完整版)優(yōu)秀pid畢業(yè)課程設(shè)計(jì)實(shí)例3——液位控制系統(tǒng)水位的控制

1、液位控制系統(tǒng)水位的控制北京科技大學(xué)自 1105 班李駿霄 指導(dǎo)老師：付冬梅教授摘要：這篇文章是把 PID 調(diào)節(jié)器運(yùn)用于實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其調(diào)節(jié)。該 系統(tǒng)中水位位置的控制是通過(guò)出水管和進(jìn)水管流量的差值的大小 來(lái)反應(yīng)水位的高低，根據(jù)它們的不同變化運(yùn)用 PID 調(diào)節(jié)器對(duì)閘門(mén) 進(jìn)行調(diào)節(jié)。關(guān)鍵字： PID 調(diào)節(jié)器， Matlab 仿真曲線(xiàn)，反饋系統(tǒng)The water level control of the liquid level control systemAbstract: This article is to put PID adjustor into practice in order to

2、adjust it. The water level control of the system is to use the differences of output and input of the water pipe to reflect the diagram , feedback system1.引言： 工業(yè)生產(chǎn)中，為了提高經(jīng)濟(jì)效率，常需要實(shí)行最優(yōu)控制。同理， 在水位控制系統(tǒng)中，由于閥門(mén)壓強(qiáng)的不斷變化引起水位的不斷變 化，影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。所以為了改善這種情況，引入 PID 調(diào) 節(jié)器，利用進(jìn)出流量的差值的反饋來(lái)測(cè)水流速度的大小，近而調(diào) 節(jié)閥門(mén)，控制水位這樣達(dá)到最優(yōu)配置，提高效率。

3、2理論部分：PID是指PID調(diào)節(jié)器，被插入到反饋控制系統(tǒng)的控制偏差信號(hào)后，它是將具有放大功能的比例P(proportional),積分l(integral)，微分D(derivative)的各種功能并行結(jié)合的，此時(shí)的傳遞函數(shù)為：C(s)=Kp(1+仃iS+TdS)Kp比例增益，Ti積分時(shí)間，Td微分時(shí)間。比例作用是輸出比例于控制偏差的操作量。只靠比例作用的控制中， 有時(shí)會(huì)有穩(wěn)定偏差，一般情況下下一個(gè)積分作用也被引用。積分作用是輸出積分偏差后的信號(hào)。只要有偏差，則操作量增加，最 終可以將偏差可以變?yōu)?。但是，積分作用有90度的相位延遲，也許會(huì)破 壞穩(wěn)定性。相互有影響的液位系統(tǒng)的模型如圖1所示叭z

4、Hl 1 的穩(wěn)M2 .容器2的穂憲液位圉1相互有譽(yù)響的酒位系蛭在下面的討論中，假設(shè)變量對(duì)于穩(wěn)態(tài)值得變化很小。采用圖1中規(guī)定的符號(hào)，可以的到系統(tǒng)的下列方程:(,endendki=);for kp=1:2:20; kc=tf(kp*1 ki,1 0);T=feedback(kc*gp, ,end endkd=);for kp=1:2:25;ki=0.005gc=tf(kp*kd 1 ki,1 0);T=feedback(gp*gc,end; end hold off;仿真圖如下圖所示：1.B(a) kd=0(b)kd=0.1(c) kd=1(d) kd=2(e) kp=4 kp=1O圖8使用PID

5、控制器的比例增益掃描結(jié)果從上圖可以看出，當(dāng)Kd逐漸增加時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量逐漸減小，但是上升時(shí)間逐漸增大，根據(jù)實(shí)際要求，我們?nèi)?Kdmz=4(b)繪制Ki=0.005,Kd=4時(shí)，Kp變化的根軌跡，求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的Kp的范圍。%繪制關(guān)于Kp的根軌跡ki=0.005;kd=4;deng=conv(10 1,100 1);gp=tf(1,de ng);gc=tf(kp*kd 1 ki,1 0);rlocus(gc*gp)仿真波形圖如圖佃所示： 從圖中看出，當(dāng)Kp取大于零的任何值時(shí)，系統(tǒng)都穩(wěn)定。而且只有一條漸 進(jìn)線(xiàn)趨于無(wú)窮，兩條根軌跡終止于實(shí)軸上的零點(diǎn)。個(gè) Kp 值，繪制參考輸入和(a) 當(dāng) K

6、i=0.005,Kd=4 時(shí)，選擇一擾動(dòng)輸入的單位階躍響應(yīng)。圖 9 PID 控制的根軌跡圖% 源程序： PID 控制器閉環(huán)參考輸入和擾動(dòng)輸入單位階躍輸入響應(yīng) 仿真波形圖如下圖 20 所示：deng=conv(10 1,100 1);gp=tf(1,deng);gc=tf(kp*kd 1 ki,1 0);h=tf(1,1);ki=0.005;kd=4;kp=20;T_ref=feedback(gc*gp,h,-1);t=0:0.02:200y_ref=step(T_ref,t);T_dist=feedback(gp,-gc*h,+1);y_dist=step(T_dist,t);plot(t,y

7、_ref,t,y_dist,-);y_ref_ss=y_ref(length(t)y_dist_ss=y_dist(length(t)圖10控制器增益選定的 PID控制對(duì)參考輸入和擾動(dòng)輸入的階躍響應(yīng)結(jié)論：對(duì)三種情況下參考輸入的響應(yīng)所作的比較表明，使用PID控制的響應(yīng)要比另外兩種控制規(guī)律有明顯的改善。比例（P）控制的響應(yīng)在響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差方面均存在不足。PI控制系統(tǒng)雖滿(mǎn)足超調(diào)量，調(diào) 節(jié)時(shí)間，和零穩(wěn)態(tài)誤差要求，但其上升時(shí)間要比PID控制大得多。與此類(lèi)似，使用PID控制所得到的擾動(dòng)輸入的響應(yīng)比另外兩種情況 下有相當(dāng)大的改善。雖然PID控制器在復(fù)雜性上有所增加，但同另 外兩種控制器相比，大大改善了性能。參考文獻(xiàn)