雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真

1、雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真作者:日期:內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名：任志江學(xué)號(hào)：10671121041067112104專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：測(cè)控 10-110-1 班指導(dǎo)教師：梁麗內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真指導(dǎo)教師梁麗時(shí)間2012.10.292012.11.02、教學(xué)要求1、學(xué)會(huì)收集和查閱資料，學(xué)會(huì)針對(duì)指定控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的方法;2、學(xué)會(huì)使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；3、掌握控制器的設(shè)計(jì)方法，以及控制器參數(shù)整定和優(yōu)化的方法。、設(shè)計(jì)資料及參數(shù)雙容水箱結(jié)

2、構(gòu)圖1、雙容水箱?結(jié)構(gòu)圖?水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u（FV10D控制，流出量Qo則由用戶通過(guò)負(fù)載閥R來(lái)改變，被調(diào)量為下水箱水位h,分析水位在調(diào)節(jié)閥開(kāi)度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。2、對(duì)某種型號(hào)的水箱，在某平衡點(diǎn)附近，建立其線性化模型，其中各參數(shù)分別為：T1=80s,T2=80s,K1=KuR1=1K2=R2/R1=118s,22s。三、設(shè)計(jì)要求及成果1、分析系統(tǒng)，根據(jù)物料平衡原理（即液位平衡狀態(tài)下，流出量必然等于流入量）和給出的參數(shù)推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2、將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡婺Ｐ?，并用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)求其動(dòng)態(tài)響應(yīng)；3、設(shè)計(jì)合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其盡量滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求

3、；4、針對(duì)大滯后系統(tǒng)，可以用Simulink搭建帶有Smith預(yù)估器的PID控制器，將該模塊嵌入到控制系統(tǒng)中直接控制。并與第三步設(shè)計(jì)的控制器的控制效果進(jìn)行比較；內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5、完成5000字左右的課程設(shè)計(jì)報(bào)告（包括設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果分析幾部分），要求給出設(shè)計(jì)的模型圖和仿真曲線圖。四、進(jìn)度安排1、根據(jù)給定的參數(shù)或工程具體要求，收集和查閱資料（天）2、Matlab/Simulink建模（天）3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化（兩天）4、編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（天）五、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1）工作態(tài)度（占10%）;2）基本技能的掌握程度（占20%）;3）方案的設(shè)計(jì)是否可行和優(yōu)化（40%）;4）

4、課程設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)編寫(xiě)水平（占30%）。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個(gè)等級(jí)。六、建議參考資料1、李國(guó)勇，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CADM,北京：電子工業(yè)出版社，2003,92、王丹力，MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用M,北京：中國(guó)電力出版社，2007,92、薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005,13、金以慧，過(guò)程控制M,北京：清華大學(xué)出版社，2003,6IIII內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)摘要隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制水平、工業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來(lái)高。每個(gè)先進(jìn)、實(shí)用控制算法和監(jiān)測(cè)算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有積極有效的推動(dòng)

5、作用。然而，當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究成果與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)水平并不是同步的，通常情況下實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時(shí)候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領(lǐng)域所面臨的最大問(wèn)題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實(shí)際背景的支持，旦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)遇到各種各樣的實(shí)際問(wèn)題，制約了其應(yīng)用。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的課題是雙容水箱的PID液位控制系統(tǒng)的仿真。在設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)雙容水箱進(jìn)行了研究和仿真。本文的主要內(nèi)容包括：對(duì)水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)法建立了液位控制系統(tǒng)的水箱數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出了控制系統(tǒng)，針對(duì)所選液位控制系統(tǒng)選擇合適的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系統(tǒng)，

6、調(diào)節(jié)器采用PID控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真參數(shù)整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能，對(duì)所得到的仿真曲線進(jìn)行分析，總結(jié)了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。關(guān)鍵詞：MATLABPID控制；液位系統(tǒng)仿真III III內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄第章控制系統(tǒng)仿真概述2.1.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真2.1.2控制系統(tǒng)的MATLAW算與仿真2第二章PID控制簡(jiǎn)介及其整定方法62.1 PID控制簡(jiǎn)介6.2.1.1 PID控制原理62.1.2 PID控制算法72.2 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程82.2.1比例控制與其調(diào)節(jié)過(guò)程82.2.2比例積分調(diào)節(jié)92.2.3比例積分微分調(diào)節(jié)1.02.3 PID控制的特點(diǎn)1.02.4

7、PID參數(shù)整定方法1.1第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.33.1雙容水箱結(jié)構(gòu)1.33.2系統(tǒng)分析1.33.3雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.63.3.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)的simulink仿真圖163.3.2雙容水箱液位控制系統(tǒng)的simulink仿真波形17第四章課程設(shè)計(jì)總結(jié)1.8內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第章控制系統(tǒng)仿真概述1.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是門(mén)涉及控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性學(xué)科，它的產(chǎn)生及發(fā)展差不多是與計(jì)算機(jī)的發(fā)明和發(fā)展同步進(jìn)行的?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)

8、行試驗(yàn)和研究的種方法?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程包含如下步驟：(1)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式。(2)建立控制系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。(3)編制控制系統(tǒng)的仿真軟件采用各種各樣白計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(Basic、FORTRANC語(yǔ)言等)編制控制系統(tǒng)的仿真程序， 或直接利用些仿真語(yǔ)言。(4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果通過(guò)對(duì)仿真模型對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。如果應(yīng)用MATL

9、B勺Toolbox及Simulink集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了MATLAB&真。1.2控制系統(tǒng)的MATLA時(shí)算與仿真MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrixlaboratory)之意。MATLABt有以下主要特點(diǎn)：(1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣MATLAB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(hào)計(jì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)算。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計(jì)算，PID均可完成。(2)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活MATLA魄供的庫(kù)函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫(kù)函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫(kù)函數(shù)。MATLA程序書(shū)寫(xiě)形式利用豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)了復(fù)雜的

10、子程序編程任務(wù)，壓縮了切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由各領(lǐng)域的專家編寫(xiě)，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。(3)有好的圖形界面，用戶使用方便MATLAB具有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。MATLAB勺函數(shù)命令眾多，各函數(shù)的功能及使用又可由MATLABS形界面下的菜單來(lái)查詢，為用戶提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。MATLAB是演算紙式的科學(xué)過(guò)程計(jì)算語(yǔ)言，使用MATLA踹程運(yùn)算與人的科學(xué)思路和表達(dá)方式相吻合，猶如在演算紙運(yùn)算并求運(yùn)算結(jié)果，使用十分方便。(4)圖形功能強(qiáng)大MATLAB里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。MATLABS據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單，MATLAB5具有較強(qiáng)的編?圖形界面的能力。(5)

11、功能強(qiáng)大的工具箱MATLA葩含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。當(dāng)前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括擁有數(shù)自個(gè)內(nèi)部函數(shù)主包和三十多種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科性工具包：功能性工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB勺符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能；學(xué)科性工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包、信號(hào)處理工具包、通信工具包等都屬于此類。針對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的非線性、 快時(shí)變、 復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等特點(diǎn)及MATLAB勺可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用MATLAB勺Toolbox與Simulink仿真工具，為過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整

12、定的計(jì)算和仿真提供了個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。Simulink是MATLABft重要的組件之，它提供個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。(1)Simulink的功能：Simulink是MATLA中的

13、種可視化仿真工具，是種基于MATLAB勺框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的二個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接?(GUI),這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。 對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交

14、互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLABS密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB：量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。(2)Simulink的特點(diǎn)：a.豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。b.交互式的圖形編?器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖c.以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。d.通過(guò)ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參

15、數(shù)、屬性，生成模型代碼。e.提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成。f.使用EmbeddedMATLA瞅塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)MATLA睇法。g.使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型。h.圖形化的調(diào)試器和剖析來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第二章PID控制簡(jiǎn)介及其整定方法2.1 PID控制簡(jiǎn)介2.1.1PID控制原理當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量

16、，并與期望值相比較，以此誤差來(lái)糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在過(guò)去的十幾年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中95%以的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖3.1所示。這是個(gè)典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖3.1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值e(t)構(gòu)成偏差e(t)=r(t)-c(t)內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制

17、系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2.1.2 PID控制算法典型的PID模擬控制系統(tǒng)如圖3.2所示。圖中sp(t)是給定值，pv(t)為反饋量，c(t)為系統(tǒng)輸出量，PID控制器的輸入輸出關(guān)系式為：1tdeM(t)KceedtTDMinitial(3.1)TI0dt即輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)+輸出初始值，Kc是PID回路的增益，T和TD分別是積分時(shí)間和微分時(shí)間常數(shù)。式中等號(hào)右邊前3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，他們分別與誤差、誤差的積分和微分呈正比。如果取其中的項(xiàng)或這兩項(xiàng)，可以組成P、PD或PI控制器。需要較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較高的穩(wěn)態(tài)精度時(shí)，可以選用PI控制方式控制對(duì)象的慣性滯后較大時(shí)，應(yīng)選擇PID控制

18、方式。圖3.2所示分別為當(dāng)設(shè)定值由0突變到1時(shí)，在比例(P)作用、比例積分(PI)作用和比例積分微分(PID)作用下，被調(diào)量T(s)變化的過(guò)度過(guò)程?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速的使T(s)達(dá)到設(shè)定值1。比例積分作用則需要稍長(zhǎng)時(shí)間。比例作用最終達(dá)不到設(shè)定值，而有?差。圖3.2模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)為了方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算式，必須把微分方程式（3.1）改寫(xiě)成差分,作如下近似，即生ee（nD（3.3）dtT其中T為控制周期，n為控制周期序號(hào)（n=0,1,2）,e（n-1）和e（n）分別為第（n-1）和第n控制周期所得的偏差。將式（3.2）和（3

19、.3）代入式（3.1）中可得差分方程TnTDM(n)Kce(n)e(j)e(n)e(n1)TIj0T（3.4）其中M（n）為第n時(shí)刻的控制量。如果控制周期T與被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)TD比較是相對(duì)小的，那么這種近似合理的，并與連續(xù)控制十分接近。2.2PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)及其調(diào)節(jié)過(guò)程水箱液位控制系統(tǒng)的目前主要采用PID（比例積分微分）控制方式，這種方式，對(duì)不同的控制對(duì)象要用不同的PID參數(shù)。2.2.1比例控制與其調(diào)節(jié)過(guò)程比例作用實(shí)際是種線性放大（縮?。┕δ?。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)tedt0Te(j)j0(3.2)Minitial圖

20、3.3P、PI、PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)定值準(zhǔn)確相等，它們之間定有殘差。采樣偏差旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生正比于偏差大小的控制作用，使被調(diào)量朝誤差減小方向變化，具作用大小通過(guò)比例增益度量，比例增益大時(shí)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)或產(chǎn)生不穩(wěn)定，而Kc過(guò)小會(huì)使響應(yīng)速度緩慢。調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，調(diào)節(jié)精度降低。在比例調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)u(n)與偏差信號(hào)e成比例，比例系數(shù)為Kc,稱為比例增益。在過(guò)程控制中習(xí)慣用增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系，即1M=e(3.(8)6稱為比例帶。6具有重要的物理意義。如果M直接代表調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化量，那么6就

21、代表使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變100%即從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)所需要的被調(diào)量的變化范圍。 根據(jù)P調(diào)節(jié)器的的輸入輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。比例調(diào)節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方而考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設(shè)置必需保證系統(tǒng)具有定的穩(wěn)定裕度。6很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒(méi)有超調(diào)，但殘差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)；減小6就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度，引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應(yīng)減小。6有個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)步

22、減小6系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。6的臨界值可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2.2.2比例積分調(diào)節(jié)積分作用則是種記憶，對(duì)誤差進(jìn)行累積，有利于消除靜差。但積分作用如果太強(qiáng)，會(huì)引起較大超調(diào)或振蕩，且在實(shí)際當(dāng)中會(huì)經(jīng)常碰到積分飽和現(xiàn)象在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)成鮮明對(duì)比。只有當(dāng)偏差e為零時(shí)，I調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。然而與此同時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何值。這意味著被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)過(guò)程后，被調(diào)量沒(méi)有殘差，而調(diào)節(jié)閥可以停在新的負(fù)荷所要求內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的開(kāi)度。PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾，同時(shí)利用

23、I調(diào)節(jié)消除?差。PI調(diào)節(jié)引入積分動(dòng)作帶來(lái)消除系統(tǒng)殘差的同時(shí)，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率，PI調(diào)節(jié)器的比例帶必須適當(dāng)加大。所以PI調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)間，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇，調(diào)節(jié)過(guò)程加快、振蕩頻率升高。2.2.3比例積分微分調(diào)節(jié)微分作用要是用于產(chǎn)生提前的控制作用，改善動(dòng)態(tài)特性，減小調(diào)整時(shí)間，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。以的比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)的偏差方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。不管被控對(duì)象中流入流出量之間有多大的不平衡。而這個(gè)不平衡決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。由于被調(diào)量的變化速度(包括大小和方向)

24、可以反映當(dāng)時(shí)或稍前些時(shí)間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不要等被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大的偏差后才開(kāi)始動(dòng)作，那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種預(yù)見(jiàn)性，這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱為微分調(diào)節(jié)。單純微分的調(diào)節(jié)器是不能工作的，這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有定的失靈區(qū)，如果被控對(duì)象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺(jué)的速度緩慢變化時(shí)，調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。當(dāng)時(shí)間經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后，被調(diào)量偏移卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況是不被容許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PI調(diào)節(jié)動(dòng)作。2.3PID控制的特點(diǎn)事實(shí)表

25、明，對(duì)于PID這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性價(jià)比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質(zhì)。概括地講，PID控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、實(shí)現(xiàn)方便，是種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器10內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(2)控制器適用于多種不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)魯棒性。確切地說(shuō)，在很多情況下其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)振動(dòng)不敏感。但從另方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)的局限性。具體分析，其局限性主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：(1)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性決定了PID控制比較適用于SIS

26、O最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定過(guò)程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè)PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果。(2)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要極點(diǎn)； 閉環(huán)特性從根本只是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的。(3)出于同樣的原因，決定了單PID控制器無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求。2.4PID參數(shù)整定方法(1)Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式(Z-N公式法)。該方法先求取系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對(duì)象的純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例

27、度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控對(duì)象現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過(guò)程為止，記下此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。11內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1雙容水箱結(jié)構(gòu)圖3.1雙容水箱結(jié)構(gòu)圖水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u(FV10D控制，

28、流出量Q由用戶通過(guò)負(fù)載閥R來(lái)改變，被調(diào)量為下水箱水位h,分析水位在調(diào)節(jié)閥開(kāi)度擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性。參數(shù)：對(duì)某種型號(hào)的水箱，在某平衡點(diǎn)附近，建立其線性化模型，其中各參數(shù)分別為：T1=80s,T2=80s,K1=KuR1=1K2=R2/R1=118s,22s。3.2系統(tǒng)分析兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門(mén)，流量Q只與容器1的液位加有關(guān)，與容器2的液位h2無(wú)關(guān)。容器2的液位也不會(huì)影響容器1的液位，兩容器無(wú)相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門(mén)，故有非線性方程：Q1a1hi內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)Q2a21h2過(guò)程的原始數(shù)據(jù)模型為:令容器1、容器2相應(yīng)的線性水阻分別為Ri和R2：aiR2也2a

29、2其中10為容器1的初始液位，h20為容器2的初始液位。則有過(guò)程傳遞函數(shù)：h2(s)R2Q1(s)A22R2s1hi(s)RQi(s)AiR1si而由式可以推出：Qi(s)hi(s)R因此有：Qi(s)Qi(s)h1(s)iQi(s)hi(s)Qi(s)AiiRis1令時(shí)間常數(shù)TiA1iRi和T2A22區(qū)，最終可得該過(guò)程的傳遞函數(shù)為：h2(s)h2(s)Qi(s)R2R2，、，、，、Z-ZZ2ZZQi(s)Qi(s)Qi(s)T1s1T2s1TT2sTT2s1可見(jiàn)，雖然容器1的液位會(huì)影響容器2的液位，但容器2的液位不會(huì)影響容器1,二者不存在相互影響；過(guò)程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞

30、函數(shù)相乘，但過(guò)程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的i/Ri倍。令Q=ku,對(duì)液位h14dV11dtQQidV22dTQiQ2內(nèi)蒙古科技大學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)控制器：PID;執(zhí)行器：控制閥;干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至控制器（PID）,控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對(duì)象是單水箱時(shí)，通過(guò)不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論可以達(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控

31、制通道相對(duì)較長(zhǎng)，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無(wú)法得到滿意的效果?？紤]到審級(jí)15則控制系統(tǒng)過(guò)程傳遞函數(shù)為：G（s）駕kRu（s）T1s1T2s1由述分析可知，該過(guò)程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢(shì)的階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是個(gè)具有自平衡能力的過(guò)程。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快，反之,若時(shí)間常數(shù)較大（即容器面積較大） ， 則反應(yīng)較慢。 由于該過(guò)程為兩個(gè)階環(huán)節(jié)的串聯(lián)， 過(guò)程等效時(shí)間常數(shù)Tmax （Ti,T2） ,故總體反應(yīng)要較單的階環(huán)節(jié)慢的多。因此通?？捎秒A慣性環(huán)