【正文】 此外，我還要感謝在我撰寫設(shè)計(jì)過程中關(guān)心和幫助過我的同學(xué)和老師們，感謝他們給我提供的大量的資料和許多很好的意見。第五章 總結(jié)與展望 本文是一個(gè)應(yīng)用型的研究設(shè)計(jì)，其目的是通過用 MATLAB 算法編制的串級(jí) PID 去控制上下水箱的液位，使液位在有擾動(dòng)的時(shí)候可以自我達(dá)到預(yù)定的高度，實(shí)現(xiàn)液位的自平衡。4. 利用 echo 命令，使運(yùn)行時(shí)在屏幕上逐行顯示文件內(nèi)容：echo on 能顯示 M腳本文件；echo FunName on 能顯示 FunName 的 M 函數(shù)文件。調(diào)試過程1. 去掉文件中所選擇的行的分號(hào)，以便中間結(jié)果顯示在命令窗口中。Clear All Breakpoints: 清除程序中的所有斷點(diǎn)。Single Step:單步執(zhí)行函數(shù)。 MATLAB 輸出途徑 MATLAB 的控制途徑是用 PC 機(jī)操作 MATLAB 環(huán)境下 SIMULINK 仿真界面，然后通過 PC 機(jī)通訊接口 COM1 和現(xiàn)場(chǎng)液位系統(tǒng)的 RS232 接口來完成的。若要獲得更滿意的動(dòng)態(tài)過程，則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì) δ、Ti（或 Td）作適當(dāng)調(diào)整。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào)節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)等幅振蕩。臨界比例度法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡單易行。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。2 0 04 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 0 1 6 0 01 8 0 02 0 0 0002 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0圖 控制的液位串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)被控制對(duì)象的傳遞函數(shù)將變化為 （3()??2）控制器的控制參數(shù)保持不變。它主要將通過傳感器將輸出 的信號(hào)，然后進(jìn)行對(duì)比得出偏差，跟系統(tǒng)設(shè)定值比較，達(dá)到液位自動(dòng)調(diào)整。Scope1 作用把采集的信號(hào)及時(shí)反饋回 To Workpace。組成一個(gè)完整的 PID 模型的 SIMULINK 仿真模塊。開始仿真。PID 控制器的數(shù)學(xué)模型為： 01()()[()()]tp detutKetetTTi????（31）式中，e(t)——控制器輸入信號(hào)，一般為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差；u(t)——控制器輸出信號(hào)，一般為給予受控對(duì)象的控制信號(hào)；Kp——控制器放大系數(shù)；Ti——控制器積分時(shí)間常數(shù)；Td——控制器微分時(shí)間常數(shù)根據(jù) PID 的數(shù)學(xué)模型和圖 串級(jí) PID 控制系統(tǒng)原理圖在圖 所示的操作里面尋找相應(yīng)的仿真模塊并建立系統(tǒng)的 SIMULINK 仿真模塊界面。圖 用 MATLAB 軟件編程3. 系統(tǒng)的 SIMULINK 仿真點(diǎn)擊圖 ?左邊的圖標(biāo)開始進(jìn)入 SIMULINK 界面。能快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，提供解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，另外利用其完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 仿真是當(dāng)前眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一個(gè)用于系統(tǒng)建模、仿真和分析的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境工具。4）輸入變量 u0 是含 2 個(gè)元素的向量，其中 u0（1）是表示前一周期 PID2 的輸出控制量，u0（2）表示本周期 PID2 的輸出控制量。 elseif u(1)102 u(1)=102。u(2)=u0(2)+kp2*[e0(6)e0(5)]+kp2*t/ti2*e0(6)+kp2*td2/t*[e0(6)2*e0(5)+e0(4)]。 e0(1)=e0(2)。ti2=2。ti1=2。并存c:\MATLABR11\work\pro 路徑下。開始主程序子程序 1 子程序 2回路表 P I D 1和 P I D 2 的輸入2 0 0 m s 信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換成工程量然后送至 P I D 回路表輸入值單元 , 經(jīng) P I D 處理后輸出圖 軟件控制流程圖本程序的主要任務(wù)是通過對(duì) PID 回路表的參數(shù)的獲取來完成水箱液位信號(hào)的采集和處理。一個(gè)指令可以接受任意多個(gè)輸入宗量，可以產(chǎn)生任意多個(gè)輸出宗量，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需要。除內(nèi)部函數(shù)外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可修改源文件和加入自己的文件，它們可以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用。工具箱可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。2. 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如 for 循環(huán)、while 循環(huán)、break 語句、if 語句和 switch 語句） ，又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦?。MATLAB 是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。 液位系統(tǒng)的硬件選型本課題中的有關(guān)液位系統(tǒng)部分直接采用了現(xiàn)有教學(xué)儀器。從圖 24 可得出下水箱的物料平衡方程： （2221212oodHAQkHt??????17）式中 A2 為下水箱的底面積，H2 為下水箱的液位高度，k2 為負(fù)載閥 1 流量特性參數(shù)； ， ， 分別為偏離某一平衡狀態(tài) Q0Q 0H 02的增量，H 2為下1o?2o水箱液位高度。非線性項(xiàng) 展開成泰勒級(jí)數(shù)為：??1t??01101 01HdH????? ??012 201!Hd?略去高于一次小增量 的項(xiàng)，有：??????? （201101 01012HHdH? ???????11）則式 29 可得： （2?? ??01101 01012iidHkHQtAA???????????????12）由于 ，??010111dddHtttt????在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)流入水箱的流量與流出水箱的流量是相等的，即： 01001ioQkH所以由 211 式可得： （21012idHkQtA??????A13）而 iQK??所以 （21012KdHktA????????A14）在實(shí)際使用中，為簡單計(jì)算，常略去增量符號(hào)，即： （2??????1 1012KdHtkHttAA???15）可以看出，此式是最常見的一階微分方程，將其變?yōu)閭鬟f函數(shù)為（216）式中， ， 。被控量為液位高度 H1 它反映水的流入和流出量之間的平衡關(guān)系。下面介紹其具體的方法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)能在控制器的作用下迅速恢復(fù)到系統(tǒng)原來所要求的液位值?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂齐妱?dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。正確合理地設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點(diǎn)。雖然在精度高方面不如 FPID。即副環(huán)回復(fù)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。 串級(jí) PID 控制是一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，本課題的串級(jí) PID 控制器是由兩個(gè) PID 串聯(lián)連接組成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，每一個(gè)回路中都有一個(gè)屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象。3. 以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于形成專家的“知識(shí)” 。pd為了避免在求取控制量時(shí)對(duì)偏差求和運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用增量式，如式（） 。微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式： ()detT從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù) Td決定。積分時(shí)間常數(shù) Ti對(duì)積分部分的作用影響極大。2）積分部分 積分作用的引入主要是為了保證被控制量在穩(wěn)定時(shí)對(duì)設(shè)定值的靜差跟蹤。它由比例（P） 、積分（I） 、微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)組成，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成的偏差信號(hào) e(t)，并將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： （201()()[()()]tp detutKetetTTi????4）式中，e(t)——控制器輸入信號(hào)，一般為輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差；u(t)——控制器輸出信號(hào)，一般為給予受控對(duì)象的控制信號(hào)；Kp——控制器放大系數(shù)；Ti——控制器積分時(shí)間常數(shù)；Td——控制器微分時(shí)間常數(shù)；簡單來說，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的主要控制作用如下：1）比例部分 比例作用的引入是為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢(shì)變化。微分（PD）控制此調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動(dòng)態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分抗干擾能力較差，且微分過大，易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。其傳遞函數(shù)為: （2()1CSPGK??1） 式中 Kp 為比例系數(shù)， 為比例帶。PID控制包括 PI 和 PD 控制，它的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。其中應(yīng)用最為廣泛的是 PID 控制器，也稱 PID 調(diào)節(jié)器。因而系統(tǒng)不宜采用單級(jí) PID 控制。從而方便觀察。 串級(jí) PID 控制的主要作用串級(jí) PID 控制在回路系統(tǒng)上增加了一個(gè)副回路，故使性能得到改善；首先，副被控變量檢測(cè)到擾動(dòng)的影響，并通過副回路的定值作用及時(shí)調(diào)節(jié)操縱變量，使副回路被控變量回復(fù)到副設(shè)定值，從而使擾動(dòng)對(duì)主被控變量的影響減少。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn) PID 控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與 ControlNet 相連，如 Rockwell 的 PLC5 等。由于 PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好等特點(diǎn)；是目前過程控制中使用最廣泛的調(diào)節(jié)方式；在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。另外，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋