【正文】 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 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 ......................................... 30 第五章 總結(jié)和展望 .................................................. 38 致謝 ............................................................... 39 參考文獻(xiàn) ........................................................... 40 附錄 ............................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。雙容水箱雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻是最基本的過(guò)程空竹系統(tǒng)。 前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制 指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 (1)改善了過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。 (1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。如果引入 I 控制，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速 控制作用；也沒(méi)有必要引入 D 控制，因?yàn)楦被芈凡捎? P 控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入 D 控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副 回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。 MATLAB 具有以下主要特點(diǎn)： (1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣 MATLAB 除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算。 (4)圖形功能強(qiáng)大 MATLAB 里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 Simulink 與MATLAB 緊密集成，可以直接訪問(wèn) MATLAB 大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化 、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 【 5】 第二章 PID 控制簡(jiǎn)介及整定方法 PID 控制簡(jiǎn)介 1. PID 控制原理 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 e(t)構(gòu)成偏差 e(t)=r(t)c(t) 將偏差的 比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。 Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但 Td 過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 但從另一方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性。此方法簡(jiǎn)單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。 (3)衰減曲線法。 1984 年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者 Astrom 提出了繼電器振蕩 PID 參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測(cè)被控過(guò)程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過(guò)程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過(guò)程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的有用信息 :臨界振蕩周期 Tu和臨界增益 Ku。實(shí)際中? 的值要選的合適，若 ? 值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若 ? 值過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù) PID 控制系統(tǒng)的要求而定。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo) 。此外，由于缺少特定過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)，投運(yùn)初期，會(huì)有一個(gè)比較長(zhǎng)的自整定過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定。它以個(gè)體的適應(yīng)度判斷個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)一般基于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)，常為各種積分型指標(biāo)的某種函數(shù)。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，它不僅能提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，而且能降低設(shè)計(jì)的難度，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。 機(jī)理建模法的首要條件是需要過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)，并且可以比較確切地對(duì)過(guò)程加以數(shù)學(xué)描述。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或隨機(jī)函數(shù)作用于過(guò)程，直接得到的是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)或譜密度，他們都是圖形或數(shù)據(jù)集。 多容過(guò)程是指有多 個(gè)貯蓄容量的過(guò)程，多容過(guò)程可分為有相互影響的多容過(guò)程和無(wú)相互影響的多容過(guò)程。 當(dāng) ? ? 1時(shí)，系統(tǒng)特性為過(guò)阻尼特性，變化較為緩和； 當(dāng) 01???時(shí)，過(guò)程特性為衰減振蕩， ? 越小則衰減的越慢，而振蕩頻率與自振蕩頻率 n? 有關(guān) 。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快，反之，若時(shí)間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。為此，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包括在副回路中，并且把副回路放大系數(shù)整定的應(yīng)大些，會(huì)使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制將干擾對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。 , ?? (a) (b) (c) 圖 (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線 (c) 設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出 曲線 同樣對(duì)于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，同時(shí)突加幅值為設(shè)定值 40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 ，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 530s。 我做的是多容液位控制，是以串級(jí)的雙容液位控制過(guò)程來(lái)做的，在做論文的過(guò)程中用到了 MATLAB 的仿真，數(shù)學(xué)建模和 PID 控制，數(shù)學(xué)模型的建立和 PID 控制是本論文的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有這兩個(gè)部分，我就沒(méi)辦法去做仿真。在控制方面可以選擇更加好的 PID 控制以提高控制精度?；叵胝麄€(gè) 論文 的寫作過(guò)程，雖有不易，卻讓我除卻浮躁，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了法學(xué)的精髓和意義，因此倍感珍惜。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于 液位 PID 控制方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。然后又對(duì)用到過(guò)的軟件做了一些簡(jiǎn)介。 , ?? (a) (b) (c) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)一次干擾作用下的響應(yīng)曲線 (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線 (c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線 對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系 統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，突加幅值為設(shè)定值 40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 280s。 單回路控制系 統(tǒng)的仿真 單回路控制系統(tǒng)在設(shè)定值為 1300 時(shí)的階躍響應(yīng)曲線如圖 所示。 為了設(shè)計(jì)好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)均達(dá)到要求值，就必須很好地了解具體的生產(chǎn)工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類型和控制器的參數(shù)等。容器 2的液位也不會(huì)影響容器 1的液位，兩容器無(wú)相互影響。 圖 有相互影響的雙容液位過(guò)程 兩容器的液位和流出量之間都為非線性關(guān)系，有： 1 1 1 22 2 2Q a h hQ a h? ??????? （ 31） 其中， a1和 a2分別為容器 容器 2的比例系數(shù)，與手動(dòng)閥門開(kāi)度有關(guān)；若設(shè)容器 容器 2 相應(yīng)的線性化水阻分別為 R1何 R2 1011202222hRahRa?????? ??? (32) 則有： 1211222hhQRhQR?? ????? ??? (33) iQ ku? (34) 如此有過(guò)程的數(shù)學(xué)描述： 1 1 21 1 11id h h hA Q Q k ud t R? ?? ? ? ? (35) 2 1 22 2 1 2 1 21 1 21d h R R