【正文】 ...................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(shí)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(shí)現(xiàn)。 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。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)過程對自動控制要求日益提高，單回路 PID 控制雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好等特點(diǎn)；但系統(tǒng)往往已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，尤其是在復(fù)雜的過程控制工業(yè)中顯得無能為力。 串級 PID 控制的主要作用串級 PID 控制在回路系統(tǒng)上增加了一個副回路，故使性能得到改善；首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過副回路的定值作用及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副回路被控變量回復(fù)到副設(shè)定值，從而使擾動對主被控變量的影響減少。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)。從而方便觀察。第二章 硬件的設(shè)計本課題要求設(shè)計一個 MATLAB 算法軟件編制的串級 PID 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)框圖如圖 所示；液位傳感器將檢測到的上下水箱液位信號通過單片機(jī)通訊接口傳送到計算機(jī)，使其與 PID 系統(tǒng)設(shè)定值比較，上位計算機(jī)調(diào)用 MATLAB 的 PID 算法程序，對偏差實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過與單片機(jī)的通訊接口，輸出去控制水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整上下水箱的進(jìn)水量，達(dá)到控制液位的目的，最終實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。因而系統(tǒng)不宜采用單級 PID 控制。故采用串級控制方案，其控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。其中應(yīng)用最為廣泛的是 PID 控制器，也稱 PID 調(diào)節(jié)器。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。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、微分計算出控制量進(jìn)行控制。由于比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。其傳遞函數(shù)為: （2()1CSPGK??1） 式中 Kp 為比例系數(shù)， 為比例帶。 ，這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。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)閥動作向兩端飽和。PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為: （23）式中 TD為微分時間。它由比例（P） 、積分（I） 、微分（D）三個環(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 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，對被控制對象進(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，一般為輸入信號與反饋信號之差；u(t)——控制器輸出信號，一般為給予受控對象的控制信號；Kp——控制器放大系數(shù)；Ti——控制器積分時間常數(shù)；Td——控制器微分時間常數(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成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。K p越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 Kp值不能取過大；如果 Kp取值較小則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，是系統(tǒng)、動靜特性邊壞。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)定時對設(shè)定值的靜差跟蹤。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)。積分時間常數(shù) Ti對積分部分的作用影響極大。3）微分部分微分作用的引入主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)的速度。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)弱由微分時間常數(shù) Td決定。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響。pd為了避免在求取控制量時對偏差求和運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用增量式，如式（） 。模糊控制的突出特點(diǎn)在于：1. 控制系統(tǒng)的設(shè)計不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù)。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” 。推理過程模仿人的思維過程。 串級 PID 控制是一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，本課題的串級 PID 控制器是由兩個 PID 串聯(lián)連接組成，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值，每一個回路中都有一個屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。串級控制回路系統(tǒng)增加了一個副回路，使性能得到改善，表現(xiàn)在以下幾個方面：1. 能迅速克服進(jìn)入副回路擾動的影響。即副環(huán)回復(fù)對擾動進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路對擾動進(jìn)行細(xì)調(diào)。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。雖然在精度高方面不如 FPID。因此本課題選用串級 PID 控制器。正確合理地設(shè)計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點(diǎn)。 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?？刂破鞯妮敵隽坑糜诳刂齐妱诱{(diào)節(jié)閥的開度。此外要求在有干擾的情況下能快速地回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時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。液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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。下面介紹其具體的方法。 H 1 H 2Q iμQ o 1Q o 2調(diào)節(jié)閥負(fù)載閥μ 1負(fù)載閥 1圖 水箱液位的動態(tài)數(shù)學(xué)模型水箱結(jié)構(gòu)如圖 ，先看水箱 1，水不斷流入水箱內(nèi)，同時也有水不斷由水箱中流出。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。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)。非線性項 展開成泰勒級數(shù)為：??1t??01101 01HdH????? ??012 201!Hd?略去高于一次小增量 的項，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，為簡單計算，常略去增量符號，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， ， 。它為有自平衡性的對象，即當(dāng)原有的物料平衡被打破時隨著被控變量液位的變化，其不平衡量會越來越小，最后能自動地穩(wěn)定在新的平衡點(diǎn)上。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。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