止。 記錄 此時(shí)的比例度值，選擇控制規(guī)律，并根據(jù)附錄中給出的表格計(jì)算出各控制規(guī)律的 PID三個(gè)參數(shù)值。2）根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)定PID，在線調(diào)整PID參數(shù)，使得 液位測(cè)量值PV值穩(wěn)態(tài)于給定值。3）待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾： a.突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，

45、使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化。（推薦）b.適當(dāng)改變上小水箱出水閥F1-10開(kāi)度。（推薦）c.將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的 旁路F1-5 （同電磁閥）開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度，將電磁閥開(kāi)關(guān)打至“手動(dòng)”位置。以上 幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5%15%，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出 或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間 后，水箱液位穩(wěn)定全新的設(shè)定值（采用后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值）， 液位的響應(yīng)過(guò)程曲線將如圖3-2所示。圖3-2單容水箱的液位階躍響應(yīng)曲線第四章MALAB /Smilink仿真4.1 MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合

46、，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。 是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì) 的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研 究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決 方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的 編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB和Mathematical Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用 軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)

47、算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、 實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、 控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形 式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情 簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng) 大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以 直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己 以后調(diào)用，此外許多的MATLAB

48、愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶直接進(jìn)行 下載就可以用。優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)（1）高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫 出來(lái)。（2）具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化。（3）友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握。（4）功能豐富的應(yīng)用工具箱（如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等），為用戶提供 了大量方便實(shí)用的處理工具。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、MATLAB語(yǔ)言、MATLAB 圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口（API）五大部分構(gòu)成。開(kāi)發(fā)環(huán)境MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB

49、函數(shù)和文件工具集，其中許 多工具是圖形化用戶接口。它是一個(gè)集成的用戶工作空間，允許用戶輸入輸出 數(shù)據(jù)，并提供了 M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M 文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)包括了大量的計(jì)算算法。從基本算法如加法、正弦，到 復(fù)雜算法如矩陣求逆、快速傅里葉變換等。語(yǔ)言MATLAB語(yǔ)言是一種高級(jí)的基于矩陣/數(shù)組的語(yǔ)言，它有程序流控制、函數(shù)、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出和面向?qū)ο缶幊痰忍厣?。用這種語(yǔ)言能夠方便快捷建立起 簡(jiǎn)單運(yùn)行快的程序，也能建立復(fù)雜的程序。圖形處理系統(tǒng)圖形處理系統(tǒng)使得MATLAB能方便的圖形化顯示向量和

50、矩陣，而且能對(duì)圖形 添加標(biāo)注和打印。它包括強(qiáng)大的二維三維圖形函數(shù)、圖像處理和動(dòng)畫(huà)顯示等函數(shù)。應(yīng)用程序接口MATLAB應(yīng)用程序接口（API）是一個(gè)使MATLAB語(yǔ)言能與C、Fortran等其它 高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行交互的函數(shù)庫(kù)。該函數(shù)庫(kù)的函數(shù)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL） 實(shí)現(xiàn)與MATLAB文件的數(shù)據(jù)交換，其主要功能包括在MATLAB中調(diào)用C和Fortran 程序，以及在MATLAB與其它應(yīng)用程序間建立客戶、服務(wù)器關(guān)系。4.2 Simlink 簡(jiǎn)介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(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直 觀的鼠

51、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。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

52、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 提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)

53、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。4.3單容水箱MALTAB仿真用simulink構(gòu)建PID子系統(tǒng)Derivative圖4-0帶輸入輸出端口 PID子系統(tǒng)的simulink模型利用matlab的simulink工具箱建立仿真框圖如圖4-0所示構(gòu)建PID子系統(tǒng)。建立無(wú)干擾回路simulink模型。4-1無(wú)干擾單回路simulink模型具體整定步驟：將控制器（PID）的比例系數(shù)K置于1,按單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定。P將控制器參數(shù)置成純比例作用（T

54、Dr0，t廣g）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng),不斷調(diào)整比例系數(shù)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線， 當(dāng)KP=18.4時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4-2。4-2單回路MATLAB仿真階躍曲線如圖4-2所示超調(diào)量38.3%，調(diào)節(jié)時(shí)間19.1s。為測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性，加入干擾信號(hào)進(jìn)行仿真測(cè)試。4-3有干擾MATLAB單回路仿真圖4-4有干擾單回路MATLAB仿真階躍曲線如圖4-4所示 超調(diào)量25.1%，調(diào)節(jié)時(shí)間18.2。從圖4-3可知，系統(tǒng)能及時(shí)克服 的擾動(dòng)，及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。4.4雙容水箱的仿真控制器參數(shù)整定串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器串聯(lián)在一起，其中任意一個(gè)控制器的參數(shù)發(fā)生變化 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均有影響，因此串級(jí)控制系統(tǒng)

55、的參數(shù)整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜。 串級(jí)控制系統(tǒng)中主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)主變量有較高的控制精度要 求，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，只要 求副變量能快速準(zhǔn)確的跟隨主控器的輸出變化而變化。在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制 系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。由于逐步逼近法步驟非常繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中已經(jīng)很少使用，此外為 相對(duì)提高控制器參數(shù)的合理性，本設(shè)計(jì)采用應(yīng)用最為廣泛的兩步整定法整定PID 參數(shù)。雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副對(duì)象傳遞函數(shù)分別為：表4-1衰減曲線法經(jīng)驗(yàn)公式控制器類型比例度5積分時(shí)間匕微分時(shí)間TdP5sPI1.25s0

56、.5TsPID0.85s0.3Ts0.1Ts表4-2臨界比例度法經(jīng)驗(yàn)公式控制器類型比例度5積分時(shí)間匕微分時(shí)間TdP2 5KPI2.25 K0.85TKPID1.75 K0.5TK0.13TK主對(duì)象（下水箱）:G （s）副對(duì)象（上水箱）：25.45447.63 s + 12.4599.16 s + 1整定過(guò)程（1）利用matlab的simulink工具箱建立仿真框圖 構(gòu)建PID子系統(tǒng)（2）距公系數(shù)Derivative圖4-5帶輸入輸出端口 PID子系統(tǒng)的simulink模型建立水箱串級(jí)控制系統(tǒng)simulink模型圖4-6雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)simulink仿真框圖（2）整定副控制器具體整定步驟：

57、將主控制器（PID）的比例系數(shù)K尸置于1,按單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整 定副回路。將副控制器參數(shù)置成純比例作用（TDr0，tl）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng),不斷調(diào)整比例系數(shù)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線， 當(dāng)Kp =31.95時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下圖，相對(duì)符合要求且串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副 回路的精確性要求不高。根據(jù)衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式，副控制器的控制規(guī)律是P控制，故可直接取副回路K = 31.95（3）整定主控制器考慮到主控制器的控制精度要求高，此外，相對(duì)于4:1 的衰減曲線，等幅振蕩曲線更為直觀。主控制器整定采用臨界比例度法。具體步驟如下：將副控制器的比例度置于31.95,把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)。

58、將主控制器參數(shù)置成純比例作用（丁日氣e）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，不斷調(diào)整比例系數(shù)，觀察示波器上系統(tǒng) 響應(yīng)曲線，當(dāng)K = 44.9時(shí)，控制系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩曲線，T = 9.4此時(shí)如圖4-6：根據(jù)臨界比例度法經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算主控制器比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間。K = 44.9 T = 9.4PK本設(shè)計(jì)主控制器采用的是PID控制，查表4-3比例放大系數(shù)K = 44.9,1.7 = 26.412積分時(shí)間K = 9.42 = 4.7P微分時(shí)間T = 9.4 x 0.13 = 1.222I積分系數(shù)K =加=0.212766微分系數(shù)K = 1.222D4-8主回路階躍響應(yīng)曲線修正主、副控制器參數(shù) 將設(shè)

59、定值置于1，將副控制器的比例系數(shù)Kp置于31.95,主控制器Kp置于 26.412，積分系數(shù)K,置于4.7,微分系數(shù)匕置于1.222，對(duì)控制系統(tǒng)仿真，系 統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖4-7,由圖可知，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)效果不好，雖然最終穩(wěn)定， 但超調(diào)量偏大，回復(fù)時(shí)間偏長(zhǎng)。圖4-9未修正的控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線按照先副后主、先比例后積分最后微分的整定程序，調(diào)整控制器參數(shù)，經(jīng)過(guò) 不斷地調(diào)整，當(dāng)取控制器取如下參數(shù)時(shí)，所得曲線較為滿意。表4-3串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)控制器KPKIKD主220.2131.3副34還可以進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)組合以取得更好的的輸出響應(yīng)曲線，這是反復(fù)嘗試的 過(guò)程，考慮的此時(shí)的響應(yīng)曲線已經(jīng)足以滿足系統(tǒng)要求，且超調(diào)量較小，響應(yīng)時(shí)間 也很短，而且近似為4:1的衰減曲線，故本設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)就采用上表所列值。H Scopel1=1 回 定 I1.41.210.80.60.40.20051