【正文】 。如果PID控制器運(yùn)用于控制復(fù)雜過程，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)論怎樣調(diào)整參數(shù)都無(wú)法達(dá)到預(yù)期的控制效果。但擾動(dòng)作用在外環(huán)，則雙環(huán)系統(tǒng)抗擾性能與單環(huán)類似。感覺衰減法的衰減太慢（如圖46），就用了臨界比例度法。for i=1:length(P)G=feedback(P(i)*G0,1)。end在kp=，其臨界比例度δcr和臨界振蕩周期Tcr(相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔)可由下圖48讀出：圖48等幅振蕩圖知Tcr= 臨界比例度為δcr=1/根據(jù)所得的Tcr和δcr，查下表的經(jīng)驗(yàn)公式，可以計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)：表49臨界振蕩經(jīng)驗(yàn)公式控制規(guī)律δ(﹪)Ti（s）Td(s)P2δcrPITcr/PIDP: δ=2/=PI: δ=, Ti=PID: δ=,Ti=*=, Td=*=最后“按先P后I最后D”的操作程序?qū)⒖刂破髡▍?shù)調(diào)到計(jì)算值上，仿真響應(yīng)曲線如圖所示：P調(diào)節(jié)代碼：clear allG0=tf(523500,[1 10470 0])。step(G)。kp=。for i=1:length(Ti)Gc=tf(kp*[1,1/Ti(i)],[1,0])。endaxis([0 0 ])。Td=[]。G=feedback(G0*Gc,1)。圖412 PID控制振蕩曲線 三者一起做比較，得到如下圖：圖413控制曲線圖 在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中不可能出現(xiàn)純微分動(dòng)作，要經(jīng)常將純微分動(dòng)作近似成一個(gè)帶有慣性的微分環(huán)節(jié)，進(jìn)而得到近似PID控制器的傳遞函數(shù)為：Gc（s）=kp*(1+1/Tis+Tds/(1+Td/N)) （在實(shí)際應(yīng)用中，常取N=10）clear allG0=tf(523500,[1 10470 0])。N=[10]。grid on。Gc=tf(nn,dd)。圖414 D加慣性環(huán)節(jié)圖圖415 控制曲線圖第5章 雙容水箱在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)三容水箱可以看成2個(gè)雙容水箱，而且雙容水箱與三容水箱相比較為簡(jiǎn)單，我們可以先對(duì)雙容水箱進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的研究，可以更為方便地對(duì)三容水箱研究。 B=[2。 D=0。圖54 xxxxxxxxxxx從上述仿真結(jié)果可知，在階躍響應(yīng)下，、都趨于穩(wěn)態(tài)2，且無(wú)超調(diào)。由于整個(gè)系統(tǒng)包含，所以就整個(gè)系統(tǒng)而言是不可觀的。所以只需判定系統(tǒng)在原點(diǎn)處的穩(wěn)定性。若我們想把極點(diǎn)配置在1，2 ，則操作可具體如下： rank(ctrb(A,B))ans = 2顯見，系統(tǒng)狀態(tài)可控，可以對(duì)其閉環(huán)極點(diǎn)進(jìn)行任意配置。它反映了對(duì)象的特性, 特別是動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)由于出水壓力的增大使流出量逐漸增大，其趨勢(shì)是重新建立起流入量與流出量之間的平衡關(guān)系，即液位上升到一定高度使流出量增大到與流入量相等而重新建立起平衡關(guān)系，液位最后穩(wěn)定在某一高度上；反之，液位會(huì)下降，并最終穩(wěn)定在另一高度上。上水箱的注水量通過上位機(jī)對(duì)電磁閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。( 4) 增大調(diào)節(jié)閥的開度, 記錄水位隨時(shí)間的數(shù)據(jù)直至液位再次達(dá)到平衡。對(duì)上面的公式經(jīng)過一系列的微分和積分計(jì)算和整理后得到一個(gè)復(fù)雜的三階微分方程得： （610） 按照流體力學(xué)原理，水箱流出量Q0與出口靜壓有關(guān)，同時(shí)還與調(diào)節(jié)閥門的阻力R有關(guān)，假設(shè)三者之間的變化關(guān)系為： （611） 流體在一般流動(dòng)條件下, 液位h 和流量Q0 之間的關(guān)系是非線性的, 如下圖所示。經(jīng)過線性化后，水阻R是常數(shù)。待液位達(dá)到平衡后, 記錄此時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù): Qi = / h, 上、中、% 、%、%。 水箱平衡時(shí), Qi= Q1= Q2= Q3 , 可以計(jì)算出上、中、下水箱的線性化水阻: (612)同上計(jì)算可得 （613）將上面的計(jì)算結(jié)果代人610中可以得到： （614）對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得三容水箱的傳遞函數(shù)： （615）第7章 模型仿真和實(shí)驗(yàn) Simulink 仿真 Simulink 是用于MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境。圖71 PID模型圖72 PID子系統(tǒng)模型圖73 下水箱液位仿真曲線 在圖73中, 橫軸表示時(shí)間, 其單位為秒。 上升時(shí)間tr 約為25s。其中 P: I: D:。Ki 越大, 系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快。第8章 三容水箱PLC硬件設(shè)置 PLC特點(diǎn)概述1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制設(shè)備的可靠性要求：（1）平均故障間隔時(shí)間長(zhǎng)；（2）故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）短。但對(duì)PLC而言，受外界影響后，內(nèi)部存儲(chǔ)的信息可能被破壞。為此，各PLC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強(qiáng)的自診斷能力，能及時(shí)給出出錯(cuò)信息，停止運(yùn)行等待修復(fù)外，還使PLC具有了很強(qiáng)的抗干擾能力。（3）電源調(diào)整與保護(hù)——對(duì)微處理器這個(gè)核心部件所需的+5V電源，采用多級(jí)濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓的影響。軟件措施：有極強(qiáng)的自檢及保護(hù)功能。一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來(lái)的程序工作。 （5）對(duì)程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備——停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會(huì)丟失。2 .通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程。通過閱讀PLC的用戶手冊(cè)或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序。由于PLC采用了軟件來(lái)取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 (1)繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。 掃描技術(shù) 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。 PLC組成結(jié)構(gòu)可編程控制器是60年代末在美國(guó)首先出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來(lái)取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時(shí)的PLC已不再是邏輯判斷功能，還同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能?？删幊炭刂破鲗?duì)用戶來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計(jì)階段選用可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過程?？删幊炭刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成電路的芯片上。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。RAM存儲(chǔ)器是一種高密度、低功耗、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可用鋰電池做備用電源。3．輸入輸出單元（I/O單元）I/O單元實(shí)際上是PLC與被控對(duì)象間傳遞輸入輸出信號(hào)的接口部件。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲(chǔ)器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。 PLC編程所用到PLC程序如下：數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)設(shè)定和I/O設(shè)備組態(tài)設(shè)置如下圖所示：圖81 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定圖圖82 設(shè)備設(shè)置圖圖83 設(shè)備設(shè)置圖閥門的動(dòng)作特性如下圖所示設(shè)置：圖84 閥門的動(dòng)作特性圖PID按鍵屬性設(shè)置及數(shù)值輸入顯示設(shè)置：圖85 PID按鍵設(shè)置圖圖86 數(shù)值輸入顯示圖利用軟件可以畫出組態(tài)圖，如下： 圖87 力控組態(tài)圖 圖88 動(dòng)態(tài)圖圖89動(dòng)態(tài)圖圖810動(dòng)態(tài)圖圖811動(dòng)態(tài)圖圖812動(dòng)態(tài)圖 圖88至圖812為在固定的調(diào)節(jié)閥開度下,水箱液位向平衡狀態(tài)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)液位顯示。 雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。1993．[6]何玉樵．化工過程控制及儀表[M]．成都：成都科技大學(xué)出版社，1991．[7]邵世煌．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．北京：紡織工業(yè)出版社，1991．[8] 杜志偉，陳暉，尹力．階躍響應(yīng)模型在三容水箱中的預(yù)測(cè)控制[J]．林業(yè)勞動(dòng)安全， 2003.
[9] 蔡喜翠．三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士，2005.[10] 郭勇．基于非線性三容液位系統(tǒng)的逆控制算法研究[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院.[11] Liu Jinkun, “Advanced PID control and its MATLAB simulation,”Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003.[12] Tao Yonghua, “New PID control and its application,” 2nd ed., Beijing:China Machine Press, 2003.致 謝 在此論文完成之際，首先向辛勤培養(yǎng)我們的指導(dǎo)老師章家?guī)r老師致以誠(chéng)摯的感謝和崇高的敬意。 最后，向所有幫助過我的人致以最誠(chéng)摯的