基于matlab和simulink的可視化水箱系統(tǒng)控制8.0

-目錄TOC\o"1-2"\h\z\u插圖清單 -26-第1章控制系統(tǒng)仿真描述1.1?系統(tǒng)控制仿真控制系統(tǒng)仿真是涉及到自動(dòng)控制原理、過程控制理論與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的綜合性學(xué)科，它是以計(jì)算機(jī)為工具，以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，實(shí)際的控制系統(tǒng)用簡單的數(shù)學(xué)模型來代替，對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究的一種常用方法。系統(tǒng)控制仿真有以下幾個(gè)步驟：（1）建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)的輸入變量、輸出變量還有內(nèi)部變量三者關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式被稱為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。試驗(yàn)法和解析法是建立可視化水箱系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型常用的方法，結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式、信號(hào)流程圖、微分方程、傳遞函數(shù)、都是常見的數(shù)學(xué)模型。（2）建立控制系統(tǒng)的仿真模型?依據(jù)可視化水箱系統(tǒng)控制的數(shù)學(xué)模型把它變成可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的模型。（3）進(jìn)行系統(tǒng)仿真并分析仿真結(jié)果?實(shí)驗(yàn)時(shí)Simulink集成環(huán)境是仿真工具，搭建可視化水的MATLAB仿真。通過對(duì)水箱系統(tǒng)控制仿真的不斷實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真模型還有實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，輸出仿真結(jié)果并分析。1.2?控制系統(tǒng)中MATLAB計(jì)算與仿真?MATLAB的意思是矩陣實(shí)驗(yàn)室（矩陣工廠），多應(yīng)用在數(shù)據(jù)分析，信號(hào)處理，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。它有以下幾個(gè)主要的特點(diǎn)：第一，語言簡潔明了，使用方便靈活。MATLAB的庫函數(shù)非常豐富，不僅僅有常用的基本庫函數(shù)，還有功能豐富多樣的專用庫函數(shù)；第二，功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣泛。MATLAB除了有超強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算能力以外，它還具有獨(dú)特的專業(yè)水平符號(hào)計(jì)算；第三，圖形功能強(qiáng)大。MATLAB具有很多種圖形函數(shù)，可以繪制出各種各樣的仿真效果圖。MATLAB具有較強(qiáng)的圖形界面編輯的能力，MATLAB數(shù)據(jù)還可以可視化；第四，有好的圖形界面，用戶使用方便。有較好的用戶界面以及幫助系統(tǒng)是MATLAB的特色之一；第五，工具箱功能強(qiáng)大。MATLAB包含兩個(gè)部分，核心部分和各種可選的工具箱。工具包又分為功能性工具包和學(xué)科性工具包。主要用來擴(kuò)充MATLAB的文字處理、符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真等功能的是功能性工具包；專業(yè)性較強(qiáng)的工具包是控制工具包、信號(hào)處理工具包、MATLAB的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿通信工具包、針對(duì)過程控制系統(tǒng)的非線性等等都屬于學(xué)科性工具包。Simulink是MATLAB最重要的模塊之一，它具有適應(yīng)面廣、流程和結(jié)構(gòu)清晰、仿真精確等優(yōu)點(diǎn)。它為可視化水箱控制系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真以及綜合分析的集成環(huán)境，基于以上的特點(diǎn)，在控制理論以及模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理等復(fù)雜仿真設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

第2章過程控制簡介2.1過程控制定義在工業(yè)中以壓力、液位、溫度、壓力、成分等一系列的工藝有關(guān)的參數(shù)為被控制變量的自動(dòng)控制過程稱過程控制。過程控制也稱實(shí)時(shí)控制，是按照實(shí)時(shí)采集的信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。過程控制是對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析的一個(gè)步驟，它屬于自動(dòng)控制原理學(xué)科的一個(gè)重要部分。過程控制體現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化，在很多工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)按一定的程序或者連續(xù)的進(jìn)行生產(chǎn)控制。2.2過程控制目的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)生產(chǎn)所需要的物料原材料或者條件等都需要有數(shù)量和數(shù)值上的要求，這些要求會(huì)決定產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)量等。對(duì)于不同的生產(chǎn)方式，由于各個(gè)生產(chǎn)過程不同需要對(duì)不同的量進(jìn)行把控，且在一些特殊工藝要求上，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境也需要嚴(yán)格的要求，甚至對(duì)于工業(yè)排放，其對(duì)環(huán)境十分有害，也要進(jìn)行排放的一些處理和控制。面對(duì)不同的控制過程，要求過程控制要靈活多變易于掌控。在工業(yè)生產(chǎn)中過程控制一般需要做到以下幾個(gè)方面的要求：首先是對(duì)生產(chǎn)過程的安全和平穩(wěn)進(jìn)行把控，接著要使控制過程盡可能的滿足計(jì)劃的質(zhì)量和數(shù)量，再接著要秉持節(jié)能節(jié)源的理念進(jìn)行生產(chǎn)控制，最后應(yīng)該要與環(huán)境友好發(fā)展，控制其對(duì)環(huán)境的危害。因此作為現(xiàn)代化工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制是降低消耗和成本。2.3過程控制特點(diǎn)本章先確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),將其劃分為功能模塊并說明對(duì)應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)的功能,再闡述基本的技術(shù)原理。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，一般需要保持一些參數(shù)不變或者按一定規(guī)律變化，這些參數(shù)除了外界條件的一些影響之外還會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)過程中的一些步驟而造成它們之間或產(chǎn)生影響，在這樣復(fù)雜的條件下，我們可以總結(jié)過程控制的一些特點(diǎn)：被控對(duì)象的種類很多，具有多樣性；被控對(duì)象由于控制系統(tǒng)需要響應(yīng)時(shí)間可能存在滯后控制對(duì)象的特性為非線性4、控制系統(tǒng)會(huì)因?yàn)榭刂频膮?shù)或者條件而變得復(fù)雜由對(duì)于控制系統(tǒng)來說，由于控制對(duì)象的非線性特征，而且其輸入輸出在很多情況下也十分復(fù)雜，所以當(dāng)控制系統(tǒng)去根據(jù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)候也各不相同，且要很具控制的對(duì)象進(jìn)行方案的確定。比如一些參數(shù)的計(jì)算和設(shè)定，或者控制系統(tǒng)的控制方法都需要根據(jù)推理計(jì)算，而且多方法同時(shí)進(jìn)行的過程控制。2.4過程控制發(fā)展與趨勢(shì)過程控制的發(fā)展離不開控制理論的發(fā)展。過程控制技術(shù)的發(fā)展大致分為五個(gè)階段：一是人工控制階段，二是模擬儀表控制系統(tǒng)，三是計(jì)算機(jī)集中監(jiān)督控制系統(tǒng)，四是分散控制系統(tǒng)，五是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。過程控制由自動(dòng)化技術(shù)也由模擬儀表向智能化儀表發(fā)展，分離設(shè)備到共享設(shè)備發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展?？刂评碚撈鹪从谏鐣?huì)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐，與其他很多學(xué)科一樣，從古至今都在不停的發(fā)展。這體現(xiàn)了人類的智慧，和解決問題的思考能力。這個(gè)由上世紀(jì)40年代形成的理論，在90年代就發(fā)展的十分超前，它影響著社會(huì)生活的每一個(gè)地方，對(duì)社會(huì)的發(fā)展有著重要意義。

第3章水箱液位控制系統(tǒng)原理3.1人工控制和自動(dòng)控制的比較如圖3-1為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖，在人工控制示意圖中，為了讓水箱的液位不變，我們需要時(shí)刻觀察水箱液位的高度變化然后控制不同液位水箱的凈水量。首先，眼睛觀察水箱液位的高低再送給大腦；其次，大腦將眼睛看到的液體水位高度與的進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)的偏差大小和方向，然后發(fā)出控制命令；最后，大腦控制手去改變進(jìn)水閥的大小，使水箱液位保持在指定的高度上。在整個(gè)過程中，眼、腦、手分別起了檢測(cè)、判斷和執(zhí)行的作用，三個(gè)協(xié)調(diào)合作完成測(cè)量、求偏差、糾正偏差的工作過程，最終保持水箱液位的恒定。人工控制自動(dòng)控制圖3-1水箱液位控制系統(tǒng)示意圖如果采用檢測(cè)儀表裝置和自動(dòng)控制裝置，在水箱液位控制系統(tǒng)自動(dòng)控制示意圖3-1中，當(dāng)系統(tǒng)受到了擾動(dòng)的作用后，液位發(fā)生了變化，檢測(cè)儀表測(cè)得液位的高低，即測(cè)量值；液位測(cè)量變送器送來的信號(hào)發(fā)送給控制器，將與設(shè)定值相比較得出偏差信號(hào)，再按其運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并且輸出控制信號(hào)；控制閥接收到控制器的控制信號(hào)，再根據(jù)其大小改變閥門的開度，將對(duì)水箱的給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使被控變量即水箱液位回到設(shè)定值，盡可能的減小系統(tǒng)擾動(dòng)所帶來的影響，使得水箱液位最終達(dá)到恒定。3.2水箱液位控制系統(tǒng)原理框圖本論文對(duì)可視化水箱系統(tǒng)液位控制的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡單的控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)是指由一個(gè)控制器、一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元、一個(gè)執(zhí)行器組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)，它們由被控對(duì)象、檢測(cè)裝置、控制器和執(zhí)行器組成。盡管控制系統(tǒng)的被控對(duì)象、具體的裝置和變量不同，但全部可以用一樣的流程框圖去表示，如圖3-2所示：圖3-2簡單控制系統(tǒng)常用的框圖由圖3-2這個(gè)簡單控制系統(tǒng)常用框圖做出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖，如圖3-3所示：圖3-3水箱液位控制系統(tǒng)原理框圖3.3水箱液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在輸入單位階躍信號(hào)的作用下，系統(tǒng)本來的平衡狀態(tài)被破壞，但是又在外部信號(hào)作用下從非震蕩穩(wěn)定狀態(tài)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)，控制過程如下：（1）確定輸入輸出變量如下圖3-4水箱液位過程圖及其階躍響應(yīng)曲線所示，流入水箱的流量F1是由進(jìn)料閥1決定的；流出水箱的流量F2取決于水箱液位L和出料閥2的開度。值得注意的是，液位L是被控變量，進(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進(jìn)料流量F1是過程的控制輸入，F(xiàn)112LF圖3-4水箱液位過程圖及其階躍響應(yīng)曲線（2）據(jù)過程內(nèi)在機(jī)理，列寫原始方程當(dāng)過程處于原來的平衡狀態(tài)時(shí)，水箱的液位恒定不變，其靜態(tài)方程為：F10-F20=0（3-1），F(xiàn)10是開始穩(wěn)定狀態(tài)下水鄉(xiāng)的進(jìn)料流量，F(xiàn)20是原來穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的出料流量。當(dāng)水箱的進(jìn)料流量F1突然增大，那么水箱就不會(huì)保持原來的平衡狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)料量F1F1-F2=dvdt(3-2)，F(xiàn)1=F10+?F1,F2=F20+?F2，?F1、?F2分別為F1和FdVdt=SdLdt將F1=F10+?F1,F1=F10+?FF10+?F1-F20-將式（3-4）減去式（3-1）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為：?F1-?F2=（3）消去中間變量，求微分方程式對(duì)于系統(tǒng)中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量又不是輸出變量的工藝變量，如式（3-6）中F2就是中間變量。F2與輸出變量LF2=kLk當(dāng)液位和流量均在一定的誤差范圍內(nèi)變化時(shí)，就可看作出料流量與液位變化呈線性關(guān)系。將式（3-6）改寫成增量形式，則可得：?F2=k2L0?L，設(shè)?F2=?LR將式（3-7）代入式（3-5）中，即得RSd?l式（3-8）即為水箱液位過程的數(shù)學(xué)模型。由3-8可見，這是一階微分方程，因此液位過程是一階過程。將此公式寫成一階過程的微分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式：RCd?Td?R=液位變化量/出料流量變化量；C為容量系數(shù)，C=儲(chǔ)存物料變化量/液位變化量；K為一階過程的放大系數(shù)，是具有放大功能的量綱；T為一階過程的時(shí)間常數(shù)，且T=RC，具有時(shí)間量綱；x(t)是一階過程的輸入變量；y(t)為一階過程的輸出變量；R為阻力系數(shù),。在控制過程中，進(jìn)料閥開度發(fā)生變化，會(huì)使得進(jìn)料流量發(fā)生變化，那么液體就需要經(jīng)過傳輸時(shí)間τ0才會(huì)流入水箱內(nèi)，就會(huì)滯后，水箱的液位發(fā)生變化最終系統(tǒng)檢測(cè)出來。顯然液體經(jīng)過這段距離所需要的時(shí)間τ0完全是由輸送滯后造成的，純滯后一Td?ydt+可視化水箱液位控制系統(tǒng)與純滯后的一階過程的特性與放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ0有3.4水箱液位控制系統(tǒng)的組成本次設(shè)計(jì)研究是使用的最常用的、結(jié)構(gòu)最簡單的一種控制系統(tǒng)。由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)控制器、一個(gè)檢測(cè)變送模塊、一個(gè)執(zhí)行器組成的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)是簡單控制系統(tǒng)。3.4.1被控制變量選擇被控制的變量選擇對(duì)于控制系統(tǒng)十分重要，在本次設(shè)計(jì)中液位為被控變量，正確選擇被控變量系統(tǒng)會(huì)達(dá)到很好的控制效果。3.4.2執(zhí)行器選擇控制器的正確使用決定著控制系統(tǒng)性能的好壞。執(zhí)行器接收控制信號(hào)之后，開始執(zhí)行各種調(diào)節(jié)動(dòng)作，讓控制變量達(dá)到設(shè)定值。不同于其他組成模塊，控制閥一般是在條件非常惡劣的工作現(xiàn)場(chǎng)，比如高溫環(huán)境，腐蝕環(huán)境，高壓環(huán)境，甚至易燃的環(huán)境等；這些經(jīng)常使的控制閥出現(xiàn)失控，導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。3.4.3液位變送器選擇液位變送器指的是工業(yè)生產(chǎn)過程中的測(cè)量變送環(huán)節(jié)，將生產(chǎn)過程中被控變量的情況實(shí)時(shí)反應(yīng)出來，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控的作用。用于液位控制系統(tǒng)中的變送器，有以下幾個(gè)選擇：浮球式變送器，靜壓力變送器，浮筒式變送器，超聲波變送器等。3.4.4PID控制器選擇控制器是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量變送的裝置，它根據(jù)測(cè)量信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后根據(jù)設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比，最后產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，由執(zhí)行器去執(zhí)行。在系統(tǒng)中它相當(dāng)于大腦，是核心部件。常見的三種PID控制有以下三種：軟件型控制器，硬件型PID控溫器，內(nèi)置變頻器的PID控制器。三種不同控制器的比較，如表3-1所示：類型分類條件基本結(jié)構(gòu)控制算法和參數(shù)設(shè)定優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場(chǎng)合PID控溫器硬件型，數(shù)字型控制器具有數(shù)字PID控制方式，位空方式，以及模糊控制方式，部分具有自整定功能輸入輸出類型可通過設(shè)置參數(shù)來改變操作簡單、功能強(qiáng)大、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好PID調(diào)節(jié)過于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能不好，線路復(fù)雜適用于選擇變頻器性能不是很高的場(chǎng)合軟件型PID軟件性使用PLC指令編程編寫PID算法程序使用離散形式的PID控制算法在調(diào)節(jié)結(jié)束后十分穩(wěn)定，信號(hào)干擾小，調(diào)試簡單，線路簡單，可靠性高控制性能好需要編程，工作量多，需增加硬件成本高程序設(shè)計(jì)十分熟練的場(chǎng)合變頻器內(nèi)置PID軟件型，變頻器內(nèi)置使用變頻器內(nèi)置PID控制功能設(shè)定值可以是外部信號(hào)，也可以是面板設(shè)定值控制性能好，設(shè)置的參數(shù)少，成本低，線路簡單，抗干擾性最好。響應(yīng)較慢，易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象多種參數(shù)設(shè)定需求的場(chǎng)合表3-1不同控制器的比較

第4章PID控制簡介及其整定方法4.1系統(tǒng)主程序流程圖的設(shè)計(jì)4.1.1PID控制系統(tǒng)原理圖現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)是依賴于反饋而建立的，反饋的三要素是先測(cè)量，再比較，最后執(zhí)行。測(cè)量針對(duì)的是變量，比較是根據(jù)測(cè)量量于期望值進(jìn)行對(duì)比，執(zhí)行是根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行一系列操作，進(jìn)而完成控制。在自動(dòng)控制過程中依據(jù)反饋理論對(duì)系統(tǒng)做出正確的檢測(cè)然后比較最后完成系統(tǒng)的糾正調(diào)節(jié)。PID控制即比例積分微分控制，在工業(yè)生產(chǎn)的控制過程中，幾乎所有的控制回路都有PID的結(jié)構(gòu)，而且在更高級(jí)的控制系統(tǒng)中也是PID控制為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。如圖4-1所示為PID控制系統(tǒng)的原理圖，是由PID控制器和控制對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)簡單的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。圖4-1單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)PID控制器是一種線性的控制器,它會(huì)根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成偏差。4.1.2PID控制算法如圖4-2所示為典型的PID模擬控制的系統(tǒng)圖，圖中sp(t)是給定值以及輸入量，c(t)為系統(tǒng)輸出量，pv(t)為反饋量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系可用關(guān)系式表達(dá)為：M(t)=KC(e即輸出量=輸出初始值+比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)，KC是PID回路增益，T1和TD分別是積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。式4.1中等號(hào)右邊前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們與誤差還有誤差的積分以及微分呈正比關(guān)系。若想要獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，則可以選用PI控制方式控制，但是如果對(duì)象的慣性滯后比較大的話，最好選圖4-2模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)為了方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算式，必須把微分方程式（4.1）改寫成差分，作如下近似：

0tedt≈j=0nTe(j)dedt≈e(n)-e(n-1)T其中T為控制周期，n為控制周期序號(hào)（n=0，1，2…），e(n-1)和e(n)分別為第(n-1)和第n控制周期所得的偏差。將式（4.2）和（4.3）代入式中可得差分方程M(n其中M(n)為第n時(shí)刻的控制量，如果控制周期T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)TD是較小的4.1.3PID控制的特點(diǎn)?PID作為這樣簡單的控制器，也能很好的用于工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活，而且經(jīng)過證實(shí)，它具有很高的性價(jià)比且在市場(chǎng)競(jìng)爭中占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)地位，這說明PID具有很多優(yōu)點(diǎn)，我概括為兩個(gè)層面：第一個(gè)層面是結(jié)構(gòu)原理上簡潔明了，能很好的實(shí)現(xiàn)功能，滿足很多的基本控制系統(tǒng)；第二個(gè)層面是控制器在面對(duì)不同類型的對(duì)象，它能很好的運(yùn)用結(jié)構(gòu)完成算法，在適應(yīng)性很好。但是因?yàn)槠毡檫m應(yīng)各種控制系統(tǒng)，那么就會(huì)在控制效果上大打折扣。其局限性主要包括以下幾個(gè)地方：因?yàn)樗惴ê徒Y(jié)構(gòu)簡單，所以大部分時(shí)候只能適應(yīng)小的控制系統(tǒng)，在控制復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)需要多個(gè)PID控制器同時(shí)進(jìn)行，或者配合其他控制器進(jìn)行完成系統(tǒng)控制。PID控制只能在閉環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。PID控制器不能滿足用單一控制器完成多種控制的要求。4.2PID?調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程?PID控制方式，在對(duì)不同控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)是需要設(shè)置不同的PID參數(shù)，目前在水箱液位控制的系統(tǒng)中主要采用這種控制方式。4.2.1?比例控制調(diào)節(jié)過程?有差調(diào)節(jié)是比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)之一，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下水箱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值相等無誤，它們之間一定存在一定的誤差。比例增益大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差較小，但是超調(diào)量會(huì)增大或者系統(tǒng)會(huì)不穩(wěn)定，而KC過小又會(huì)使得響應(yīng)速度越來越慢，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度降低，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。系統(tǒng)過程控制中調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系常用增益的倒數(shù)表示M=1δe（4.8δ稱為比例帶，在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例，比例系數(shù)為KC，又可以稱之為比例增益。比例帶越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，仿真時(shí)最好盡量減小比例帶，因?yàn)闇p小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，很大可能會(huì)4.2.2?比例積分調(diào)節(jié)?積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)，為了使得輸出保持不變，則要求偏差e為零，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。PI調(diào)節(jié)是總結(jié)P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，首先積分調(diào)節(jié)可以消除控制系統(tǒng)的余差，同時(shí)比例調(diào)節(jié)可以快速消除系統(tǒng)的干擾。PI調(diào)節(jié)引入積分環(huán)節(jié)在消除系統(tǒng)殘差的同時(shí)，還使得原來系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。在使得比例帶δ不變的情況下，減小系統(tǒng)的積分時(shí)間，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)降低，加劇了系統(tǒng)的振蕩頻率，調(diào)節(jié)過程加快。PI調(diào)節(jié)是在稍微忽略控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能情況下，進(jìn)而取得較好的穩(wěn)態(tài)性能。4.2.3?比例積分微分調(diào)節(jié)微分作用是為了達(dá)到提前控制的作用，減小系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。前兩節(jié)的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)的。但是不管被控對(duì)象的流入量和流出量之間有多大的不平衡，此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)都受這個(gè)不平衡的制約。?4.2.4PID參數(shù)整定衰減曲線法。其跟臨界比例度法相類似，由理論知，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器大多數(shù)僅有比例作用，給定值做階躍擾動(dòng)處理，記錄此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。（2）穩(wěn)定邊界法。其要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，就是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中控制器僅僅只用比例作用，給不變值做單位階躍擾動(dòng)信號(hào)，比例帶從較大逐漸減小，一直到被控對(duì)象趨近于臨界振蕩為止，記錄臨界比例帶還有振蕩周期。（3）Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式。該方法先根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)算出系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，再由控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)、純遲延時(shí)間和放大系數(shù)，按照其經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)。

第5章雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1雙容水箱結(jié)構(gòu)雙容水箱的液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，其中有兩個(gè)水泵分別通過兩個(gè)支路向上面的水箱注水，第一支路增加一個(gè)調(diào)節(jié)閥，保持下水箱液位恒定；第二支路設(shè)置變頻器，通過變頻器對(duì)下水箱液位起到干擾作用。圖5-1雙容水箱結(jié)構(gòu)圖已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：Gp1(s)=?H1(s)Gp2(s)=?H2(s)在設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)時(shí)有以下三個(gè)基本要求：首先畫出可視化水箱系統(tǒng)液位簡單的方框圖，水箱系統(tǒng)分別在有干擾、無干擾作用下進(jìn)行仿真。要求系統(tǒng)框圖簡潔明了，且系統(tǒng)要能體現(xiàn)在有干擾和無干擾兩種作用下的過程仿真；二是要求設(shè)計(jì)單回路控制，畫出控制系統(tǒng)方框圖，在控制系統(tǒng)有無干擾情況仿真，其中PID參數(shù)的整定要求寫出整定的依據(jù)；三是對(duì)施加干擾作用的液位控制系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)控制，在原來的基礎(chǔ)上畫出水箱控制系統(tǒng)的方框圖，對(duì)水箱控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比得出結(jié)論。5.2MATLAB設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析?機(jī)理法和測(cè)試法是控制系統(tǒng)建模常用的兩種基本方法。本設(shè)計(jì)建模時(shí)我們已知雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，且主要的生產(chǎn)過程也被大量掌握，所以采用機(jī)理法。測(cè)試法是在工業(yè)過程中對(duì)輸入輸出進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。串級(jí)控制雙容液位過程如圖5-2所示：圖5-2串級(jí)控制的雙容液位過程由圖5-2兩個(gè)水箱的流出閥都是人工手動(dòng)閥門，系統(tǒng)流量Q1僅僅與容器1的液位h1相關(guān)，流量Q1與容器2的液位h2沒有關(guān)系，跟其他物理量也無關(guān)；容器2的液位也不會(huì)受容器1的液位所影響h由此可見，雖然容器2水箱的液位變化不會(huì)影響容器1的液位變化，但容器1的液位變化會(huì)影響容器2水箱的液位變化。水箱液位變化的過程傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)再彼此相乘，但是過程增益是兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍水箱系統(tǒng)控制傳遞函數(shù)是一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)，等同于兩個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的一階平衡系統(tǒng)的串聯(lián)。系統(tǒng)反應(yīng)的快慢取決于系統(tǒng)中的時(shí)間常數(shù)大小，時(shí)間常數(shù)越大，容器面積較大，則反應(yīng)較慢，時(shí)間常數(shù)越小則系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快。該過程是兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，那么它們的過程等效時(shí)間常數(shù)T正常情況下會(huì)大于T1和T2，故總體反應(yīng)相比較于單一的一階環(huán)節(jié)會(huì)慢許多。所以通常可以用純滯后環(huán)節(jié)加一階慣性環(huán)節(jié)等同于無相互影響在該液位控制系統(tǒng)中，水流量Q是系統(tǒng)的控制量，PID作為系統(tǒng)的控制器，上、下水箱液位是被控制器控制的被控量，控制閥是最后的執(zhí)行器，相當(dāng)于人工控制的手。上水箱傳遞函數(shù)Gp1(s)=?H1(s)在單位階躍的條件下啟動(dòng)大概10s后，施加白噪聲使得水箱液位穩(wěn)定，白噪聲均值為0、方差為0.01，這是添加的干擾信號(hào)。習(xí)慣性的調(diào)整PID參數(shù)，想要得到比較好的效果最好采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣的話不僅液位比較穩(wěn)定還有較好的抗干擾能力。當(dāng)設(shè)計(jì)可視化水箱時(shí)，采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，一旦上水箱被外界環(huán)境干擾時(shí)，干擾會(huì)經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，但經(jīng)過控制通路會(huì)發(fā)生很大的延遲，進(jìn)而控制器響應(yīng)滯后，控制效果就不會(huì)如同理論上預(yù)期的一樣。實(shí)驗(yàn)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送給PID控制，PID可以把實(shí)際水位與系統(tǒng)開始的設(shè)定參數(shù)值相比較，最后系統(tǒng)輸出信號(hào)作用于控制閥，達(dá)到改變控制系統(tǒng)流量進(jìn)而調(diào)節(jié)水箱水位。在實(shí)際工業(yè)控制工程中，干擾一旦出現(xiàn)，PID參數(shù)無論如何調(diào)整，都不會(huì)達(dá)到最初設(shè)計(jì)的效果。但是串級(jí)控制有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以提前預(yù)見某些對(duì)系統(tǒng)來說主要的干擾，提前對(duì)水箱施加控制的信號(hào)，再對(duì)其介入單位負(fù)反饋系統(tǒng)，檢測(cè)上水箱的液位，將液位信號(hào)送至副控制器，然后直接執(zhí)行于控制閥。5.3雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先，第一步進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下圖5-3所示：圖5-3?單回路閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖在沒有外界因素環(huán)境干擾的情況下，首先把主控制器的比例積分微分參數(shù)設(shè)置好，進(jìn)行一定的調(diào)試，然后再單獨(dú)一個(gè)個(gè)更改積分、比例、微分的參數(shù)，仔細(xì)地觀察每一個(gè)參數(shù)發(fā)生的細(xì)致變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，記錄好詳細(xì)數(shù)據(jù)。再然后再系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下再加入干擾信號(hào)，觀察系統(tǒng)在干擾和沒有干擾情況下水箱系統(tǒng)穩(wěn)定性如何變化。5.4MATLAB設(shè)計(jì)內(nèi)容5.4.1主副回路的設(shè)計(jì)在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制，它的設(shè)計(jì)跟單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有些類似，設(shè)計(jì)可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則去實(shí)施；副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，通過對(duì)主、副回路的調(diào)節(jié)，二次擾動(dòng)對(duì)主被控量的影響很小，在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)和更多的擾動(dòng)包括在副回路中。副被控過程的滯后最好不要太大，這樣就能保持副回路的相應(yīng)特性。5.4.2主副回路匹配主副回路的匹配有三大方面。第一是主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配。副回路中擾動(dòng)越多，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路就沒有了明顯的控制作用，其快速控制的效率會(huì)降低。但是所有的擾動(dòng)放在副回路中，又會(huì)導(dǎo)致主調(diào)節(jié)器就沒有了控制作用。理論上，最好主、副回路的擾動(dòng)數(shù)量和時(shí)間常數(shù)的比在3-10之間。比值較低的話，副回路的控制作用缺少一定的快速性，被控量不能被及時(shí)地更改，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象。如果擾動(dòng)數(shù)量和時(shí)間常數(shù)的比值過高，副回路的時(shí)間常數(shù)較小，擾動(dòng)數(shù)量過少，不能快速改善系統(tǒng)控制性能；第二是主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的選擇。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律，主回路一般要求無差；副回路要起控制的快速性，允許存在余差，一般情況取P控制規(guī)律；第三是主副調(diào)節(jié)器正反作用方法確定。負(fù)反饋是一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必備的條件。主、副調(diào)節(jié)器方式的原則是要保證兩個(gè)回路都是單位負(fù)反饋，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路。5.5.4單回路PID控制的設(shè)計(jì)無干擾單回路MATLAB仿真框圖如圖5-4所示：圖5-4無干擾單回路MATLAB仿真框圖對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)的的衰減比近似于10：1。將MATLAB中積分設(shè)置為零，微分時(shí)間常數(shù)TD也是零，積分時(shí)間Ti調(diào)到極限值，MATLAB中比例系數(shù)是較小值；當(dāng)控制系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定之后，開始發(fā)生階躍響應(yīng)，當(dāng)它的衰減比為十比一時(shí)，階躍響應(yīng)如圖系統(tǒng)參數(shù)：TD=0,K1圖5-5單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖由圖5-5可得，此時(shí)的衰減比近似于10：1，周期Ts=14s，K=9.8，根據(jù)衰減曲線法計(jì)算公式，則PID參數(shù)：K1=9.8*5/4=12；MATLAB中I=1Ti=0.06，計(jì)算可得Ti=1.2，Ts系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，TD=圖5-6單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖由圖5-6可以得出，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能得到了很大的改善。再分別改變P、I、D參數(shù)，即控制變量法，觀察系統(tǒng)單一參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，研究每一個(gè)調(diào)節(jié)器單獨(dú)作用對(duì)系統(tǒng)的影響。1．改變系統(tǒng)參數(shù)P，I、D為定值，保持不變，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下：系統(tǒng)參數(shù)：K1=16，T圖5-7單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖系統(tǒng)參數(shù)：K1=20，T圖5-8單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖由不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線（圖5-5、5-6、5-7、5-8）可知，隨著比例系數(shù)K值的增大，振蕩頻率增大，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小。2．改變參數(shù)I，P、D參數(shù)保持定值，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖5-9：系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，圖5-9單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，圖5-10單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖由積分控制不同參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線（圖5-9、5-10）可知，隨著Ti值的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，振蕩頻率增大，衰減率減小。3．改變系統(tǒng)參數(shù)D，參數(shù)P、I整定為定值，階躍響應(yīng)曲線如下圖：系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，Ti=16.8圖5-11單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，Ti=16.8圖5-12單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖由不同參數(shù)值D下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線（圖5-11、5-12）可知，隨著參數(shù)D的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，振蕩頻率增大，衰減率增大。將干擾加入控制系統(tǒng)中，從而檢測(cè)水箱控制系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如圖5-13：圖5-13有干擾單回路MATLAB仿真框圖系統(tǒng)參數(shù)：K1=12，Ti=16.8圖5-14有干擾單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖觀察曲線圖5-14在有干擾的情況下，階躍響應(yīng)波形圖與無干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可得，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性逐漸降低，在干擾作用下，如圖5-14所示，控制系統(tǒng)很難穩(wěn)定下來，并且出現(xiàn)了較長時(shí)間的小幅度震蕩，因此對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情