【正文】 即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測試數(shù)據(jù)，計算機是不可缺少的工具。所以不僅容器 1 的液位會影響容器 2的液位，容器 2的液位也會影響容器 1的液位，兩容器相互影響。 圖 無相互影響的雙容液位過程 與圖 相比，圖 的雙容器之間沒有串聯(lián)的管路，兩容器的流出閥均為手動閥門，流量 1Q 只與容器 1 的液位 1h 有關(guān)，與容器 2 的液位 2h 無關(guān)。 【 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、即使成熟、操作維護也比較方便，在生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用。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。 , ?? (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。 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。 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。 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(xiàn) 【 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?？茖W(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。 致謝 本文是在 馮翼 老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。 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(dá)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。 , ?? (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。 【 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。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。 當(dāng) ? =0時，系統(tǒng)特性呈等幅振蕩，此時振蕩頻率為 n? 。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。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。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)。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。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。 （ 2）基于模糊推理的 PID 自整定。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 。 【 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。 ? ? ? ?( ) ( ) ( 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。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)。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。 (2)穩(wěn)定邊界法 (臨界比例度法 )。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面 : (1)算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了 PID 控制比較適用于 SISO 最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過 多個 PID 控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果 。 (6) 比例積分微分環(huán)節(jié) PID 控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量 ，加快反應(yīng)，是綜合了 PI 控制與 PD控制長處并去除其短處的控制。 【 7】 (4)比例積分環(huán)節(jié) PI 控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。其控制規(guī)律為 001 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )ttp d p t did e t d e tu t K e t e t d t T K e t K e t d t KT d t d t??? ? ? ? ? ??????? 傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+ 1tTs +Tds]= Kp+ Kt 1s +Kds 式中 Kp為比例系數(shù)， Td為微分時間常數(shù)； Kt=Kp/Tt為積分常數(shù)， Kd=KpTd為微分系數(shù)。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。 (2)Simulink 的特點： 。同時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。 MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡單， MATLAB 還具有較強的編輯圖形界面的能力。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計算， MATLAB 均可完成。 控制系統(tǒng)計算機仿真的過程包含如下步驟： (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。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 (3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。原則上，在設(shè)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在 3～10之間。 (2)將更多的擾動包括在副回路中。 (2)能迅速克服進入副回路的二次擾動。 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。即使在復(fù)雜、高水平的過程控制系統(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）。目 錄 前 言 ............................................................... 1 第一章 串級控制系統(tǒng)及仿真概述 ...................................... 2 串級控制系統(tǒng)簡介 ............................................ 2 基本概念及組成結(jié)構(gòu) ..................................... 2 串級控制系統(tǒng)的工作過程 ................................. 2 系統(tǒng)特點及分析 ......................................... 3 工程應(yīng)用場合 ........................................... 3 系統(tǒng)設(shè)計 ............................................... 3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................... 3 主回路的設(shè)計 ........................................... 3 副回路的設(shè)計 ........................................... 4 主、副回路的匹配 ....................................... 4 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 ....................................... 5 用于