【正文】 ，很多場 合都要對液位進行控制，使其高精度、快速度地到達并保持給定的數(shù)值。而在完成傳統(tǒng)的 PID操作控制系統(tǒng)后，未來我們更將利用 Geic Algorithms 找出最好的參數(shù)并建構在液位控制系統(tǒng)。 在輕工行業(yè)中，液位控制的 應用非常普遍，從簡單的浮球液位開關、非接觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。PID 控制是以對象的數(shù)學模型為基礎的一種控制方式。因此，當流入 (流出 )對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應，這種現(xiàn)象叫做滯后。變結(jié)構控制系統(tǒng)在 50 年代就有了相當?shù)难芯?，隨著人們逐漸認識到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應性，并可用來設計日益復雜對象的控制規(guī) 律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。生產(chǎn)實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構成的多容對象。 Boiler drum, if the control level boiler is too low , can make level boiler overheating, possible accident。 在本設計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。 要求畢業(yè)設計中： 建立系統(tǒng)數(shù)學模型 設計雙容水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)，采用 PID 控制并進行仿真以及參數(shù)整定。在這些生產(chǎn)領域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家損失。液位控制在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要的分量，它對生產(chǎn)的影響不容忽視，為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，對液位進行及時有效的控制是非常必要的。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各個領域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，應用范圍也更加廣泛。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 過程控制的特點 液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴重影響 PID控制的效目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控 制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效地應用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。這兩種分接口使光電開關內(nèi)部光接受晶體所吸收的反射光強度不同，即對應兩種不同的開關狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。 本文主要研究內(nèi)容：串級控制的原理；基本 PID 算法；串級控制的優(yōu)點及適用場合；雙容水箱液位控制實驗； Matlab Simlink 軟件。要通過調(diào)查、收集數(shù)據(jù)資料，觀察和研究實際對象的固有特征和內(nèi)在規(guī)律，抓住問題的主要矛盾，建立起反映實際問題的數(shù)量關系，然后利用數(shù)學的理論和方法去分析和解決問題。 5） 模型分析 對所得的結(jié)果進行數(shù)學上的分析。 雙容水箱數(shù)學模型的建立 單容水箱數(shù)學模型的建立 單容液位過程控制如下： 圖 21 畢業(yè)設計論文 7 此容器的流出閥為手動閥門，流量 1Q 只與容器 1的液位 h有關。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? ，故總體反應要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。然后按照經(jīng)驗公式確定 PID 參數(shù)。 (3)ZieglerNichols 經(jīng)驗公式 (ZN 公式法 )。 1984 年，著名瑞典自動控制學者 Astrom 提出了繼電器振蕩PID 參數(shù)自動整定技術，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩，對過程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡單計算即可得出動態(tài)過程數(shù)學模型的有用信息 :臨界振蕩周期 Tu和臨界增益 Ku。實際中 ? 的值要選的合適，若 ? 值過大，則達不到積分分離的目的；若 ? 值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進行 PD控制，將會出現(xiàn)殘差。同時分段設定高值與分段設定低值的大小也應根據(jù) PID 控制系統(tǒng)的要求而定。 (2)在串級控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運行情況的主要工藝變量。如果對象具有非線性，那么，隨著負荷和操作條件的改變，對象特性就會發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)器參 數(shù)跟著變化。所以，選擇 PID 調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。但是逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù) K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù) K2 的匹配原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。 畢業(yè)設計論文 20 C． 保持 P、 I 參數(shù)為定值，改變 D 參數(shù)，階躍響應曲線如下： 參數(shù)： K1=12， Ti=， TD= 圖 48 單回路 MATLAB 仿真階躍響應曲線波形圖 參數(shù)： K1=12， Ti=， TD= 圖 49 單回路 MATLAB 仿真階躍響應曲線波形圖 比較不同 D 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，而且隨著 D 參數(shù)的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動進入副回路，不等它影響到主參數(shù)的變化，通過副回路的及時調(diào)節(jié)，該擾動對主參數(shù)的影響就會大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數(shù)的控制質(zhì)量。 4）從設計內(nèi)容來講，或許學習的是僅僅過程控制，學習的僅僅是 MATLAB的操作，但設計過程中，從設計思想，到研究方法，再到 結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學習研究能力，這也許更重要。感謝母校在學習上、生活上給我的幫助，在這里有誨人不倦的老師，是他們引導我在知識的海洋里徜徉；在這里有著積極上進、勤奮好學的同學，與他們一道，我們演繹出了大學的精彩和美好。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過 程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。29 膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿 蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。使我在各方面取得顯著的進步。在這過程中得到了我的指導老師 趙靜老師 的悉心指導。主調(diào)節(jié)器的輸出能按照負荷和操作條件 的變化而變化，從而不斷改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使副回路調(diào)節(jié)器的給定值適應負荷并隨操作條件而變化，畢業(yè)設計論文 24 即具有一定的自適應能力。 串級控制系統(tǒng)的仿真 無調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng) 對系統(tǒng)只加了串級，不加調(diào)節(jié)模塊的系統(tǒng)框圖如下 圖 411 無調(diào)節(jié)模塊的串級系統(tǒng)框圖 畢業(yè)設計論文 22 對其進行仿真，如下： 圖 412 串級無矯正 MATLAB 仿真階躍響應曲線波形圖 加入調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng) 對上面系統(tǒng)加入調(diào)節(jié)模塊后的系統(tǒng)框圖 圖 413 串級控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖 系統(tǒng)的階躍響應如下圖所示： 參 數(shù)： K1=12， Ti=， TD=， K2=12 畢業(yè)設計論文 23 圖 414 串級 MATLAB 仿真階躍響應曲線波形圖 得出：調(diào)節(jié)時間 ts =7s，超調(diào)量σ %=3%, 靜態(tài)誤差 ess =0 可見，各項技術指標均達到要求。 畢業(yè)設計論文 16 第四章 控制系統(tǒng)的仿真 單回路控制系統(tǒng)的仿真 不加串級控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真框圖如下： 圖 41 單回路 MATLAB 仿真框圖 先對控制對象進行 PID 參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為 10： 1。此法雖然比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次 10:1 衰減曲線法的實測。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 P 調(diào)節(jié)規(guī)律。當負荷或操作條件發(fā)生變化時，主調(diào)節(jié)器能夠適應這一變化，及時改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。所以，在串級控制系統(tǒng)中，主變量的選擇原則與簡單控制系統(tǒng)中介紹的被控變童選擇原則是一 樣的。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），畢業(yè)設計論文 13 是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 (5) 數(shù)字變 PID 控制 對于波動范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的 PID 控制效果往往不能滿足控制的要求。從根本上說，這仍然是根據(jù)過程響應來整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足 一定的性能指標。此 方法簡單易行，但參數(shù)需要進一步調(diào)整，一般用于手工計算和設置控制器初值。該方法需要做穩(wěn)定邊界實驗，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)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。當對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整 PID 參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果。上述流程中由于只有一個水槽，且輸出參數(shù)為液位，所以稱 為單容液位對象。如果模型與實際較吻合，則要對計算結(jié)果給出其實際含義，并進行解釋。數(shù)學建模是聯(lián)系數(shù)學與實際問題的 橋梁，是數(shù)學在各個領域廣泛應用的媒介，是數(shù)學科學技術轉(zhuǎn)化的主要途徑，數(shù)學建模在科學技術發(fā)展中的重要作用越來越受到數(shù)學界和工程界的普遍重視，它已成為現(xiàn)代科技工作者必備的重要能力。數(shù)學模型一般并非現(xiàn)實問題的直接翻版，它的建立常常既需要人們對現(xiàn)實問題深入細微的觀察和分析，又需要人們靈活巧妙地利用各種數(shù)學知識。液位控制一般指對某控制對象的液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。 液位控制的前景 在構建液位控制系統(tǒng)的過程中，我們得知實際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調(diào)整及改良便是我們?nèi)蘸笏氐囊c。 近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 目 前在實際生產(chǎn)中應用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的 PID 控制算法為主。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數(shù)進行 控制的復雜性，或者控制起來相當困難，因此形成了過程控制的下列特點： 1)對象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設備內(nèi)進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向