【文章內(nèi)容簡介】 于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink已被廣泛應(yīng)用 于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同精品資料 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。 （ 1） Simulink的功能： Simulink是 MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于 MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的二個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI)，這 個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)， Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。 構(gòu)架在 Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。 Simulink 與 MATLAB 緊密集成，可以直接訪問 MATLAB 大量的工具來進(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)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 （ 2） Simulink的特點(diǎn)： 。 ，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理。 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。 API用于與其他仿真程序的連接或與手寫 代碼集成。 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用 MATLAB算法。 ，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯 C代碼的形式來運(yùn)行模型。 ，診斷設(shè)計的性能和異常行為 [1]。 精品資料 3 PID控制簡介及其整定方法 PID控制簡介 PID控制原理 當(dāng)今的自動控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤 差來糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。 在過去的十幾年里， PID 控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級控制都是以 PID控制為基礎(chǔ)的。 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理如圖 。這是一個典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由 PID控制器和被控對象組成。 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) 精品資料 PID控制算法 典型的 PID 模擬控制系統(tǒng)如圖 。圖中 sp(t)是給定值， pv(t)為反饋量， c(t)為系統(tǒng)輸出量， PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為： 01() tcDIdeM t K e e d t T M in iti a lT d t??? ? ? ?????? （ ） 即輸出 =比例項 +積分項 +微分項 +輸出初始值， Kc 是 PID回路的增益， TI和 TD分別是積分時間和微分時間 常數(shù)。 式中等號右邊前 3項分別是比例、積分、微分部分，他們分別與誤差、誤差的積分和微分呈正比。如果取其中的一項或這兩項，可以組成 P、 PD、或 PI控制器。需要較好的動態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用 PI控制方式控制對象的慣性滯后較大時，應(yīng)選擇 PID控制方式。圖 0突變到 1時，在比例（ P）作用、比例積分（ PI）作用和比例積分微分（ PID）作用下，被調(diào)量 T(s)變化的過度過程?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速的使 T(s)達(dá)到設(shè)定值 1。比例積分作用則需要稍長時間。比例作用最終達(dá)不 到設(shè)定值，而有余差。 圖 模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng) 圖 P、 PI、 PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 PID調(diào)節(jié)器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對象 sp(t) 測量元件 pv(t) c(t) e(t) M(t) 精品資料 為了方便計算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID控制算式，必須把微分方程式（ ）改寫成差分，作如下近似，即 0 0 ()ntjedt Te j???? （ ） ( ) ( 1)d e e n e nd t T??? （ ） 其中 T為控制周期， n為控制周期序號（ n=0， 1， 2）， e(n1)和 e(n)分別為第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。將式（ ）和（ ）代入式（ ）中可得差分方程 ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n DI jTTM n K c e n e j e n e n M in it ia l???? ? ? ? ? ?????? （ ） 其中 M(n)為第 n時刻的控制量。如果控制周期 T與被控對象時間常數(shù) TD比較是相對小的，那么這種近似合理的，并與連續(xù)控制十分接近。 位置型算法 系統(tǒng)中 的電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的，任何輸出控制量 M 都對應(yīng)于調(diào)節(jié)閥的位置。由式（ ）可知，數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)也和閥門位置對應(yīng)，所以式（ ）即是位置型算式。 數(shù)字 PID控制器的輸出控制量 M(n)送給 D/A轉(zhuǎn)換器，他首先將 M(n)保存起來，再把 M(n)轉(zhuǎn)換成模擬量（ 4~20mADC） ,然后作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直到下一個控制時刻到來為止，因此 D/A轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能。 因?yàn)橛嬎銠C(jī)實(shí)現(xiàn)位置型算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠?e(j)，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程，為此改進(jìn)式（ ）。 增量型算法 第 (n1)時刻控制量 M(n1),即 ? ?10( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )n DI jTTM n K c e n e j e n e n M in it ia l????? ? ? ? ? ? ? ?????? （ ） 將式 ()減式 ()得 n時刻控制量的增量 ()Mn? 為 精品資料 ? ?( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )DITTM n K c e n e n e n e n e n e n M in iti a l??? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )IDKc e n e n K e n K e n e n e n M in itia l? ? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 其中 1cK ?? ICITKKT? DDCTKKT? KC：比例增益， KI：積分系數(shù)， KD：微分系數(shù) 式 ()中的 ?M(n)對應(yīng)于第 n時刻閥門位置的增量，故稱此式為增量型算式。因此第 n時刻的實(shí)際控制量為 ( ) ( 1 ) ( )M n M n M n? ? ? ? （ ） 其中 M（ n1） 為第 （ n1） 時刻的控制量。 計算 ?M(n)和 M(n)要用到第 (n1)， (n2)時刻的歷史數(shù)據(jù) e(n1),e(n2)和 M(n1),這三個歷史數(shù)據(jù)也已在前時刻存于內(nèi)存儲器中。采用平移法保存這些數(shù)據(jù)。采用增量型算式計算 M(n)的優(yōu)點(diǎn)是：編程簡單，歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲單元少，運(yùn)算速度快。 PID 調(diào)節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過程 水箱液位控制系統(tǒng)的目前主要采用 PID(比例積分微分 )控制方式，這種方式，對不同的控制對象要用不同的 PID參數(shù)。 比例控制與其調(diào)節(jié)過程 比例作用實(shí)際上是一種線性放大 (縮小 )功能。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動下調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差。采樣偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用，使被調(diào)量朝誤差減小方向變化，其作用大小通過比例增益度量，比例增益大時響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，但會產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定，而 Kc 過小會使響應(yīng)速度緩慢。調(diào)節(jié)時間加長，調(diào)節(jié)精 度降低。 精品資料 在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號 u(n)與偏差信號 e成比例，比例系數(shù)為 Kc，稱為比例增益。在過程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系，即 1M=e? （ ） δ稱為比例帶。δ具有重要的物理意義。如果 M直接代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量 , 那么δ就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變 100％即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。根據(jù) P調(diào)節(jié) 器的的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。 比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方而考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。 δ 很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時間也很長；減小 δ 就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。 δ 有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界 的情況，進(jìn)一步減小 δ 系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。 δ 的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定。 比例積分調(diào)節(jié) 積分作用則是一種記憶，對誤差進(jìn)行累積，有利于消除靜差。但積分作用如果太強(qiáng)，會引起較大超調(diào)或振蕩，且在實(shí)際當(dāng)中會經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象在 I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。 I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無差調(diào)節(jié)，與 P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對比。只有當(dāng)偏差 e為零時， I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值上。這意味著被控對象在負(fù)荷擾動下的調(diào)節(jié)過程后，被調(diào)量沒有殘差，而調(diào)節(jié)閥可以停在新的負(fù)荷所要求的開度 上。 PI調(diào)節(jié)就是綜合 P、 I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用 P調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時利用 I調(diào)節(jié)消除余差。 PI調(diào)節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率， PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)加大。所以 PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶不變的情況下，減小積分時間，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇，調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。 精品資料 比例積分微分調(diào)節(jié) 微分作用上要是用于產(chǎn)生提前的控制作用，改善動態(tài)特性，減小調(diào)整時間，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。以上的比例調(diào)節(jié)和積 分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。不管被控對象中流入流出量之間有多大的不平衡。而這個不平衡決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。 由于被調(diào)量的變化速度 (包括大小和方向 )可以反映當(dāng)時或稍前一些時間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開始動作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動作稱為微分調(diào)節(jié)。單純微分的調(diào)節(jié)器是不能工作的，這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū)，如果被控對象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺的速度緩慢變化時，調(diào)節(jié)器并不會動作。當(dāng)時間經(jīng)過相當(dāng)長的時間后，被調(diào)量偏移卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。 這種情況是不被容許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成 PD和 PI調(diào)節(jié)動作 [2]。 串級控制 在大多數(shù)情況下，單回路控制系統(tǒng)能夠滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。但是在有些情況下，例如有些被控過程的動態(tài)特性決定了它很難控制，又例如有些工藝過程對控制質(zhì)量的要求很高，此時單回路控制系統(tǒng)就滿足不了要求，需要開發(fā)和運(yùn)用新的控制系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高控制量。 對于過程控制系統(tǒng)裝置，雙級水箱液位控制比單級水箱液位控制困難，會遇到許多的問題，滯后時間比較長，對于環(huán)境的變化多少會受一定的影響，如想要好的 控制效果就要引入新的控制系統(tǒng)，運(yùn)用單回路控制系統(tǒng)來控制是不能達(dá)到控制精度和要求。串級控制系統(tǒng)、前饋補(bǔ)償控制、大時延預(yù)估控制等