【正文】 分時(shí)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(diǎn)上。 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。表 硬件型號選擇表??0220222dHddtttt????硬件名稱 型號 說明電機(jī) JW5652 功率：180W，轉(zhuǎn)速：2800rpm水泵 16CQ8 轉(zhuǎn)速：2800rpm，功率：，流量：30L/min壓力傳感器 LS2188G2KG214C1A 電壓：24VDC，輸出信號：5V電動調(diào)節(jié)閥 JLQ941F 輸入信號：420mA 或者 15VDC第三章 軟件設(shè)計(jì) MATLAB 軟件MATLAB 是由美國 MathWorks 公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境，除了具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB 是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。 MATLAB 的主要特點(diǎn)1. 運(yùn)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(yùn)算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符。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?。它既包括對二維和三維數(shù)據(jù)可視化、圖像處理、動畫制作等高層次的繪圖命令，也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的、低層次的繪圖命令。工具箱可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如優(yōu)化工具箱、統(tǒng)計(jì)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。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?？刂屏餍略隽硕喾种ЫY(jié)構(gòu) switchcase 、 trycatch 結(jié)構(gòu)和警告提示指令 error 、 warning。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)不同場合的需要。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(qiáng)。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 PID 回路表的參數(shù)的獲取來完成水箱液位信號的采集和處理。 PID 指令的調(diào)用1．回路輸入量的轉(zhuǎn)換及 M 文件建立給定值和過程變量都是實(shí)際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同，用MATLAB 軟件編制算法去控制 PID 回路時(shí)，要把實(shí)際測量輸入量、設(shè)定值和回路表中的其他輸入?yún)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用程序把它們轉(zhuǎn)化為 MATLAB 能夠識別和處理的數(shù)據(jù)，也即把它們轉(zhuǎn)化為雙精度數(shù)組、字符串?dāng)?shù)組、元胞數(shù)組、構(gòu)架數(shù)組、稀疏矩陣和 unit8 數(shù)據(jù)的其中的一種格式。并存c:\MATLABR11\work\pro 路徑下。 MATLAB 程序設(shè)計(jì)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=。ti1=2。kp2=。ti2=2。e0(3)=E1。 e0(1)=e0(2)。% pid2 algorithm E2=u(1)v(1)。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(5)=e0(6)。 elseif u(1)102 u(1)=102。2）輸入變量是 s 含 3 個(gè)元素的向量，其中 s（3）表示被控制對象的設(shè)定值，這里指下水箱液位的設(shè)定值，s（1） 、s（2）備用。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。 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(shí)現(xiàn)仿真。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、仿真和分析的動態(tài)仿真環(huán)境工具。故本課題選擇用 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 仿真軟件來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。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，另外利用其完成現(xiàn)場數(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、動畫顯示、趨勢曲線和報(bào)表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)框圖，如圖 所示。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。 系統(tǒng)的建摸仿真界面5. 串級 PID 液位系統(tǒng)仿真模型界面。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，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(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 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。PID 與個(gè) 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。開始仿真。第一步，先設(shè)計(jì)一個(gè) PID 模型的 SIMULINK 仿真模塊，如圖 所示。組成一個(gè)完整的 PID 模型的 SIMULINK 仿真模塊。如圖 所示。Scope1 作用把采集的信號及時(shí)反饋回 To Workpace。如圖 所示。它主要將通過傳感器將輸出 的信號，然后進(jìn)行對比得出偏差，跟系統(tǒng)設(shè)定值比較，達(dá)到液位自動調(diào)整。如圖 所示。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 控制的液位串級控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)被控制對象的傳遞函數(shù)將變化為 （3()??2）控制器的控制參數(shù)保持不變。7. 從上述仿真過程可以看出，當(dāng)水箱的模型變化時(shí)，通過經(jīng)驗(yàn)法調(diào)試得出串級 PID 的各個(gè)參數(shù)，事實(shí)證明基于 MATLAB 的串級 PID 控制系統(tǒng)系統(tǒng)由于在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，所以能使液位值能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快地穩(wěn)定在系統(tǒng)所給定的液位值上。達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。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(shí)間和微分時(shí)間的大小。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)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。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。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(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。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象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場整定、簡單易行。逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度δ，并且每當(dāng)減小一次比例度 δ，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個(gè) 5%~15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。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。據(jù)此，按下表所列出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定 PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù) δ、Ti 和 Td 。若要獲得更滿意的動態(tài)過程，則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對 δ、Ti（或 Td）作適當(dāng)調(diào)整。 安裝 的空間要求硬件要求：Intel 486, Pentium, Pentium Pro or Pentium II 以上；內(nèi)存24M 以上；Windows 支持的顯卡。 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)場液位系統(tǒng)的 RS232 接口來完成的。程序運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤是指程序的運(yùn)行結(jié)果有錯(cuò)誤，這類錯(cuò)誤也誤稱為程序的運(yùn)行結(jié)果有錯(cuò)誤，這類錯(cuò)誤也稱為程序邏輯錯(cuò)誤。Single Step:單步執(zhí)行函數(shù)。Quit Debugging:退出調(diào)試狀態(tài)。Clear All Breakpoints: 清除程序中的所有斷點(diǎn)。Stop If Warning: 運(yùn)行至警告消息或結(jié)束。調(diào)試過程1. 去掉文件中所選擇的行的分號，以便中間結(jié)果顯示在命令窗口中。3. 把 keyboard 命令放在文件中所選擇的地方，給鍵盤暫時(shí)控制權(quán)。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。當(dāng) MATLAB 工作空間。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 PID 去控制上下水箱的液位，使液位在有擾動的時(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。在做本設(shè)計(jì)時(shí)，也是在對我大學(xué)四年所學(xué)的知識的補(bǔ)充和溫習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我更多的學(xué)習(xí)機(jī)會和方法，使我對所學(xué)的知識能更好地與實(shí)際生活相聯(lián)系，對我以后的工作更是起到了很好的作用。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