【正文】 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第41頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱液位PID控制算法的仿真研究摘要由于單回路控制系統(tǒng)已不能克服液位控制中的一些問題，如：大時(shí)延、非線性、容量滯后等。因此本設(shè)計(jì)針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)串級(jí)控制，對(duì)單回路控制系統(tǒng)無法控制的問題進(jìn)行解決，同時(shí)比較單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)的不同之處。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是多容水箱的PID液位控制系統(tǒng)的仿真。在設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)雙容水箱進(jìn)行了研究和仿真。本文的主要內(nèi)容包括：對(duì)水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析，通過實(shí)驗(yàn)法建立了液位控制系統(tǒng)的水箱數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出了串級(jí)控制系統(tǒng)，針對(duì)所選液位控制系統(tǒng)選擇合適的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位串級(jí)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PID控制系統(tǒng)。通過仿真比較了單回路液位控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)控制的不同之處，以及參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，對(duì)所得到的仿真曲線進(jìn)行分析，總結(jié)了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。關(guān)鍵詞：MATLAB；PID控制；串級(jí)控制；液位系統(tǒng)仿真More let water tank PID level control system simulationAbstractBecause single loop control system has not overe some of the liquid level control issues, such as: big time delay, nonlinear process, capacity lag and so on. So this design is proposed to solve these problems, the cascade control for single loop control system can39。t control problems were solved, meanwhile pared single loop control system and cascade control system differences. The graduation design topic is based on the MATLAB PID level control system simulation. In the design, I mainly responsible is double let water tank simulation. The main content of this article include: software MATLAB, the introduction and application of the simulation of use in Simulink problems that should be paid attention to. Grasp the basic ideas of PID control to be familiar with PID algorithm, PID parameters setting method. Water tank with the experimental curves to determine the characteristics, through the test method analysis level control system was established mathematical model, the water tank designed cascade control system for the selected level control。 choose the appropriate control system PID algorithm. MATLAB/Simulink establishes level cascade control system, the regulator using fuzzy PID control system. Through the parative simulation single loop level control system and a cascade control system control differences, and parameter setting and various parameters control performance parison, application gets PID control algorithm is analyzed for simulation curve, summarizes the parameters on the system performance impact.Keywords: MATLAB；PID control。 Cascade control。 Level system simulation目錄1 緒論 11. 1 問題的提出及研究意義 1 水箱控制系統(tǒng)研究的意義 1 PID控制算法的研究現(xiàn)狀 2 PID控制的應(yīng)用與發(fā)展 2 本次設(shè)計(jì)的主要工作 32 MATLAB仿真概述 4 過程控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真 4 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 4 控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真 43 PID控制簡(jiǎn)介及其整定方法 7 PID控制簡(jiǎn)介 7 PID控制原理 7 PID控制算法 8 位置型算法 9 增量型算法 9 PID 調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 10 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 10 比例積分調(diào)節(jié) 11 比例積分微分調(diào)節(jié) 12 串級(jí)控制 12 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 主回路的設(shè)計(jì) 14 副回路的設(shè)計(jì) 14 主、副回路的匹配 15 串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 16 用于克服被控過程較大的容量滯后 16 PID控制的特點(diǎn) 16 PID參數(shù)整定方法 17 傳統(tǒng)整定方法 174 雙容液位控制系統(tǒng)的建模 194. 1 過程建模的方法 19 機(jī)理法 19 測(cè)試法 19 階躍響應(yīng)法 204 .2 分析多容過程的數(shù)學(xué)建模 21 一階單容上水箱特性 21 二階雙容下水箱對(duì)象特性 235 雙容液位控制系統(tǒng)的仿真 255. 1 被控對(duì)象的仿真模型 25 單回路控制系統(tǒng)的仿真 255. 3 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 30 當(dāng)副環(huán)采用PID調(diào)節(jié)時(shí) 32結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 391 緒論1. 1 問題的提出及研究意義大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對(duì)控制質(zhì)量的要求很高，此時(shí)單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運(yùn)用新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制量。對(duì)于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級(jí)水箱液位控制比單級(jí)水箱液位控制困難，會(huì)遇到許多的問題，滯后時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)于環(huán)境的變化多少會(huì)受一定的影響，如想要好的控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運(yùn)用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達(dá)到控制精度和要求。串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋補(bǔ)償控制、大時(shí)延預(yù)估控制等一類較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)就是適應(yīng)上述要求而產(chǎn)生的。 水箱控制系統(tǒng)研究的意義隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平、工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用控制算法和監(jiān)測(cè)算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動(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，通常情況下實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時(shí)候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，一旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問題，制約了其應(yīng)用。因而，在目前尚不具有在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)真實(shí)工業(yè)過程條件的今天，開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用且具有典型對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置無疑是一條探索將理論成果快速轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的捷徑。多容器流程系統(tǒng)是具有純滯后的非線性組合系統(tǒng)，是過程控制中的一種典型的控制對(duì)象，在實(shí)際生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用背景。用經(jīng)典控制方法和常規(guī)儀表控制這類過程時(shí)，常因系統(tǒng)的多輸入多輸出關(guān)系以及系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)系而使系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，會(huì)明顯地降低控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在耦合嚴(yán)重的情況時(shí)會(huì)使各個(gè)系統(tǒng)均無法投入運(yùn)行。水箱液位控制系統(tǒng)是模擬多容器流程系統(tǒng)的多輸入多輸出、大遲延、非線性、藕合系統(tǒng)，它的液位控制算法的研究對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用有著非常重要的意義。工業(yè)生產(chǎn)過程控制中的被控對(duì)象往往是多輸入多輸出系統(tǒng)，回路之間存在著耦合的現(xiàn)象。即系統(tǒng)的某一個(gè)輸入影響到系統(tǒng)的多個(gè)輸出，或者系統(tǒng)的某一個(gè)輸出受到多個(gè)系統(tǒng)偷入的影響。有時(shí)對(duì)該多變量系統(tǒng)進(jìn)行解耦獲得滿意的控制效果。 PID控制算法的研究現(xiàn)狀 液位控制就是對(duì)某一容器內(nèi)的液體的進(jìn)入量或流出量進(jìn)行控制，從而使液體的高度保持在所希望的數(shù)值上。液位控制在鋼鐵、石油化工、食品灌裝等行業(yè)中應(yīng)用極為普及，對(duì)此進(jìn)行研究有很高的實(shí)用價(jià)值。目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的線性、時(shí)不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡(jiǎn)化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于類似問題，通常采用串級(jí)控制系統(tǒng)來消除過程中的非線性環(huán)節(jié)的干擾，得到更精確地?cái)?shù)據(jù)。 PID控制的應(yīng)用與發(fā)展在過去的幾十年里，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。我們今天所熟知的控制器產(chǎn)生并發(fā)展于19151940年期間。盡管自1940年以來，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、化學(xué)、電力和機(jī)械等行業(yè)過程控制中。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有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)方法的研究過程。最早的參數(shù)工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的簡(jiǎn)稱為ZN的整定公式，盡管時(shí)間已經(jīng)過去半個(gè)世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。1953年CohenCoon繼承和發(fā)展了整定公式，同時(shí)