过程控制课程设计

1、摘 要串级控制系统是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。在生产过程中的常规控制中，串级控制系统是提高过程控制品质非常有效的方案之一，因此，得到了广泛的应用。根据高级过程控制课程学习的学习要求，选取双容水箱液位控制系统进行设计，目的是用PID控制方法整定出适合的参数，从而使被控系统的水箱液位达到稳定。本文的设计思路是在已知控制系统的传递函数的基础上利用Matlab进行控制系统仿真，选取最佳的整定参数，同时加入了单回路控制系统的仿真，以便于串级控制系统仿真进行对比，从而证明串级控制系统的优越性和不可比拟性。通过本文

2、，能够从大体上了解过程控制的内涵，认识串级控制系统，对今后的学习裨益良多。关键词： 串级控制； 双容水箱； Matlab；阶跃响应；一、设计任务及设计目标设计任务：双容水箱液位串级控制系统设计图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。需要设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。图1 双容水箱液位控制系统示意图二、系统设计的要求及设计步骤设计要求：1） 已知上下水箱的传递函数分别为：，。根据上下水箱的传递函数画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（

3、可假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，并对PID参数进行整定，再对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。本次给定液位控制系统的传递函数，根据已知及所学有关高级过程控制的知识进行设计。过程控制系统建模的两个基本方法（1）机理建模法（2）测试建模法。本文中，我们已经明白被控系统的生产过程，并且可以比较准确度的对其加以数学描述，故采

4、用机理建模法。在系统的数学模型建立起来后，借助计算机系统仿真，验证整个控制系统的准确性、稳定性、快速性。单回路控制方案以及串级控制方案的理论比较串级控制系统是由两个控制器串联工作的，虽然串级控制系统在结构上仅仅比单回路控制系统多了一个副回路，但是对于同样的干扰，串级控制系统的控制质量是单回路控制系统所无法比拟的。 eq oac(,1)由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，是控制作用更加及时。 eq oac(,2)提高了系统的工作频率，是振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了。 eq oac(,3)对二次干扰具有很强的克服能力，对克服一次干扰的能力也有一定的提高。 eq

5、 oac(,4)对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力。三、系统设计过程1.未加干扰的双容水箱液位开环系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线阶跃响应曲线如下：2.加入干扰的开环系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线加入干扰的开环控制系统阶跃响应曲线如下：由图可知，开环控制系统的稳定性较差，尤其是干扰加入到回路中时，系统很难得到比较稳定的稳态值，y总是不停的波动。而未加入干扰的的开环控制系统的控制效果大体令人满意，但是否合理，仍需进行下一步的工作。3. 未加干扰的双容水箱液位单回路控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线单回路控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：该步骤主要

6、是针对单回路上的PID控制器的参数进行设计。通过经验整定法，对PID控制器的参数进行设计，通过不停的改变整定参数值，并观察调节参数时系统的阶跃响应输出状况来判断参数值的合理性，直到得到比较满意的阶跃响应曲线。通过多次对比，单回路控制系统PID控制器的参数如下：P=15 ，I=1 ，D=104. 加入干扰的双容水箱液位单回路控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线加入干扰的单回路控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下：由以上阶跃响应曲线的对比可以看出，单回路控制系统中，系统有一定的超调，而开环控制系统则没有超调出现，但系统能够比较快速的到达稳态。这都是因为系统将输出通过反馈通道送至比较器

7、，并产生了偏差信号，使得PID控制器有了自己的输出，从而控制调节阀的动作，尽量减少系统的不稳地因素，提高系统的稳定性、快速性、准确性。但还有一个明显的现象，就是当系统加入扰动后，系统的快速性基本没有太大的变化，但稳定性有了显著地变化，y总是无法达到稳定值，并且不停的波动。由此可知，单回路控制系统并不能很好的克服外部干扰的影响。于是，进行下一步的探索。利用串级控制系统，看能否借解决上述问题。5.未加入干扰的串级控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线在串级控制系统中，由于主控制器已经选用PID调节器，而控制副参数主要是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不是很严格，故在此选用比例调节

8、器并选取上水箱液位作为副变量构成串级控制系统。经过一定范围的尝试，我选定P的整定参数为30。未加入干扰的串级控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：为使系统有较好的阶跃响应曲线，同样，对于串级控制系统的主控制器的PID参数的整定方法仍然是经验整定法，整定的过程同单回路控制系统的参数整定大体相同，在此就不再重复。进过对不同的PID参数的下阶跃响应曲线的对比，得到主控制器的PID参数分别为：P=16 ，I=3 ，D=86.加入干扰的串级控制系统框图及Matab仿真的阶跃响应曲线加入干扰的串级控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：由步骤5、6可以看出，在串级控制系统的作用下，系统的

9、稳定性有了进一步的提高，且快速性也基本满足要求，同时，在干扰的作用下，系统的稳定性基本没有产生变化，而且比单回路控制系统不加干扰的时候的振荡环节还要小。很明显，串级控制系统满足了快速性、准确定、稳定性的要求，同时还具有良好的抗干扰性和自适应能力。总 结通过本次课程论文，我对过程控制系统这门课程的理解更深了，特别是对串级控制系统理解和应用又上了一个新的台阶。对所学知识的理论联系实际使我对所学知识有了全面的认识，在这个基础上我积累了一定的经验，相信会对今后的学习生活有一定的帮助。在串级系统的设计过程中，由于我所掌握的知识比较浅薄，没有深层次的理解PID的作用机理和参数整定方法，所以不能得到较好的设

10、计结果，但在与同学们的交流过程中，我学到了一些以前不知道的东西，对此次设计产生了极大地帮助。在用软件进行仿真的过程中，我对Matlab的应用更加熟练了，以前没有做过此类的仿真，但在此次设计中，由于用到过程控制仿真的知识，我在图书馆找了一些资料，填补了我在这方面的空白。总之，我对本课程论文比较满意，我会在今后的学习过程中不断努力，继续像这次一样，刻苦努力，不断学习与探索，争取在以后做得更好。附录资料：不需要的可以自行删除Pascal/C/C+语句对比（补充版）一、Hello world 先看三种语言的样例：Pascalbegin writeln(Hello world);end.C#includ

11、e int main() printf(Hello world!n); return 0;C+#include using namespace std;int main()cout Hello world! endl; return 0; 从这三个程序可以看到一些最基本的东西。在Pascal中的begin和end，在C/C+里就是；Pascal主程序没有返回值，而C/C+返回0（好像在C中可以为NULL）。在C/C+中，main函数以前的是头文件，样例中C为stdio.h，C+除了iostream还有第二行的using namespace std，这个是打开命名空间的，NOIP不会考这个，可以

12、不管，只要知道就行了。 此外说明 注释单行用/，段落的话Pascal为，C/C+为/* */。* 常用头文件（模板）#include #include #include #include #include #include using namespace std;int main() system(“pause”);return 0;二、数据类型及定义 这里只列出常用的类型。1、整型PascalC/C+范围shortint-128 127integershort-32768 32767longintInt -2147483648 2147483647int64long long-9223372

13、036854775808 9223372036854775807byte-0 255wordunsigned short0 65535longwordunsigned int0 4294967295qwordunsigned long long0 18446744073709551615 * 当对long long 变量赋值时，后要加LLLong long x=6327844632743269843LL* 如果位移 x2LL* Linux: printf(“%lldn”,x);* Windows: printf(“%I64dn”,x);2、实型PascalC/C+范围realfloat2.9E

14、-39 1.7E38single-1.5E-45 3.4E38doubledouble5.0E-324 1.7E3083、字符即字符串 字符在三种语言中都为char，C里没有字符串，只有用字符数组来代替字符串，Pascal和C+均为string。Pascal中字符串长度有限制，为255，C+则没有。 字符串和字符在Pascal中均用单引号注明，在C/C+中字符用单引号，字符串用双引号。4、布尔类型 Pascal 中为 boolean，C/C+ 为 bool。值均为True 或 False。C/C+中除0外bool都为真。5、定义 常量的定义均为 const，只是在C/C+中必须要注明常量的类型

15、。在C/C+中还可以用宏来定义常量，此时不注明类型。PascalC/C+const a = 60; b = -a + 30; d = ;const int a = 60;const int b = - a + 30;const string d = “”;define MAXN 501 /这个是宏 * 宏定义其实就是直接在程序相应的位置替换： #define randomize srand(unsigned time(NULL) #define wait for(int w=0;w a;cout a;cout a endl;特别说明C+中cin一个字符的话会自动跳过空格和回车，Pascal和C

16、则会读入空格和回车。在Pascal中writeln(a:n:m) 表示在n个字符宽的输出域上输出a保留m位小数。例如：pascal write(a:6) c/c+ printf(“%6d”,a) Pascal write(a:6:2) c/c+ printf(“%6.2f”,a) C+ 如果用 cout ? (繁琐！) 需要加头文件 #inlude cout setprecision(2)a; /作用永久 cout setw(6)a; /作用临时 以下三个进制设定都是永久作用： cout deca; 相当 printf(“%d”,a); /十进制 cout hexa; 相当 printf(“%

17、X”,a); /十六进制 cout octa; 相当 printf(“%o”,a); /八进制例如：cout 12hex12oct1212endl;输出：12c1414 C 的输入输出里面的字符串中%表示变量，%后面的字目表示变量类型。下面是类型表：%hd1个short型整数%d1个int型整数%u1个unsigned int型整数%I64d1个long long型整数%c1个字符%s1个C字符串%f1个float型实数%lf1个double型实数%10.4f输出1个总宽度为10,保留4位小数的实数 文件输入输出：Pascalassign(input, test.in);assign(outp

18、ut, test.out);reset(input);rewrite(output);read(a, b);writeln(a, b);close(input);close(output);CFILE *fin = fopen(“test.in”, “r”);FILE *fout = fopen(“test.out”, “w”);fscanf(fin, “%d%d”, &a, &b);fprintf(fout, “%d%d”, a, b);fclose(fin); fclose(fout);C+#include using namespace std;ifstream fin(“test.in

19、”);ofstream fout(“test.out”);fin a b;fout a b endl;fin.close(); fout.close();因为C+的读入较慢，个人建议C+的话使用C的输入方式。当然也有人用C的读入，C+的输出的，这种方式我们称之为城乡结合。*中国计算机学会竞赛须知发布的C读写程序：（C+ 也能用，cin,cout,scanf,printf 可混用）#include int main() int a,b; freopen(“sum.in”,”r”,stdin);freopen(“sum.out”,”w”,stdout); scanf(“%d%d”,&a,&b);

20、printf(“%dn”,a+b); return 0; 或者：freopen(“sum.in”,”r”,stdin);freopen(“sum.out”,”w”,stdout);ios:sync_with_stdio(false); 取消同步，cin,cout的速度就不慢了！ cinab;couta+bendl; return 0;以下扩充c/c+混用是可行的：#include #include using namespace std;int main() int a,b,c,d; freopen(sum.in,r,stdin); freopen(sum.out,w,stdout); sca

21、nf(%d%d,&a,&b); cincd; printf(%dn,a+b); couta+b+c+dsn).Cwhile(scanf(%s%d,s,&n)!=EOF).四、赋值语句及运算符号 一一对应的关系PascalC/C+赋值运算赋值:=基本运算加+减-乘*除（实数）/ (double)除法取整div(int) / (int)取余mod%比较等于=不等于!=大于大于等于=小于小于等于=逻辑且and&或or|非not!位运算左移(*2)shl且and&或or|非not异或xor其他增一inc(x)x+减一dec(x)x- 在C/C+中对某个变量自身进行运算可以简写为 变量名 运算符号= 改

22、变量 如 x += 8 就表示 x = x + 8， 即 inc(x, 8)。 在 C/C+里还存在一种三目运算 变量名 = 条件 ? 值A : 值B 如 x = x 0 ? x : -x; /表示若x 0 则取 x， 否则取 x， 同 if x 0 then x := x else x := -x;五、条件语句1、if C/C+中if 语句的条件必须要用括号括起来，后面不使用then。PascalC/C+if a b then flag := true else flag := false;if (a b) flag = true;else flag = false;2、多种分支 C/C+中

23、为switch，Pascal为case：PascalC/C+case x of 1: inc(x); 2: dec(x); else x := x * x;end;switch (x) case 1: x +; break; case 2: x -; break; default: x *= x; 切记C/C+中一定要写break，后果你可以去掉break，运行看看就知道了。六、循环语句1、forPascalC/C+for 变量名 := 初始值 to(downto) 终止值 dofor (变量名=初始值;条件;改变方式)for i := 5 to 10 do dec(a);/终止值大于初始值用

24、 tofor i := 5 downto 1 do dec(a);/终止值小于于初始值用 downtofor (i = 5; i = 1; i-) a-;/*只要i 满足条件就会一直循环。C/C+中i是实数、指针都可以*/C/C+中for的特殊用法：/变量为实数for (double i = 1; i 符号为间接引用，后面会提到。for (type1 *p = head - next; p; p = p - next) printf(“%d”, p - k);2、whilePascalC/C+while 条件 dowhile (条件)while i 0 do dec(i);while (i !

25、= 0) i-;/也可写作 while (i) i-;/在C/C+中非0即为真。3、repeat-until & do-whilePascalC/C+repeat 语句 until 结束条件;do while (运行条件)repeat int(i) until i 100;do i+; while (i = 100);七、数组 Pascal中数组的下标可以随意定义，而C/C+下标始终为从0开始到(数组大小1)。PascalC/C+定义a : array 1.100 of integer;b :array 1.10,1.10 of int64;int a100;int b1010;含义a 为大小

26、为100的integer数组，合法下标为1到100b 为大小为10*10的int64数组，合法下标为1,1到10,10a 为大小为100的int数组，合法下标为0到99b 为大小为10*10的int数组，合法下标为0,0到9,9;使用inc(a21);b2,2:=b1,1+b1,2+b2,1;a21+;b11=b01+b00+b10; 数组清零PascalC/C+Fillchar(a, sizeof(a), 0);memset(a, 0, sizeof(a);/头文件包含 string.h*如果要填最大： memset(a,127,sizeof(a) （但达不到 INT_MAX） 如果要填最小

27、： memset(a,128,sizeof(a) (但达不到 INT_MIN） 如果填0： memset(a,0,sizeof(a) 如果填-1： memset(a,-1,sizeof(a)八、字符串 C风格的字符串就是字符数组。 C+和Pascal的字符串使用基本相同，只是C+中字符串下标以0开始，Pascal以1开始。字符串处理很多这里不一一列举，只写最常用的几个。PascalC (包含)定义用：char sC+（包含）定义用：string s输入输出Readln(s);Writeln(s);Scanf(“%s”,s);Printf(“%sn”,s);注：不能输入输出c+的字符串Cins;

28、Couts = s 的区别： getline(cin,s)cins一次性整行读入，直至行末尾。只读入一个“单词”，遇空格和行末停止。例如输入；How are you?s=” How are you?”读入整串含空格例如输入；How are you?s=”How”如果三个都读：cins1s2s3*C+ 数字与数值之间的转换：#include #include #include /必须加入using namespace std;int main() string text = 152; int number; stringstream ss;ss number; /string - int cou

29、tnumber+100endl; ss string string str = ss.str(); return 0;九、过程和函数1、过程 在C/C+中没有过程，但可以把返回值为“空”的函数理解为过程。PascalC/C+无参过程procedure 过程名;说明部分begin 语句部分 end;/说明部分、begin、end语句部分统称为过程体void 函数名(); 主体部分; return ;带参过程procedure 过程名(形参表)过程体void 函数名(形参表)过程体 值传和址传：当一个参数是值传时，形参在子过程中相当于一个局部变量，对它的改变不影响实在的参数值。址传则会影响。下例中

30、a为值传，b为址传。初始a = 5,b = 5，运行后a = 5,b = 10；PascalC/C+var a, b:integer;procedure doit(a:integer; var b:integer);begin b := a + b; a := a + b;end;begina := 5;b := 5;doit(a, b);writeln(a, , b);end.void doit(int a, int &b) HYPERLINK a a认为值参，b认为变量传参 b += a; a += b; return ;int main()int a = 5, b = 5;doit(a,

31、 b);cout a b;return 0;* 用若干地址传参可以给调用者传回若干值 Void tryit(int &x,int &y,int &z) 调用时: tryit(a,b,c) ,可以传回 a,b,c的值。* 用数组名（也是地址）传参可以传回整组的数据 Void tryit( int a) 调用时: tryit(x),可以传回整个数组。例如：void tryit(int a) for(int i=0;i=10;i+) ai=i*2; return; int main() int x10; tryit(x); for(int i=0;i=10;i+) coutxiendl; syste

32、m(pause); return 0;*用指向函数的指针作为参数，可以执行指定的函数。(略)STL 的两个应用：* C+ 快排函数#include Bool com(int a,int b) Return ab;Int main() Int a10=5,7,3,2,6,8,4,3,5,7;Sort(a,a+10,com); /如果升序可以省略com.For(int i=0;i10;i+) Coutai” “;* 优先队列（以堆排为例）#include #include using namespace std;priority_queue Q;int main() int n,a; cinn;

33、while (n-) cina; Q.push(a); while (!Q.empty() cout Q.top() ; Q.pop(); return 0;* 队列、栈、优先队列 三种数据结构汇总：#include #include priority_queue Q;queue Q1;stack S;int main()Q.push(5); x = Q.top(); Q.pop();Q.empty()；Q.size()Q1.push(5); Q1.size(); Q1.front(); Q1.empty(); Q1.pop();S.push(5); S.size(); S.top(); S.

34、emtpy(); S.pop();2、函数 . PascalC/C+funtion 函数名(形参表):返回值类型;函数体返回值类型 函数名(形参表) 主体; return 返回值; 注意在Pascal中： 在函数体的语句部分中，必须有对应的函数标识符赋值的语句，并且这些语句在函数被引用时至少要有一句被执行，最后赋给函数标识符的值就是函数值。或者exit(返回值);下面为求n阶乘的样例：PascalC/C+function fac(n:integer):longint;var sum, i:longint;beginsum := 1;for i := 2 to n do sum := sum * i;fac := sum; /exit(sum);end;int f