【正文】 er 和 Nichols 提出 PID 參數(shù)整定方法起，隨著各種技術(shù)和理論的發(fā)展， PID 參數(shù)整定的方法越來越多 。 (2)穩(wěn)定邊界法 (臨界比例度法 )。它既能保證實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1 的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。事實上，因其簡單實用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。另外由 Tu還可得到采樣周期的估計值，再利用 ZN經(jīng)驗公式或其它經(jīng)驗公式即可計算出 PID 的參數(shù)。 實際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時，才施加積分控制。 ? ? ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )p d p dU n K e n e n K e n e n e n? ? ? ? ? ? ? ? ? ( ) ( )iiu n K e n?? ( ) ( 1 ) ( ) ( )pd iu n u n U n u n? ? ? ? ? ? 積分分離時， 取 ( ) ( 1 ) ( )pdu n u n U n? ? ? ? 常見的積分項改進的數(shù)字 PID 控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。 根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動情況由控制系統(tǒng)自動選擇 P、 I、 D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。 【 2】 隨著計算機技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展， PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很 大的變化，出現(xiàn)了一些基于計算機的 PID 參數(shù)最優(yōu)整定方法。目前 還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控對象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，求取被控對象的等效純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計算得出一系列參數(shù)。此外，從某種意義上說，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋 優(yōu)的方法，易陷入局部最小 。識別過程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無需對被控對象做階躍擾動試驗。 （ 2）基于模糊推理的 PID 自整定。 (3)基于遺傳算法的 PID 參數(shù)整定。依據(jù)個體的適應(yīng)度按概率從當(dāng)前群體中選擇個體進行交叉、變異產(chǎn)生下一代群體。遺傳算法操作的是解空間的一組個體，而非單個解，因而可以有效地減小局部收斂的危險。盡管遺傳算法在優(yōu)化問題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但由于其本身還存在著一些問題，如理論上還不完善、收斂性問題、未成熟收斂 (早熟 )、局部搜索能力差等，遺傳算法的應(yīng)用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進的遺傳算法。 機理法 用機理法建模就是根據(jù)過程的內(nèi)在機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，例如物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程，反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運動方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。用機理法建模時，有時也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況，這 時可用實驗數(shù)據(jù)或?qū)崪y工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)。 測試法建模又可分為經(jīng)典辨識法和系統(tǒng)辨識法兩大類； (1)經(jīng)典辨識法 不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進行比較簡單的數(shù)學(xué)處理，計算工作量一般較小。對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)辨識方法不需要過程的先驗知識。雙容過程是最簡單的多容過程，本設(shè)計以雙容過程為例，分析多容過程的數(shù)學(xué)建模。最后導(dǎo)出容器 容器 2 的過程傳遞函數(shù)1()Gs、 2()Gs分別為： ? ? ? ?? ?2 1 1 211 21 2 1 2 1 2 2()() ( ) 1k T R s R RhsGs u s T T s T T A R s????????? ? ? ? ? (311) ? ?222 21 2 1 2 1 2 2()() ( ) 1h s k RGs u s T T s T T A R s??? ? ? ? ? (312) 可見兩個環(huán)節(jié)都是二階的。 當(dāng) ? =0時，系統(tǒng)特性呈等幅振蕩，此時振蕩頻率為 n? 。 由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故 有非線性方程： 1 1 1Q a h? (314) 2 2 2Q a h? (315) 過程的原始數(shù)據(jù)模型為： 11122 1 2idV dtdV dt??? ?????? ???? (316) 令容器 容器 2 相應(yīng)的線性水阻分別為 1R 和 2R ： 10112 hR a? (317) 20222 hR a? (318) 其中 10h 為容器 1的初始液位， 20h 為容器 2的初始液位。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數(shù) 12max( , )T T T? ，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。 串級控制系統(tǒng)必須合理地進行設(shè)計，才能使串級控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得到充分的發(fā)揮。 【 12】 在雙容控制系統(tǒng)中，主被控對象的數(shù)學(xué)模型為 ? ? 244( ) 1 .2 5 / 2 5 1sG s e s???，副被控對象的數(shù)學(xué)模型為 ? ?4( ) / 12 1sG s e s???，控制器采用 PI 控制規(guī)律對系統(tǒng)進行仿真研究。 0 .4 5 , 0 .0 0 0 0 5piKK??。 , ?? (a) (b) (c) 圖 單回路系統(tǒng)一次和二次干擾作用下的響應(yīng)曲線 (a)仿真框圖 (b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線 (c) 設(shè)定值和擾動值同時作用下的輸出曲線 串級控制系統(tǒng)的仿真 副控制器選擇 P作用，主控制器選擇 PID 作用，整定串級控制器的參數(shù)為最佳值 ，同樣是 40%的設(shè)定值設(shè)定值擾動。 (a) (b) (c) 圖 串級控制系統(tǒng)一次和二次干擾同時作用下的響應(yīng)曲線 (a) 仿真框圖 (b) 擾動信號單獨作用下的輸出曲線 (c) 設(shè)定值和擾動同時作用下的輸出曲線 從上面的仿真曲線可以看出，串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)具有更好的控制效果。 問題出現(xiàn)最多的就是仿真過程，剛開始仿真的時候，我以為建立模型然后就能達到預(yù)期的結(jié)果，沒想到我參 數(shù)沒有調(diào)節(jié)好，以致我在仿真的這個地方用了很長時間，最后還是在老師和同學(xué)的幫助下完成的。經(jīng)過再 三修改，論文終于完成了，也通過了老師的認(rèn)可，論文終于定稿了。 致謝 本文是在 馮翼 老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。 本 論文 的完成也離不開其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在 這里請接受我誠摯的 謝意 !最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們 ! 參考文獻 【 1】 過程控制與自動化儀表 [M],機械工業(yè)出版社 ,潘永湘 楊延西 趙躍 編著 【 2】過程控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 [M],機械工業(yè)出版社 ,劉文定 王東林 編著 【 3】過程控制與 Simulink 應(yīng)用 [M],電子工業(yè)出版社 ,王正林 郭陽寬 編著 【 4】 MATLAB 及其在理工課程中的應(yīng)用指南 [M],西電出版社出版 ,陳懷琛編著 【 5】三容水箱的建模及基于 TS 模型的模糊 PID 控制 [J]，控制理 論與控制工程，趙科，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 6】魯棒控制及其在三容系統(tǒng)中的應(yīng)用 [D]，張博，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 7】 三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究 [D]，蔡喜翠，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 8】 基于遺傳算法的系統(tǒng)建模與 PID 控制方法研究 [D]，徐春梅，武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 9】 基于智能儀表的串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計 ，朱廣 吳君曉，河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報 【 10】基于動態(tài)矩陣的液位控制系統(tǒng)，陳榮保，李勁松 【 11】三容水箱液位控制系統(tǒng)，李偉，黑龍江科技學(xué)院學(xué)報 【 12】彷人多模態(tài)雙容 水箱控制系統(tǒng)研究 [J]，王武 蔡子亮 張元敏 ，許昌學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 【 13】 容器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J],高紅 陳旭 王永鋒，化學(xué)工業(yè)與工程 【 14】雙容液位控制系統(tǒng)的動態(tài)解耦控制 [J]，羅雄麟 宋浩 許峰，化工自動化及儀表 中國石油大學(xué) 【 15】階躍響應(yīng)模型在三容水箱中的預(yù)測控制 [J]，杜志偉 陳輝 尹力。 還要感謝同門的師兄師妹們，在 涉及 過程中給我以許多 建議 和幫助。 他 淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 研究展望 本文對多容液位的研究只不過是基本雙容液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒有涉及。 單一是因為我只有串級控制，所以我又做了一個單回路控制過程，又來比較兩者的優(yōu)越，通過仿真結(jié)果得出的波形，來說明問題，而不是通過單一的文字描述來說理。 剛開始拿到論文時間，我對題目還不是很明白，就想通過上網(wǎng)查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒找到，就在這找資料的過程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關(guān)論文，從中知道了題目的意思，和論文寫作思路。 , ?? (a) (b) (c) 圖 串級控制系統(tǒng)二次干擾作用下的響 應(yīng)曲線 (a)仿真框圖 (b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線 (c)設(shè)定值和擾動同時作用下的輸出曲線 對于串級控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行大約 900s 后，突加幅值為設(shè)定值 40%的一次階躍擾動信號，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 所示，此時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間大約為 260s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 單回路 系統(tǒng)二次干擾作用下的仿真框圖 (a)仿真框圖 (b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線 (c)設(shè)定值和擾動信號同時作用下的輸出曲線 同樣對于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行大約 900s 后，圖加幅值為設(shè)定值 40%的一次階躍擾動信號，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 ，此時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間大約為530s。通過分析和比較單回路和串級也為控制系統(tǒng)的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統(tǒng)和串級液位控制系統(tǒng)的差異，具體仿真過程如下所述。 串級控制系統(tǒng)對進入副回路的二次干擾具有很強的克服能力。 【 1】 第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真 被控對象的仿真模型 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、