【正文】 1）開始建模. 我們應(yīng)該將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化 MATLAB 環(huán)境下 SIMULINK 的仿真模塊。圖 的 SIMULINK 仿真模塊其中 Step 為階躍輸入信號，橢圓為相加器，接著為 PID 的比例、積分、微分三個模塊，比例直接由比例系數(shù)模塊代替，而積分（integral）和微分（derivative）模塊分別串級一個積分、微分系數(shù)，最后由一個三進一出的 SUM 相加器輸出。圖 主副回路偏差運算的仿真模塊這部分主要由 ScopeTranser FClock、 To Workpack 組成。并且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時能在控制器的作用下迅速恢復(fù)到統(tǒng)系原來所要求的液位值。本設(shè)計采用工程整定方法。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度 δ，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。軟件要求：適用在 Windows95①Windows95/Windows98/ 系統(tǒng)下安裝。Set/Clear Breakpoints:設(shè)置/清除光標(biāo)處的斷點。這樣，可以查詢 函數(shù)空間并按照需要改變其值。由于本人的研究能力和研究時間有限，設(shè)計中肯定存在不足之處，望老師們能見諒并幫忙改正，本人也會在以后的工作和生活中積累更多的經(jīng)驗，使以后的設(shè)計能更完善、更合理。現(xiàn)在的液位控制系統(tǒng)有很多種，本設(shè)計采用基于 MATLAB 的串級 PID 控制主要是因為，與傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)相比系統(tǒng)可靠實用，與其它現(xiàn)代的控制系統(tǒng)相比其結(jié)構(gòu)簡單，信價比較高。2. 在文件中加入顯示感興趣的變量的語句（也包括使用 disp） 。Setp In:深入下層局部工作區(qū)。 MATLAB 的調(diào)試過程MATLAB 的安裝調(diào)試一般從安裝空間要求、輸出途徑、調(diào)試三部分組成。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下：1. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器置于純比例 P 控制。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。PID 控制的液位串級控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖 中的曲線 2 所示。第三步，主要設(shè)計將主副回路的返回的信號進行偏差運算的仿真模塊。整個系統(tǒng)的 SIMULINK 仿真模塊可以由一下三步驟來完成。如圖 圖 仿真界面4. 點擊 圖中 File 下面的白色方框進入 MATLAB 環(huán)境下 SIMULINK 仿真建摸界面，如圖 所示。采用 MATLAB 軟件不僅可以實時了解系統(tǒng)的運行情況，也可以對系統(tǒng)進行仿真，直觀地顯示出系統(tǒng)的狀態(tài)，還可以在不修改程序的情況下對系統(tǒng)的一些主要的參數(shù)進行必要的調(diào)整。 end說明：1）在第一句 function [u,s,e0]=pidc*(v,s,e0,u0)中，輸入變量 v 是含 5 個元素的向量，表示 5 個測量參數(shù)，它們分別是：v(1)=上層水槽液位，v(2)= 進水壓力，v(3)=中層水槽液位，v(4)=進水流量，v(5)=底層水槽溫度。 e0(2)=e0(3)。t=1。故本程序總共有兩個子程序；子程序 1 完成兩個 PID 回路表的參數(shù)的獲??；子程序 2 負(fù)責(zé)液位信號的采集,同時通過 PID 指令完成對采集到的信號偏差的處理。 新增功能1. 在語言上， 數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)更加豐富，其中數(shù)據(jù)類型增加到了 6 種。3. 圖形功能強大。該液位系統(tǒng)的硬件型號如下表圖 所示。012HKk????????0112HTAk???????從傳遞函數(shù)可以看出，單水箱對象為一階慣性環(huán)節(jié)。 水箱液位的動態(tài)數(shù)學(xué)模型水箱液位的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，如圖 所示。通過對傳感器測量的數(shù)據(jù)采集，由控制器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，運算結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集，經(jīng)通訊接口，傳遞給計算機，由計算機去控制磁力泵，從而達到控制水箱液位控制的作用。但是由于本課題本身對 PID 控制精度要求也不高，再加上目前 FPID系列也不是很成熟。主回路中的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，作為系統(tǒng)的主被控變量，又稱主對象；副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為副被控變量，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。 （21D()()()K[()(1)]pukekekek???AAA6）PID 突出特點在于：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果 模糊控制（FPID）所謂 FPID 控制就是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法。當(dāng) Ti較大時，則積分作用較弱，這時系統(tǒng)的過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需要的時間較長；當(dāng) Ti較小時，則積分作用較強，這時系統(tǒng)過渡過程中有可能會產(chǎn)生振蕩，但消除偏差所需要的時間較短。比例部分?jǐn)?shù)學(xué)表達式：K pe(t).從比例部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，比例系數(shù) Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分（PI）控制積分調(diào)節(jié)器由于加入了積分環(huán)節(jié)不僅可實現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù) δ和 Ti 選擇的合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一；至今仍有 90%左右的控制回路具有PID 結(jié)構(gòu)。故本課題選用MATLAB 進行 PID 控制。還有可以實現(xiàn)PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet 相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)﹑輸入輸出接口。1. 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(openloop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。關(guān)鍵詞： MATLAB，PID 控制，液位，串級控制AbstractThis article was piled using MATLAB algorithm procedures Cascade PID to realize right next to the water level control. First of water abstract and establish a mathematical model, controlling the knowledge obtained transfer function, on the system and structure of the model analysis to the MATLAB design control procedures。所謂的工業(yè)自動化就是在沒有人直接參與的情況下，通過自動控制裝置或系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品要求等進行自動的調(diào)節(jié)與控制，使之達到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。由于 PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好等特點；是目前過程控制中使用最廣泛的調(diào)節(jié)方式；在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 串級 PID 控制的主要作用串級 PID 控制在回路系統(tǒng)上增加了一個副回路，故使性能得到改善；首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定值作用及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副回路被控變量回復(fù)到副設(shè)定值，從而使擾動對主被控變量的影響減少。因而系統(tǒng)不宜采用單級 PID 控制。PID控制包括 PI 和 PD 控制，它的實質(zhì)就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。微分（PD）控制此調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和。2）積分部分 積分作用的引入主要是為了保證被控制量在穩(wěn)定時對設(shè)定值的靜差跟蹤。微分部分的數(shù)學(xué)表達式： ()detT從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，微分部分的作用強弱由微分時間常數(shù) Td決定。3. 以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于形成專家的“知識” 。即副環(huán)回復(fù)對擾動進行粗調(diào)，主環(huán)回路對擾動進行細調(diào)。正確合理地設(shè)計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時能在控制器的作用下迅速恢復(fù)到系統(tǒng)原來所要求的液位值。被控量為液位高度 H1 它反映水的流入和流出量之間的平衡關(guān)系。從圖 24 可得出下水箱的物料平衡方程： （2221212oodHAQkHt??????17）式中 A2 為下水箱的底面積，H2 為下水箱的液位高度，k2 為負(fù)載閥 1 流量特性參數(shù)； ， ， 分別為偏離某一平衡狀態(tài) Q0Q 0H 02的增量，H 2為下1o?2o水箱液位高度。MATLAB 是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。工具箱可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。一個指令可以接受任意多個輸入宗量，可以產(chǎn)生任意多個輸出宗量，以適應(yīng)不同場合的需要。并存c:\MATLABR11\work\pro 路徑下。ti2=2。u(2)=u0(2)+kp2*[e0(6)e0(5)]+kp2*t/ti2*e0(6)+kp2*td2/t*[e0(6)2*e0(5)+e0(4)]。4）輸入變量 u0 是含 2 個元素的向量，其中 u0（1）是表示前一周期 PID2 的輸出控制量，u0（2）表示本周期 PID2 的輸出控制量。能快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，提供解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，另外利用其完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。PID 控制器的數(shù)學(xué)模型為： 01()()[()()]tp detutKetetTTi????（31）式中，e(t)——控制器輸入信號，一般為輸入信號與反饋信號之差；u(t)——控制器輸出信號，一般為給予受控對象的控制信號；Kp——控制器放大系數(shù)；Ti——控制器積分時間常數(shù)；Td——控制器微分時間常數(shù)根據(jù) PID 的數(shù)學(xué)模型和圖 串級 PID 控制系統(tǒng)原理圖在圖 所示的操作里面尋找相應(yīng)的仿真模塊并建立系統(tǒng)的 SIMULINK 仿