【正文】 畢業(yè)設(shè)計( 論文) 正文題 目 基于 MATLAB的串級 PID控制系統(tǒng)專 業(yè) 機電一體化工程班 級 機電 0811 班姓 名 姜鵬學(xué) 號 08862095指導(dǎo)教師職 稱2022 年 4 月 20 日摘 要本文是用 MATLAB 編制算法程序的串級 PID 去實現(xiàn)對上下水箱的液位控制。其中控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。比如人就是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。目錄第一章 緒論 .......................................................................1 串級 PID 控制的研究現(xiàn)狀及意義 .................................................1 串級 PID 控制的主要作用 .......................................................1 用 MATLAB 進(jìn)行 PID 控制的優(yōu)點 ..................................................1第二章 硬件的設(shè)計 .................................................................2 系統(tǒng)的分析與設(shè)計方案 .........................................................2 PID 控制器特點及其選擇 .......................................................2 PID 控制器 ...............................................................3 模糊控制（FPID） ........................................................6 串級 PID 控制器 ..........................................................6 串級 PID 的選擇 ...............................................................7 液位系統(tǒng) .....................................................................7 控制系統(tǒng)建模 .................................................................8 水箱液位的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 ...................................................8 液位系統(tǒng)的硬件選型 ..........................................................11第三章 軟件設(shè)計 ..................................................................13 MATLAB 軟件 .................................................................13 MATLAB 的主要特點 .......................................................13 新增功能 .....................................................13 軟件流程圖 ..................................................................14 PID 指令的調(diào)用 ..............................................................14 MATLAB 程序設(shè)計 .............................................................15 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 仿真 ................................................16 MATLAB 軟件操作界面總圖 .................................................16 SIMULINK 仿真 ...........................................................17第四章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 ..........................................................25 參數(shù)的整定 ...............................................................25 MATLAB 的調(diào)試過程 ...........................................................26 安裝 的空間要求 ................................................26 MATLAB 輸出途徑 .........................................................26 程序的調(diào)試 ........................................................26第五章 總結(jié)與展望 ................................................................28第六章 參考文獻(xiàn) ..................................................................29第一章 緒論 串級 PID 控制的研究現(xiàn)狀及意義目前，控制及其控制器或智能控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中 PID 控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。因此，串級控制系統(tǒng)能夠迅速克服進(jìn)入副環(huán)擾動的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小，從而是液位快速的回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。故采用串級控制方案，其控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。由于比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為: （23）式中 TD為微分時間。只有存在偏差 e(t)時，它的積分才會為一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增大的常數(shù)。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。推理過程模仿人的思維過程。2. 串級控制系統(tǒng)可以串級控制、主控和副控等多種控制方式，主控方式是切除副回路，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控方式是切除主回路，以副被控變量作為被控變量的單回路控制。 液位系統(tǒng)CC水泵儲水箱手動伐下水箱上水箱手動伐液位傳感器P I D 1P I D 2液位傳感器L T 1L T 2電動調(diào)節(jié)閥 液位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖此系統(tǒng)由控制器、電動調(diào)節(jié)閥、水泵、上水箱、下水箱、儲水箱和液位變送器模塊等組成。液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是通過電動調(diào)節(jié)閥的開度大小來控制水箱的液位。是取決于電動調(diào)節(jié)閥的閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；k1 是與負(fù)載閥門開度有關(guān)的系數(shù)，在負(fù)載閥門開度固定不變的情況下，k1 看作是一個常數(shù)。它能自動平衡性，即當(dāng)原有的物料平衡被打破時隨著被控制量液位的變化，在通過改變 MATLAB 算法軟件的程序下的參數(shù) e(t) （控制器輸入信號） 、u(t) （控制器輸出信號） 、K p（控制器放大系數(shù)） 、T i（控制器積分時間常數(shù)） 、T d（控制器微分時間常數(shù)） ；其會減小不平衡量，最后自動地穩(wěn)定在新的平衡位置點上。 MATLAB 的主要特點1. 運算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高，MATLAB 除了提供和 C語言一樣的運算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運算符。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如優(yōu)化工具箱、統(tǒng)計工具箱、控制工具箱、小波工具箱、圖象處理工具箱、通信工具箱等。3. 在圖視系統(tǒng)上， 高層繪圖指令的排版能力、讀寫圖象文件能力、低層指令結(jié)構(gòu)的改變和能力都得到明顯的增強。 MATLAB 程序設(shè)計編制基于 MATLAB 的串級控制 PID 算法程序，并將該程序文件命名為pidc*.m,并存放在 c:\MATLABR11\work\pro 路徑下，如：function [u,s,e0]=pidc*(v,s,e0,u0)kp1=。e0(3)=E1。 e0(5)=e0(6)。 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 仿真自動控制仿真方法有很多種，如可編程控制器的控制系統(tǒng)（PLC）是通過用MCGS 組態(tài)軟件實現(xiàn)仿真。系統(tǒng)的主界面設(shè)計框圖，如圖 所示。PID 與個 Transer F 組成主回路，然后 PID 跟 Transer F 1 組成系統(tǒng)中的副回路，液位傳感器分別由Scope、Scope1（示波器）導(dǎo)出信號。如圖 所示。如圖 所示。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。據(jù)此，按下表所列出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定 PID調(diào)節(jié)器的三個參數(shù) δ、Ti 和 Td 。程序運行時的錯誤是指程序的運行結(jié)果有錯誤，這類錯誤也誤稱為程序的運行結(jié)果有錯誤，這類錯誤也稱為程序邏輯錯誤。Stop If Warning: 運行至警告消息或結(jié)束。當(dāng) MATLAB 工作空