双容水箱pid液位控制系统的仿真本科生毕业设计(编辑修改稿)

双容水箱pid液位控制系统的仿真本科生毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。 针对过程控制系统的非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及 MATLAB的可 实现动态建模、仿真与分析等优点，采用 MATLAB 的 Toolbox与 Simulink仿真工具，为过程控制系统设计与参数整定的计算和仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink已被广泛应用 于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同本科生 毕业设计 第 6页 时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。 （ 1） Simulink的功能： Simulink是 MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于 MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的二个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 为了创建动态系统模型， Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI)，这 个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。 对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统， Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在 Simulink基础之上的其他产品扩展了 Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。 Simulink 与 MATLAB 紧密集成，可以直接访问 MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 （ 2） Simulink的特点：。 ，实现对复杂设计的管理。 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 API用于与其他仿真程序的连接或与手写 代码集成。 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 MATLAB算法。 ，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译 C代码的形式来运行模型。 ，诊断设计的性能和异常行为 [1]。 本科生 毕业设计 第 7页 3 PID控制简介及其整定方法 PID控制简介 PID控制原理 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。 反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。 测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误 差来纠正和调节控制系统的响应。 反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。 在过去的十几年里， PID 控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。 在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID结构，而且许多高级控制都是以 PID控制为基础的。 常规 PID控制系统原理如图。 这是一个典型的单位负反馈控制系统，它由 PID控制器和被控对象组成。 图 PID控制系统原理图 PID控制器是一种线性控制 器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 e(t)构成 偏差 e(t)=r(t)c(t) 本科生 毕业设计 第 8页 PID控制算法 典型的 PID 模拟控制系统如图。 图中 sp(t)是给定值， pv(t)为反馈量， c(t)为系统输出量， PID 控制器的输入输出关系式为： 01() tcDIdeM t K e e d t T M i n i t i a lT d t    （ ） 即输出 =比例项 +积分项 +微分项 +输出初始值， Kc 是 PID回路的增益， TI和 TD分别是积分时间和微分时间 常数。 式中等号右边前 3项分别是比例、积分、微分部分，他们分别与误差、误差的积分和微分呈正比。 如果取其中的一项或这两项，可以组成 P、 PD、或 PI控制器。 需要较好的动态品质和较高的稳态精度时，可以选用 PI控制方式控制对象的惯性滞后较大时，应选择 PID控制方式。 图 0突变到 1时，在比例（ P）作用、比例积分（ PI）作用和比例积分微分（ PID）作用下，被调量 T(s)变化的过度过程。 可以看出比例积分微分作用效果为最佳，能迅速的使 T(s)达到设定值 1。 比例积分作用则需要稍长时间。 比例作用最终达不 到设定值，而有余差。 图 模拟量闭环控制系统 图 P、 PI、 PID调节的阶跃响应曲线 PID调节器 执行机构 被控对象 sp(t) 测量元件 pv(t) c(t) e(t) M(t) 本科生 毕业设计 第 9页 为了方便计算机实现 PID控制算式，必须把微分方程式（ ）改写成差分，作如下近似，即 0 0 ()ntjedt Te j （ ） ( ) ( 1)d e e n e nd t T （ ） 其中 T为控制周期， n为控制周期序号（ n=0， 1， 2）， e(n1)和 e(n)分别为第 (n1)和第 n控制周期所得的偏差。 将式（ ）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)为第 n时刻的控制量。 如果控制周期 T与被控对象时间常数 TD比较是相对小的，那么这种近似合理的，并与连续控制十分接近。 位置型算法 系统中 的电动调节阀的调节动作是连续的，任何输出控制量 M 都对应于调节阀的位置。 由式（ ）可知，数字 PID控制器的输出控制量 M(n)也和阀门位置对应，所以式（ ）即是位置型算式。 数字 PID控制器的输出控制量 M(n)送给 D/A转换器，他首先将 M(n)保存起来，再把 M(n)转换成模拟量（ 4~20mADC） ,然后作用于执行机构，直到下一个控制时刻到来为止，因此 D/A转换器具有零阶保持器的功能。 因为计算机实现位置型算式不够方便，这是因为要累加偏差 e(j)，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编程，为此改进式（ ）。 增量型算法 第 (n1)时刻控制量 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        （ ） 将式 ()减式 ()得 n时刻控制量的增量 ()Mn 为 本科生 毕业设计 第 10页  ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )DITTM n K c e n e n e n e n e n e n M i n i t i a l             ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )IDK c e n e n K e n K e n e n e n M i n i t i a l         （ ） 其中 1cK  ICITKKT DDCTKKT KC：比例增益， KI：积分系数， KD：微分系数 式 ()中的 ∆M(n)对应于第 n时刻阀门位置的增量，故称此式为增量型算式。 因此第 n时刻的实际控制量为 ( ) ( 1 ) ( )M n M n M n    （ ） 其中 M（ n1） 为第 （ n1） 时刻的控制量。 计算 ∆M(n)和 M(n)要用到第 (n1)， (n2)时刻的历史数据 e(n1),e(n2)和 M(n1),这三个历史数据也已在前时刻存于内存储器中。 采用平移法保存这些数据。 采用增量型算式计算 M(n)的优点是：编程简单，历史数据可以递推使用，占用存储单元少，运算速度快。 PID 调节的各个环节及其调节过程 水箱液位控制系统的目前主要采用 PID(比例积分微分 )控制方式，这种方式，对不同的控制对象要用不同的 PID参数。 比例控制与其调节过程 比例作用实际上是一种线性放大 (缩小 )功能。 比例调节的显著特点是有差调节，如果采用比例调节，则在负荷的扰动下调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。 采样偏差一旦产生，控制器立即产生正比于偏差大小的控制作用，使被调量朝误差减小方向变化，其作用大小通过比例增益度量，比例增益大时响应速度快，稳态误差小，但会产生较大的超调或产生不稳定，而 Kc 过小会使响应速度缓慢。 调节时间加长，调节精 度降低。 本科生 毕业设计 第 11页 在比例调节中调节器的输出信号 u(n)与偏差信号 e成比例，比例系数为 Kc，称为比例增益。 在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器的输入与输出之间的比例关系，即 1M=e （ ） δ称为比例带。 δ具有重要的物理意义。 如果 M直接代表调节阀开度的变化量 , 那么δ就代表使调节阀开度改变 100％即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 根据 P调节 器的的输入输出测试数据，很容易确定它的比例带的大小。 比例调节的残差随比例带的加大而加大，从这方而考虑，人们希望尽量减小比例带。 然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。 稳定性是任何闭环控制的首要要求，比例带的设置必需保证系统具有一定的稳定裕度。 δ 很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至没有超调，但残差很大，调节时间也很长；减小 δ 就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。 δ 有一个临界值，此时系统处于稳定边界 的情况，进一步减小 δ 系统就不稳定了。 δ 的临界值可以根据实验测定。 比例积分调节 积分作用则是一种记忆，对误差进行累积，有利于消除静差。 但积分作用如果太强，会引起较大超调或振荡，且在实际当中会经常碰到积分饱和现象在 I调节中，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。 I调节的特点是无差调节，与 P调节的有差调节成鲜明对比。 只有当偏差 e为零时， I调节器的输出才会保持不变。 然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何值上。 这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程后，被调量没有残差，而调节阀可以停在新的负荷所要求的开度 上。 PI调节就是综合 P、 I两种调节的优点，利用 P调节快速抵消干扰，同时利用 I调节消除余差。 PI调节引入积分动作带来消除系统残差的同时，却降低了原有系统的稳定性。 为保持控制系统原来的衰减率， PI调节器的比例带必须适当加大。 所以 PI调节是在稍微牺牲控制系统的动态品质以换取较好的稳态性能。 在比例带不变的情况下，减小积分时间，将使系统稳定性降低、振荡加剧，调节过程加快、振荡频率升高。 本科生 毕业设计 第 12页 比例积分微分调节 微分作用上要是用于产生提前的控制作用，改善动态特性，减小调整时间，使系统易于稳定。 以上的比例调节和积 分调节都是根据当时的偏差方向和大小进行调节的。 不管被控对象中流入流出量之间有多大的不平衡。 而这个不平衡决定着此后被调量将如何变化的趋势。 由于被调量的变化速度 (包括大小和方向。