液位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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：飛-4'超調(diào)量：。％^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)方案的論證并撰寫開題報(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PID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、整理資料撰寫畢業(yè)論文;（1）初稿；（第12、13周）（2）二稿；（第14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）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、06［2］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、6［3］盧京朝，自動(dòng)控制原理》，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009［4］涂植英，過(guò)程控制系統(tǒng)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983［5］胡壽松，《自動(dòng)控制原理》，科學(xué)2008，6出版社，2008，6［6］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，2004.4［7］王正林，《MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真》，電子工業(yè)出版社，2009.7［8］徐兵，《過(guò)程控制》，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.9［9］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），2000［10］薛毅，數(shù)學(xué)建?；A(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AbstractWiththedevelopmentofmodernscienceandtechnologyprogressofelectronicinformationera.Therapiddevelopmentofnationalindustry,liquidlevelcontrolsystemiswidelyappliedtopetroleum,chemicalandotherindustries.Liquidlevelcontrolsystembasedonliquidlevelcontrolparametersofcontrolsystem.Therearemanyplacesneedtocontrolthecontainermedium,tokeeptheaccuracyofthegivenvalue,liquidlevelcontrolusuallyreferstoacertainleveltocontrolandadjust,makeitreachtherequiredcontrolprecision,liquidlevelautomaticcontrolisanewtechnologyinrecentyears,itisaminiaturecomputersoftware,hardware,severaltechnologiessuchasautomaticcontroloftheproductofclosecooperation.Intheprocessofindustrialandagriculturalproduction,oftenneedtomeasureandcontrolofwaterlevel.Thepurposeofthispaperistodesignthedoubleletwatertankliquidlevelcascadecontrolsystem.Planthefirstanalysisofthemodelofthecontrolledobject,andUSEStheexperimentalmodelingmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Secondly,PIDcontrollerisdesigned,undertheenvironmentofMatlab/Simulinktoestablishdoubleletwatertankcontrolsimulationmodel,simulationresultsofPIDcontrolalgorithm,throughsimulationexperiment,provesthatthedesignmethodisfeasibilityandcorrectnessofthealgorithmiscorrect.Keywords:doubleletwatertank,theexperimentmethodofmodeling,PIDcontrol目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要III\o"CurrentDocument"AbstractIV\o"CurrentDocument"第一章緒論7\o"CurrentDocument"1.1課題提出背景7\o"CurrentDocument"1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀81.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀81.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀9\o"CurrentDocument"1.3控制理論的發(fā)展10\o"CurrentDocument"1.4本章小結(jié)11\o"CurrentDocument"第二章單容水箱液位控制系統(tǒng)建模13\o"CurrentDocument"2.1水箱液位控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介13\o"CurrentDocument"2.2液位控制的實(shí)現(xiàn)13\o"CurrentDocument"2.3單容水箱建模14\o"CurrentDocument"2.4雙容水箱建模162.4.1雙容水箱數(shù)學(xué)模型162.4.2雙容水箱系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)17\o"CurrentDocument"第三章液位控制系統(tǒng)中的PID算法和控制18\o"CurrentDocument"PID控制器的應(yīng)用與發(fā)展18\o"CurrentDocument"PID的內(nèi)容19\o"CurrentDocument"PID控制組成20\o"CurrentDocument"3.4調(diào)節(jié)器PID整定21\o"CurrentDocument"第四章MALAB/Smilink仿真22\o"CurrentDocument"4.1MATLAB簡(jiǎn)介224.1.1優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)224.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23\o"CurrentDocument"4.2Simlink簡(jiǎn)介244.3單容水箱仿真25\o"CurrentDocument"4.4雙容水箱仿真27\o"CurrentDocument"第五章全文總結(jié)36\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)37致謝38\o"CurrentDocument"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，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的具有典型對(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)，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)晶器液位控制。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！1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀德國(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。控制系統(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)。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)也有一些廠家研制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)有限公司研制開發(fā)，它的出現(xiàn)為各大專院校，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)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)展一一對(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?jī)?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，通道閥門開啟時(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，其中裝有手動(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)閥門開度用來(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單容水箱建模圖2-1單容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖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Q］由變頻器控制泵來(lái)加以調(diào)節(jié)，流出量Q0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H，它反映水的流入和流出量之間的平衡關(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）Q1-"學(xué)（2-1）其中Q1=Ku（2-2）（2-3）QQ1=Ku（2-3）其中A為水箱的橫截面積，％是取決于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；k是與負(fù)載閥門開度有關(guān)的系數(shù)，在負(fù)載閥門開度固定不變的情況下，k看作是一個(gè)常數(shù)。將式2-1表示成增量形式為件W件W零=C穿（2-4）△%、△覽、AH分別為偏離某一平衡狀態(tài)Q10、Q00、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2-2,2-3可近似認(rèn)為式2-4可變?yōu)锳q=KAukAQ式2-4可變?yōu)锳q=KAukAQ=AH02阿kKAu-—=AH%0dAH

dt+AH=如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起始點(diǎn)，即則可以去除式2-8中的增量號(hào)，變?yōu)閇迥F1dAHTT+H=[k\dt(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)_KU(s)~Ts+1（2-11）式2-11中K=K廣=平』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，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2.4.1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)閥虬從水箱B中流出。水流入量￡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）其中:（2-14）

A,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HKRu（2-15）idtiuiT2dH^+H2=H0（2-16）其中：TAR，TAR，羊R/R=111222丁21從式2-15和式2-16兩式中消去H得：TTd-H^（TT）dH2HrKRu（2T7）12dt12dt2u1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：空rKR(2-18)U(s)Tf產(chǎn)(T1T)s1=+++當(dāng)過(guò)程具有純時(shí)延，則傳遞函數(shù)為：如KR1es―K—es(2-19)U(s)TTs2(TT)s1(Ts1)(T1)1212T12丁式2-19中七為總放大系數(shù)+=++2.4.2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，再由(2-20)(2-21)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)〈，孔及時(shí)延丫_輸出穩(wěn)態(tài)值_門（8）K=^T-0輸入階躍幅值h，再由(2-20)(2-21)0T=^Tii=1求的K0，.即可。第三章液位控制系統(tǒng)中的PID算法和控制3.1PID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—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—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—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。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。3.2PID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。通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PId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=ke+S爭(zhēng)tedt或u=1/6(e+1/T爭(zhēng)tedt)

c00i06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/dtTd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+Tde/dt)6為比例度，可視情況取正值或負(fù)值；TD為微分時(shí)間。D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)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/Tj§t0edt++TDde/dt)PID控制器的傳遞函數(shù)為G(s)=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。3.3PID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)組成方框圖被控對(duì)象.微分3.4調(diào)節(jié)器PID整定圖3-1控制系統(tǒng)組成方框圖被控對(duì)象.微分調(diào)節(jié)器PID參數(shù)整定1）選擇調(diào)節(jié)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，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開度。（推薦）c.將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路F1-5（同電磁閥）開至適當(dāng)開度，將電磁閥開關(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)定至新的設(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4.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，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MathematicalMaple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)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)^FORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(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愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶直接進(jìn)行下載就可以用。4.1.1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。4.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(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。開發(fā)環(huán)境MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB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。4.2Simlink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。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)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)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（TD0,T…）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4-24-2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4.4.1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)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)間氣微分時(shí)間TdP5PI1.250.5TPID0.850.3T0.1T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T微分時(shí)間TdP25KPI2.25K0.85TKPID1.75K0.5TK0.13TKG（s）G（s）=主對(duì)象（下水箱）：15.45447.63s+1G（s）副對(duì)象（上水箱）：22.4599.16s+1整定過(guò)程（1）利用matlab的simulink工具箱建立仿真框圖①構(gòu)建PID子系統(tǒng)（2）圖4-5帶輸入輸出端口PID子系統(tǒng)的simulink模型②建立水箱串級(jí)控制系統(tǒng)（2）圖4-5帶輸入輸出端口PID子系統(tǒng)的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：將主控制器（PID）的比例系數(shù)K置于1,按單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定副回路。將副控制器參數(shù)置成純比例作用（TD0,T=8）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)K=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圖4-7副回路階躍響應(yīng)曲線（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)。將主控制器參數(shù)置成純比例作用（Td=。,t=8）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：PK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=44.9T=9.4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=9.4《2=4.7P微分時(shí)間T=9.4x0.13=1.222I積分系數(shù)K=%7=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)①將設(shè)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)%置于4.7,微分系數(shù)R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KKK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。QScopel"回I■J學(xué)囹|舊用免|的圈留|B■訴TOC\o"1-5"\h\z1.2；；；；；；；；；-I'J1"''■'.''''''■'■\\1-：./:^>^^t7777777,,,T,；二:；；11I■■■■■■■■葉:::;::::II'■■■■■■■■HH"1一.I:::::::::i■■■■■■■■■0.4?????.::::::::-I]:::::::;:}..i1:::::::::I>>>>>>>■>■■■■■■■■g__2IIIIiiIII05101520253035404550Timeoffset: