【正文】 MATLAB 包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。 MATLAB 的函數(shù)命令眾多，功能各異，但 MATLAB 得聯(lián)機(jī)幫助功能使用戶既可用 help 命令查詢某 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 8 個(gè)函數(shù)的功能及使用，又可由 MATLAB 圖形界面下的 help 菜單來(lái)查詢，為用戶提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。 (2)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活 MATLAB 提供的庫(kù)函數(shù)及其豐富，既有常用的基本 庫(kù)函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫(kù)函數(shù)。如果應(yīng)用 MATLAB 的 Toolbox 及 Simulink 集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了 MATLAB 仿真。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求， 由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響 。 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。比值過(guò)高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過(guò)少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過(guò)低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于 主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 5 性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。 【 2】 主、副回路的匹配 (1)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次 回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問(wèn)題。 (3)副被控過(guò)程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 副回路的設(shè)計(jì) 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)， 對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過(guò)主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。 (3)提高了系統(tǒng)的工作頻率。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分種情況進(jìn)行分析： (1)擾動(dòng)作用于副回路 (2)擾動(dòng)作用于主過(guò)程 (3)擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過(guò)程 分析可以看到：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過(guò)程特性。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 2 第一章 串級(jí)控制系統(tǒng) 及仿真概述 串級(jí)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 串級(jí)控制系統(tǒng)是指把兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)也是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，即便是一些高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)，也往往是將這類系統(tǒng)作為最低層的控制系統(tǒng)。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。 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 1 過(guò)程控制畢業(yè)論文 目 錄 前 言 ............................................................... 1 第一章 串級(jí)控制系統(tǒng)及仿真概述 ...................................... 2 串級(jí)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ............................................ 2 基本概念及組成結(jié)構(gòu) ..................................... 2 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程 ................................. 2 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 ......................................... 3 工程應(yīng)用場(chǎng)合 ........................................... 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................... 3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .......................................... 3 主回路的設(shè)計(jì) ........................................... 3 副回路的設(shè)計(jì) ........................................... 4 主、副回路的匹配 ....................................... 4 串級(jí) 控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 ....................................... 5 用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后 ......................... 5 用于克服被控過(guò)程的純滯后 ............................... 6 用于抑制 變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) ......................... 6 用于克服被控過(guò)程的非線性 ............................... 6 過(guò)程控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 ............................. 6 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 ..................................... 6 控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 ............................ 7 第二章 PID 控制簡(jiǎn)介及整定方法 ...................................... 10 PID控制簡(jiǎn)介 ................................................ 10 PID 參數(shù)整定方法 ........................................... 13 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 2 第三章 多容液位控制系統(tǒng)的建模 ...................................... 18 過(guò)程建模的方法 ............................................. 18 機(jī)理法 ................................................ 18 ................................................ 19 階躍響應(yīng)法 ............................................ 19 有相互影響的雙容建模 ....................................... 20 無(wú)相互影響的多容過(guò)程 ....................................... 22 第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真 ...................................... 25 被控對(duì)象的仿真模型 ......................................... 25 單回路控制系統(tǒng)的仿真 ....................................... 25 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 ......................................... 31 第五章 總結(jié)和展望 .................................................. 39 致謝 ............................................................... 40 參考文獻(xiàn) ........................................................... 41 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 1 前 言 隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，液位過(guò)程控制的應(yīng)用十分普遍，所以為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，生產(chǎn)工藝要 求儲(chǔ)槽內(nèi)的液位常常需要維持在某個(gè)設(shè)定值上，或只允許在某一小范圍內(nèi)變化。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)延的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對(duì)非線性、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。即使在復(fù)雜、高水平的過(guò)程控制系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)仍占大多數(shù)（約占工業(yè)控制系統(tǒng)的 70%以上）。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。 整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程 當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)， 調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。 (2)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問(wèn)題。 (2)將更 多的擾動(dòng)包括在副回路中。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過(guò)大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧 (2)和 (3)的 綜合。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在 3～10之間。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。 (3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 過(guò)程控制畢業(yè)論文 基于 MATLAB 的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真 7 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程包含如下步驟： (1)建立控制系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 (4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果 通過(guò)對(duì)仿真模型對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計(jì)算， MATLAB 均可完成。 (3)有好的圖形界面，用戶使用方便 MATLAB 具有有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。 MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單， MATLAB 還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 針對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等特點(diǎn)及 MATLAB 的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、 仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用 MATLAB 的 Toolbox與 Simulink 仿真工具，為過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算和仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。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。 (2)Simulink 的特點(diǎn)： 。 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB 算法 。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID