液位PID控制系统设计

1、命而弧3圭孑、净硝伐津嬉NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY MING DE COLLEGE本科毕业设计论文题目液位PID控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间毕业设计任务书论文一、题目液位PID控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计，使学生对所学自动控制原理、现代控制原理、控制系统仿真、 电子技术等的基本理论和基本知识加深理解和应用；培养学生设计计算、数据处 理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本事件能力 以及外文资料的阅读和翻译技能；掌握液位PID控制系统设计的方法和步骤，培 养创新意识，增强动手能力，为今后的工作

2、打下一定的理论和实践基础。要求认真复习有关基础理论和技术知识，认真对待每一个设计环节，全身心 投入，认真查阅资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性和控制要求，按计划 完成毕业设计各阶段的任务，重视理论联系实际，写好毕业论文。二、主要技术指标设计系统满足以下要求：调节时间：S - 4S超调量：a % 5%四、进度和要求1、搜集中、英文资料，完成相关英文文献的翻译工作，明确本课题的国内外研究现状及研究意义；（第1、2周）2、 完成总体设计方案的论证并撰写开题报告；（第3、4周）3、 理论推导被控对象的数学模型；（第5、6周）4、分析未校正单容、双容水箱液位控制系统的性能;（第7、8周）5、选用PI

3、D控制方案设计满足性能指标要求的控制系统；（第9、10周）6、应用Matlab对设计方案进行仿真验证;（第11周）7、整理资料撰写毕业论文;（1）初稿；（第 12、13 周）（2）二稿；（第14周）8、准备答辩和答辩。（第15周）五、主要参考书及参考资料1周胜凯，李颖，水箱液位控制系统设计M，2012、062陈帆、王勇，PID控制单容水箱液位及其相关阶跃响应曲线M,2013、63卢京朝，自动控制原理，西北工业大学出版社，20094涂植英，过程控制系统，北京：机械工业出版社，19835胡寿松，自动控制原理，科学2008，6出版社，2008，66薛定宇，陈阳泉，系统仿真技术与应用，清华大学出版社，

4、2004.47王正林，MATLAB/Simulink与控制系统仿真，电子工业出版社，2009.78徐兵，过程控制，机械工业出版社，2004.99张显库，贾欣乐.基于闭环增益成型的鲁棒PID算法及在液位控制中的应 用.中国造船J. V01. 41第三期（总第150期），200010薛毅，数学建模基础，北京：工业大学出版社，2004学生 指导教师 系主任摘要随着现代科技的发展电子信息时代的进步。国家工业的迅速发展，液位控制 系统被广泛运用到石油、化工等各个行业。液位控制系统是以液位为控制参数的 控制系统。有很多地方需要对容器的介质进行控制，使之高精度地保持在给定数 值，液位控制一般指对某一液位进行

5、控制和调节，使其达到所要求的控制精度， 液体的液位自动控制是近年来的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动 控制等几项技术的紧密合作的产物。在工农业生产过程中，经常需要对水位进行 测量和控制。本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统.计首先对被控对象的模型 进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，设计PID控制器，在 Matlab/Simulink环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对PID控制算法进行仿 真研究，通过仿真实验，证明该设计方法可行性和该算法的正确性。关键词：双容水箱，实验法建模，PID控制AbstractWith the development of moder

6、n science and technology progress of electronic information era. The rapid development of national industry, liquid level control system is widely applied to petroleum, chemical and other industries. Liquid level control system based on liquid level control parameters of control system. There are ma

7、ny places need to control the container medium, to keep the accuracy of the given value, liquid level control usually refers to a certain level to control and adjust, make it reach the required control precision, liquid level automatic control is a new technology in recent years, it is a miniature c

8、omputer software, hardware, several technologies such as automatic control of the product of close cooperation. In the process of industrial and agricultural production, often need to measure and control of water level.The purpose of this paper is to design the double let water tank liquid level cas

9、cade control system. Plan the first analysis of the model of the controlled object, and USES the experimental modeling method to calculate the transfer function of the model. Secondly, PID controller is designed, under the environment of Matlab/Simulink to establish double let water tank control sim

10、ulation model, simulation results of PID control algorithm, through simulation experiment, proves that the design method is feasibility and correctness of the algorithm is correct.Keywords : double let water tank, the experiment method of modeling, PID control TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark52 o

11、Current Document 摘要III HYPERLINK l bookmark55 o Current Document AbstractIV HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 第一章绪论7 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 1.1课题提出背景7 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 1.2国内外研究现状8国外研究现状8国内研究现状9 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 1.3控制理论的发展10

12、 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 1.4本章小结11 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 第二章单容水箱液位控制系统建模13 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 2.1水箱液位控制系统简介13 HYPERLINK l bookmark91 o Current Document 2.2液位控制的实现13 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 2.3单容水箱建模14 HYPERLINK l bookmark

13、130 o Current Document 2.4双容水箱建模16双容水箱数学模型16双容水箱系统模型的参数辨识17 HYPERLINK l bookmark214 o Current Document 第三章 液位控制系统中的PID算法和控制18 HYPERLINK l bookmark217 o Current Document PID控制器的应用与发展18 HYPERLINK l bookmark226 o Current Document PID的内容19 HYPERLINK l bookmark229 o Current Document PID控制组成20 HYPERLINK l

14、 bookmark232 o Current Document 3.4调节器PID整定21 HYPERLINK l bookmark235 o Current Document 第四章 MALAB /Smilink 仿真22 HYPERLINK l bookmark238 o Current Document 4.1 MATLAB 简介22优势特点22系统结构23 HYPERLINK l bookmark245 o Current Document 4.2 Simlink 简介244.3单容水箱仿真25 HYPERLINK l bookmark251 o Current Document 4.

15、4双容水箱仿真27 HYPERLINK l bookmark270 o Current Document 第五章全文总结36 HYPERLINK l bookmark273 o Current Document 参考文献37致谢38 HYPERLINK l bookmark286 o Current Document 毕业设计小结39第一章绪论1.1课题提出背景随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳 定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非 线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实 际意义。每一个先进、实用

16、的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。 然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几 十年。在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所 的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些控制 领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状 况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的。但是，一个 很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于 现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验 室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的

17、具有典型对象特性的实验装 置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位 不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一 般比较小，以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的 控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此 类装置，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。双容水箱是较为典 型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水 箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的 建立是非常有意义的。同时，

18、双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生 产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结品器液位控制。而且， 双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论 性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、 流体力学等多个学科。1.2国内外研究现状随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！ 不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将PID算法运用到 水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节 约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！国外研究现状德

19、国Amira自动化公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一， 在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江 大学、吉林大学等高校引进了 Amira公司研制的双容水箱过程控制实验装置。 但是，由于德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个 实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的 部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困 难。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系 统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规 律变化，以保证质量和生产安

20、全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不 但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一 般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性， 或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：（1）对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大， 设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的 趋势。因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、 阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特

21、性有明显的不同。 大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重 要的。控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数 变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。 过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对 象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡， 被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控 制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特 性设计相应不同的控制系统。国内研究现状国内也有一些厂家研制

22、了双容水箱液位系统GWT系列水箱液位控制实验装 置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市 大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典 的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的 设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位 的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬 态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控 制器设计，满足创新研究的需要THJS-1型双容水箱对象系统实验装置由浙江 天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院

23、校，科研院所从事自动控 制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研 究生提供了一个具体的控制对象。液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控 制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我 国液位控制主要以常规的PID控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控 制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控 制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于 工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控 制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统

24、发展迅速，并在智能化、自 适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国 技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在 各行业广泛应用。1.3控制理论的发展在20世纪30到40年代，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理 论的初步形成奠定了基础；二战后，又经过众多学者的努力，在总结了以往的实 践和关于反馈理论、频率响应理论并加以发展的基础上，形成了较为完整的自动 控制系统设计的频率法理论。1948年又提出了根轨迹法。至此，自动控制理论 发展的第一阶段基本完成。这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论，通常被 称为经典控制理论。经典控制理论以拉

25、氏变换为数学工具，以单输入一一单输出的线性定常系统 为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系 统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器 的结构和参数。通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。它有以下几个特 点.八、：第一，经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统 也是无法处理的；出描述方式，这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不 能处理输入和输出皆大于1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输入一一多 输出系统，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；第二，经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用

26、合适的、简单的、 工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽 然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效 果也不是最佳的。综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出， 完成镇定任务。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时 变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更 为复杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，即便对这些极简单的对象、 对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展对 经典理的精确化、数学化及理论化。随着科学技术的突飞猛进，对工业过程控

27、 制的要求越来越高，不仅要求控制的精确性，更注重控制的鲁棒性、实时性、容 错性以及对控制参数的自适应和学习能力。另外，需要控制的工业过程日趋复杂， 工业过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。这样 建立在数学模型基础上的古典和现代控制方法将面临空前的挑战，同时也给新控 制方法的发展带来了良好的机遇。近几年来，控制界非常热心于“复杂系统”及 “智能控制”的提倡及研究，也发表了一些见解与成果。从已发表的文献来看，对于复杂系统和智能控制的理解有很大差别。比较有代表性的说法如下：复杂系统的特征可概括为以下三个方面：复杂对象(ComplexPlant)：难于用常规数学工具建模并研究

28、的对象. 如多机械组成的系统，大型工业生产过程，自动化工厂等。复杂任务(ComplexTask):镇定问题所不能包括的任务。复杂环境(ComplexEnvironment)：现有控制理论通常假设对象是孤立 的、自由的、但实际却常是开放的，受到外部环境制约。如自动车在种种环境中 行驶与躲避，煤矿采掘面的多变工作环境，人对高度开放系统的干预等，这时环 境对控制有巨大影响。具有以上特征的系统称为复杂系统，或称为3C系统。复杂系统在对象、环 境及任务这三方面中至少有一个是复杂的。解决这类系统的控制问题，必须跳出 建立在简化的理想数学模型基础上的现代控制理论框架，真正面对系统的复杂 性，提出新的概念和模

29、型，探索新的方法和手段，这类3C系统的控制即构成智 能控制。1.4本章小结本章着重介绍了本次论文研究对象的背景以及国内外的发展现状，介绍了过 程控制的发展趋势和发展前景以及控制理论的发展。同时说明了本文的主要研究 内容和目的。第二章水箱液位控制系统建模2.1水箱液位控制系统简介水箱液位控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化 仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根 据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处 后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系 统包括流量、液位、压力等参数，可实现系

30、统参数辨识、单回路控制、串级控制、 前馈一反馈控制、比值控制、解藕控制等多种控制形式。系统的水箱主体由蓄水 容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。水箱1、2、3和储水箱是用来蓄水的 容器;检测液位可以采用压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位 高度数字量的采集，采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。整个系统通 过不锈管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，通道阀门开启时，水可以被 分别送至三个水箱。三个水箱底部均有两个出水管道，其中装有于动阀的管道是 控制系统的一部分，也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验;另外 一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱，以

31、防止水箱里的 水溢出水箱。2.2液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检 测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入 计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID 序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速， 从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。2.3单容水箱建模32图2-1单容水箱系统构成单容水箱系统构成如图2-1所示，不断有水流入水箱内，同时也有水不断由 水箱中流出。水的流入量Q1由变

32、频器控制泵来加以调节，流出量Q。由用户根据 需要通过负载阀R来改变。被控量为水位它反映水的流入和流出量之间的平dHdt衡关系。显然在任何时间水位的变化均满足下述物料平衡方程:（2-1）其中q= Ku（2-2）Q0 = WH（2-3）其中A为水箱的横截面积，Ku是取决于电动调节阀的阀门特性的系数，可以 假定它是常数；k是与负载阀门开度有关的系数，在负载阀门开度固定不变的情况下，k看作是一个常数。将式2-1表示成增量形式为d AHdtCd AHdt（2-4）AQi、AQo、AH分别为偏离某一平衡状态Qio、Qoo、H0的增量，H为水箱截面积。考虑到水位值在其稳定值附近的小范围内变化，故由式2-2,

33、2-3可近似认为式2-4可变为AQi = K AukAQ =AHo 2河d AH1dt FdAH+ah = dtAu如果各变量都以自己的稳态值为起始点，H o = uo则可以去除式2-8中的增量号，变为迥F d AHTT+ H =K切k dtu k (2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)可以看出，此时式2-10是最常见的一阶微分方程，将其变为传递函数为:（2-11）H(s) _ K U (s) Ts +1式2-11中K = % 2kHo.J，t = HF从传递函数可以看出，单水箱对 象为一阶惯性环节。它为有自平衡性的对象，即当原有的物料平衡被打破时随着 被控量液位的变化

34、，其不平衡量会越来越小，最后能自动地稳定在新的平衡点上。 对于有自平衡的对象来说，应选择包括积分环节调节器；而对于无自平衡性的对 象，则应该选择不包括积分环节的调节器。2.4双容水箱建模双容水箱数学模型图2-2容水箱系统构成双容水箱系统构成如图2-2所示，它是两个串联在一起的水箱，水首先进入 水箱A，然后通过阀R1流入水箱B，再通过阀R2从水箱B中流出。水流入量Q1 由变频器控制泵来加以调节，流出量Q。由用户需要改变。被控量为水箱B的水 位史,根据图2-6可以写出两个水箱在任何时间的物料平衡方程：水箱A：（2-12）水箱B：（2-13）（2-14）dH 1才二 A，一 Q）2其中:Q1 = K

35、uA，A为水箱的截面积，R，R代表线性化水阻，Q，H和u等均以各个量1212的稳态值为起始点，将式2-14代入式2-12和式2-13，合并整理后得:T 虬 + H = K Ru 1 dt 1 u 1 dHT2d + H2- rHj 0(2-15)(2-16)其中：T = AR， T = AR， r = R /R11 122 221从式2-15和式2-16两式中消去气得:d 2 HdHTT 2 + (T + T ) + H = rK Ru1 2 dt 12 dt 2 u 1(2-17)式2-17显然是一个二阶微分方程，这是被控对象两个串联水箱的反映。将上式变为传递函数形式为:H (s) _rK

36、RU (s) - TT s2 + (T+1 T )s + 1-2当过程具有纯时延，则传递函数为:H (s) _rK RU (s) 一 TT s2 + (T+1 T )s + 1 1 212Koe-1(Ts +1)(T + 1)1一(2-18)(2-19)式2-19中K0为总放大系数双容水箱系统模型的参数辨识通过机理建模可以得知双容水箱的传递函数我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法得到各个水箱的过程时间常数T1T及时延t2112，再由输出稳态值 （3）K =入，土。输入阶跃幅值 h0(2-20)求的K。，t即可。nT = Tii=1(2-21)第三章液位控制系统中的PID算法和控制3.1 P

37、ID控制器的应用与发展在过去的几十年里，PID控制器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，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构， 并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的PID控制器产生 并发展于1915 一 1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推 出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍 被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器作 为最早实用化的控制器己有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易 整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用

38、最广泛的工业控制器。PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究 过程。最早的PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的 简称为z一N的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制 中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了 Z 一 N公式，同时也提出了一 种考虑被控过程时滞大小的Cohen 一 Coon整定公式。自Ziegler和Niehols提出PID参数整定方法起，有许多技术己经被用于 PID控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方 法及智能PID参数整定方法;按照被控对象个数来划

39、分，可分为单变量PID参数 整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最 近研究的热点及难点;按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方 法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟 踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。从目前PID参数整定方 法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点八、对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大 干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步 增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。

40、对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著祸合的多变量过程的多 变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所t需先验 信息量，使其易于在线整定。智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定 有机结合，使其具有自诊断功能;结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统 思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进;将预测控制、模糊 控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能。这些都是智能PID控制发展 的极有前途的方向。3.2 PID的内容PID控制是一种负反馈控制pid控制器(比例-积分-微分控制器)，由 比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

41、通过Kp，Ki和Kd三个参数的 设定。PI d控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。P:比例调节控制器的输出信号u与偏差信号e成正比例，即u=kce。比例控制作用是最 基本的，也是最只要的控制作用，它能比较迅速地克服干扰，适合干扰变化幅度 小，自衡能力强，对象滞后小，控制质量要求不高的场合。I：积分调节控制器输出信号的变化速度du/dt与偏差信号e成正比，即du/dt=S0e.PI:比例积分u=k e+S 小t edt 或 u=1/6 (e+1/T 小t edt)c 00i 06为比例度，可视情况取正或负值;Ti为积分时间。6和Ti是比例积分控 制器的两个重要参数。在工业要求静

42、态无余差，控制对象容量滞后小，负荷变化 幅度较大，但变化过程又较慢的场合，可采用比例积分作用控制规律的控制器。 一般来说，积分时间较小，积分作用强，消除余差的能力强，但系统的稳定性也 相应下降。D：微分调节具有微分控制规律的控制器，其输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正 比，即U=TDde/dt TD为微分时间，de/dt为偏差对时间的导数PD:比例微分控制器U=1/6(e+TDde/dt)6为比例度，可视情况取正值或负值；TD为微分时间。 由于微分调节动作总是力图仰制被调量的震荡，因此它有提高控制系统稳定性的 作用。由于微分作用使系统具有超前控制功能，减小了动态偏差，因此，它适用 于控制对

43、象的时间常数较大的场合，只要微分时间设定得当，系统的动态品质、 稳定性都会提高，过度过程时间也会相应的缩短PID：比例积分微分调节U=1/6 (e+1/T 4 edt +T de/dt) PID 控制器的传递函数为 G (s) i 0D=1/(1+1/Tis+TDS)。最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之 长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的 超前控制功能。3.3 PID控制组成控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。系统由模拟PID控制器 和被控对象组成图3-1控制系统组成方框图3.4调节器PID整定调节器PID参数整定1）选择调节

44、器PID参数整定方法 建议选择“衰减 曲线法”，即4： 1衰减曲线法。 此方法具体做法为：首先结合此时液位值给出 一合适的设定值SV值，其次将调节器TI=8,TD=0,比例度（百分数形式）设置 为一合适值（比例度与比例系数成反比），最后将调节器手动状态切换为自动状 态，由大到小适当改变比例度，直至出现输出曲线4： 1衰减过程为止。 记录 此时的比例度值，选择控制规律，并根据附录中给出的表格计算出各控制规律的 PID三个参数值。2）根据计算出的参数值设定PID，在线调整PID参数，使得 液位测量值PV值稳态于给定值。3）待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： a.突增（或突减）仪表设定值的大小，

45、使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。（推荐）b.适当改变上小水箱出水阀F1-10开度。（推荐）c.将电动调节阀的 旁路F1-5 （同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。以上 几种干扰均要求扰动量为控制量的5%15%，干扰过大可能造成水箱中水溢出 或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间 后，水箱液位稳定全新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）， 液位的响应过程曲线将如图3-2所示。图3-2单容水箱的液位阶跃响应曲线第四章MALAB /Smilink仿真4.1 MATLAB 简介MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合

46、，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计 的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态 系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研 究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决 方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的 编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematical Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用 软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运

47、算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、 控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形 式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情 简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强 大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以 直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己 以后调用，此外许多的MATLAB

48、爱好者都编写了一些经典的程序，用户直接进行 下载就可以用。优势特点（1）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱 出来。（2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。（3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握。（4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提供 了大量方便实用的处理工具。系统结构MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB 图形处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分构成。开发环境MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB

49、函数和文件工具集，其中许 多工具是图形化用户接口。它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出 数据，并提供了 M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M 文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。数学函数库MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法。从基本算法如加法、正弦，到 复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。语言MATLAB语言是一种高级的基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、 数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。用这种语言能够方便快捷建立起 简单运行快的程序，也能建立复杂的程序。图形处理系统图形处理系统使得MATLAB能方便的图形化显示向量和

50、矩阵，而且能对图形 添加标注和打印。它包括强大的二维三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。应用程序接口MATLAB应用程序接口（API）是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其它 高级编程语言进行交互的函数库。该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL） 实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran 程序，以及在MATLAB与其它应用程序间建立客户、服务器关系。4.2 Simlink 简介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

51、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。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、仿真和分析的一个软件包，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。Simulink可 以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多 速率系统，也就是系统中

52、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

53、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。4.3单容水箱MALTAB仿真用simulink构建PID子系统Derivative图4-0带输入输出端口 PID子系统的simulink模型利用matlab的simulink工具箱建立仿真框图如图4-0所示构建PID子系统。建立无干扰回路simulink模型。4-1无干扰单回路simulink模型具体整定步骤：将控制器（PID）的比例系数K置于1,按单回路控制系统的衰减曲线法整定。P将控制器参数置成纯比例作用（T

54、Dr0，t广g）待系统稳定后，作设定值阶跃扰动,不断调整比例系数，观察系统响应曲线， 当KP=18.4时，控制系统响应曲线如图4-2。4-2单回路MATLAB仿真阶跃曲线如图4-2所示超调量38.3%，调节时间19.1s。为测试系统稳定性，加入干扰信号进行仿真测试。4-3有干扰MATLAB单回路仿真图4-4有干扰单回路MATLAB仿真阶跃曲线如图4-4所示 超调量25.1%，调节时间18.2。从图4-3可知，系统能及时克服 的扰动，及时消除扰动对系统的影响。4.4双容水箱的仿真控制器参数整定串级控制系统主副控制器串联在一起，其中任意一个控制器的参数发生变化 对整个系统均有影响，因此串级控制系统

55、的参数整定比单回路控制系统要复杂。 串级控制系统中主回路是一个定值控制系统，系统对主变量有较高的控制精度要 求，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动控制系统，只要 求副变量能快速准确的跟随主控器的输出变化而变化。在工程实践中，串级控制 系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。由于逐步逼近法步骤非常繁琐，费时费力，在实际中已经很少使用，此外为 相对提高控制器参数的合理性，本设计采用应用最为广泛的两步整定法整定PID 参数。双容水箱液位串级控制系统的主、副对象传递函数分别为：表4-1衰减曲线法经验公式控制器类型比例度5积分时间匕微分时间TdP5sPI1.25s0

56、.5TsPID0.85s0.3Ts0.1Ts表4-2临界比例度法经验公式控制器类型比例度5积分时间匕微分时间TdP2 5KPI2.25 K0.85TKPID1.75 K0.5TK0.13TK主对象（下水箱）:G （s）副对象（上水箱）：25.45447.63 s + 12.4599.16 s + 1整定过程（1）利用matlab的simulink工具箱建立仿真框图 构建PID子系统（2）距公系数Derivative图4-5带输入输出端口 PID子系统的simulink模型建立水箱串级控制系统simulink模型图4-6双容水箱串级控制系统simulink仿真框图（2）整定副控制器具体整定步骤：

57、将主控制器（PID）的比例系数K尸置于1,按单回路控制系统的衰减曲线法整 定副回路。将副控制器参数置成纯比例作用（TDr0，tl）待系统稳定后，作设定值阶跃扰动,不断调整比例系数，观察系统响应曲线， 当Kp =31.95时，控制系统响应曲线如下图，相对符合要求且串级控制系统对副 回路的精确性要求不高。根据衰减曲线经验公式，副控制器的控制规律是P控制，故可直接取副回路K = 31.95（3）整定主控制器考虑到主控制器的控制精度要求高，此外，相对于4:1 的衰减曲线，等幅振荡曲线更为直观。主控制器整定采用临界比例度法。具体步骤如下：将副控制器的比例度置于31.95,把副回路作为主回路中的一个环节。

58、将主控制器参数置成纯比例作用（丁日气e）待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，不断调整比例系数，观察示波器上系统 响应曲线，当K = 44.9时，控制系统出现等幅振荡曲线，T = 9.4此时如图4-6：根据临界比例度法经验公式，计算主控制器比例度、积分时间、微分时间。K = 44.9 T = 9.4PK本设计主控制器采用的是PID控制，查表4-3比例放大系数K = 44.9,1.7 = 26.412积分时间K = 9.42 = 4.7P微分时间T = 9.4 x 0.13 = 1.222I积分系数K =加=0.212766微分系数K = 1.222D4-8主回路阶跃响应曲线修正主、副控制器参数 将设

59、定值置于1，将副控制器的比例系数Kp置于31.95,主控制器Kp置于 26.412，积分系数K,置于4.7,微分系数匕置于1.222，对控制系统仿真，系 统阶跃响应曲线如图4-7,由图可知，系统的阶跃响应效果不好，虽然最终稳定， 但超调量偏大，回复时间偏长。图4-9未修正的控制系统阶跃响应曲线按照先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，调整控制器参数，经过 不断地调整，当取控制器取如下参数时，所得曲线较为满意。表4-3串级控制系统控制器参数控制器KPKIKD主220.2131.3副34还可以进一步调整参数组合以取得更好的的输出响应曲线，这是反复尝试的 过程，考虑的此时的响应曲线已经足以满足系统要求，且超调量较小，响应时间 也很短，而且近似为4:1的衰减曲线，故本设计的控制器参数就采用上表所列值。H Scopel1=1 回 定 I1.41.210.80.60.40.20051