雙容水箱液位控制 開題報(bào)告

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)開題報(bào)告學(xué)校：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)院：電控學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化班級：組號：第五組組員：實(shí)驗(yàn)日期:指導(dǎo)教師: TOC o 1-5 h z 1、緒論2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2、研究對象的數(shù)學(xué)模型及特性分析3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4、控制器的選擇與控制方案的設(shè)計(jì)與仿真6 HYPERLINK l bookmark86 o Current Do

2、cument 5、擬采用的實(shí)驗(yàn)步驟及理想的實(shí)驗(yàn)曲線15 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 6、模型參數(shù)獲取的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 7、附錄191緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng)，在實(shí)際生 產(chǎn)中，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工、環(huán)保、水處理、冶金等行 業(yè)尤為常見。通過液位的檢測與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料 的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。經(jīng)過比較和篩選，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟(jì) 性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特

3、性，因此采用串級控制系 統(tǒng)PID控制對雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。論文以THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)的 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系 統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。對曲線進(jìn)行處理求出各水箱的 參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中 的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的 方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系 統(tǒng)對各項(xiàng)性能的要求。2、研究對象的數(shù)學(xué)模型及特性分析在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù) 學(xué)模型。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系

4、統(tǒng)、確定控制方案、 分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學(xué)模型 （動(dòng)態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動(dòng)量）作用下， 其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在液位串級控 制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱 是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計(jì)算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為 過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹 鋼儲水箱負(fù)責(zé)供水與儲水。2.1水箱模型分析雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖2-3雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)流量Q為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位

5、高度H為輸出量， 根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時(shí)延，其傳遞函 數(shù)為(1-6)12 G (S) *e sQ1(S)(T1*S 1)T2*S 1)式中K二R , T二R C , T二R C , R、R分別為閥V和V的液阻，C和412 124 224341C分別為左水箱和右水箱的容量系數(shù)。式中的K、T和T可由實(shí)驗(yàn)求 得的階躍響應(yīng)曲線求出。具體的做法是在下圖所示的階躍響應(yīng)曲線上 ?。簣D2-4階躍響應(yīng)曲線1）、h2（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線（8）；2）、h：（t） | t=ti=0.4 %（8）時(shí)曲線上的點(diǎn)A和對應(yīng)的時(shí)間ti；3）、h：（t）：=0.8 h：（8）時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對應(yīng)的時(shí)間t

6、：。然后，利用下面的近似公式計(jì)算式1-6中的參數(shù)K、T1和T2。其K4）、Ti T2中：h2 （）輸入穩(wěn)態(tài)值 T階躍輸入量 q &2.16對于式（1-6）所示的二階過程，0.32匕/匕0.46。當(dāng)匕/匕二0.32 時(shí),為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)t1/t2=0.46時(shí)，過程的傳遞函數(shù)G（S）=K/（TS+1）2 （此匕KT1=T2=T=（t1+t2）/2*2.18 ）5）、/ 、1.74上 0.55）（T1 T2）2弓過曲線的拐點(diǎn)做一條切線，它與橫軸交于A點(diǎn)，OA即為滯后時(shí)間 常數(shù)注意：在以上對象模型的分析過程中，忽略了泵、進(jìn)水閥、出水閥等 環(huán)節(jié)對水箱模型的影響，因此水箱特性的實(shí)際測試結(jié)果，可能與理論 分析

7、有一定偏差。3、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求雙容水箱性能指標(biāo)要求:衰減率 4:1一10:1超調(diào)量M p 10%調(diào)節(jié)時(shí)間1 45s穩(wěn)態(tài)誤差ess 04、控制器的選擇與控制方案的設(shè)計(jì)與仿真1、控制器一一PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制 技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng) 很多，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有利用PID控制實(shí) 現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程 控制器（PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分 控制，簡稱PID控制，又稱P

8、ID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工 業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖2.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際值y（t） 構(gòu)成控制偏差：r(t)y(t)e（t）式（3.1）控制規(guī)律為:U t Kp1 t . e iTi0de tTd dt式（3.2）或以傳遞函數(shù)形式表示:G (s) Tds)Tis式（3.3）Kp：比例系數(shù)T積分時(shí)間常數(shù)TD:微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各控制規(guī)律的作用如下；（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器 的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快

9、克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下 來。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號 的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn) 態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器 中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨 著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨 著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減 小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn) 發(fā)散的振蕩過程。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）

10、：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號 的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的 調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性 環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的 變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接 近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增 加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣具有比例+微分的 控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從 而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的

11、被控 對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中動(dòng)態(tài)特性。PID控制器 的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。2、控制方案的設(shè)計(jì)與仿真控制方案設(shè)計(jì)是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，需要以被控過程模型 和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)，合理選擇被控參數(shù)， 合理設(shè)計(jì)控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設(shè) 計(jì)方案才能使先進(jìn)的過程儀表和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮 良好的作2.1液位串級控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油 、化工、環(huán)保、水處理、冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自

12、動(dòng) 化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和控制。通過液位 的檢測與控制，了解容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié) 容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得 當(dāng)。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，即時(shí)地監(jiān)視或控 制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會造 成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)、產(chǎn)品的不合格，甚 至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有 著重要的實(shí)際意義。在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用THJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，展開設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。串級控制 系統(tǒng)從總體上看，是

13、定值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動(dòng)作用下 的過度過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過度過程，具有相同的品質(zhì)指標(biāo) 和類似的形式。但是，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回 路，因此，與單回路相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）串級控制系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服能力。2）由于副回路的存在，明顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作 頻率。3）串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。除上述優(yōu)點(diǎn)外串級控制系統(tǒng)在有些場合應(yīng)用效果顯著，它主要應(yīng) 用于以下4中場合。1）對象的容量滯后比較大。2）調(diào)節(jié)對象的純滯后比較長。3）系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用。4）調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負(fù)荷變化較大。而雙容水箱均有上

14、述缺點(diǎn)，因此可以看出串級控制系統(tǒng)很適合應(yīng) 用于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)2.2.1控制系統(tǒng)性能指標(biāo)靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號后，輸出響應(yīng)中振蕩過程的衰減 指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過一個(gè)周期以后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。本實(shí)驗(yàn)的衰減率要求 在 4:110:1.超調(diào)量：輸出響應(yīng)中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個(gè)波峰值與穩(wěn)態(tài)值 之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的 時(shí)間2.2.2方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回

15、路 又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制 主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。主調(diào)節(jié)器有自 己獨(dú)立的設(shè)定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器 的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.通過針對雙容水箱液位被 控過程設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的 被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性 能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動(dòng)f1(t )作用于副對象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能 在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾 動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2(t)作用于主對象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的 響應(yīng)加快，使主回路控制作用加

16、強(qiáng)。圖2.2串級控制系統(tǒng)框圖被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì) 量，又易于測量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為 系統(tǒng)被控參數(shù)，因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€(gè)控制作用的關(guān)鍵，要求液位 維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會造成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 的失敗，且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液 位計(jì)、浮力式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電磁式液位計(jì)、超聲波式液位 計(jì)等?？刂茀?shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個(gè)量，一是通過上水箱流入 系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個(gè)流量都可以 改變液位的高低。但當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時(shí)，后一種

17、控制方式 會造成長流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，造成浪費(fèi)或事故。所以選擇 流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。主副回路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對于包含在 其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與 一定的自適應(yīng)能力。主副回路時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使 副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上 水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，所以選 擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，?？刂破鞯倪x擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控 制規(guī)律。為了實(shí)現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主調(diào)節(jié)器選擇比 例積分

18、微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇 比例控制率(P)，對上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng) 進(jìn)行控制，整個(gè)回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。2.3控制系統(tǒng)仿真2.3.1 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最 流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、 數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車 工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究 部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進(jìn)，現(xiàn)今已 推出基于Windows 2000/

19、xp的MATLAB 7. 0版本。新的版本集中了日 常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號處 理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序 設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。MATLAB 提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù) 矩陣，在生成矩陣對象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應(yīng)用 變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：MATALB語言體系MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言.具有 條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特 性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)

20、和算法實(shí)驗(yàn)的基本 任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功 能的總稱.包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以 及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和 3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB 命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命 今，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的 總稱.包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層 次數(shù)學(xué)算法。

21、MATLAB應(yīng)用程序接口0?1)這是MATLAB為用戶提供的一個(gè) 函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序， 包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。MATLAB還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以 配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB具有豐富 的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱 (Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和建模的各種 算法；MATLAB 的系統(tǒng)辨識工具箱(System Identification Toolbox) 可以對控制對象的

22、未知對象進(jìn)行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱 (Simulink)提供了交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán) 境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運(yùn)行仿真，適應(yīng)線性、非 線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng) 的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設(shè) 備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)便可完成系統(tǒng)的仿真。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以 模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。仿真框圖如下。圖2.3 SIMULINK仿真框圖在時(shí)間為0時(shí)

23、對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設(shè)置主控制器PID參數(shù)K =60 T =50 T =3 ;副控制器P參數(shù)為K =50,觀察階躍響應(yīng) PIDP曲線如下。H|代|將副回路圖 2.3.1切除即得到單雙閉環(huán)階躍響應(yīng)彳 m閉環(huán)仿真圖/仿真曲線 象。差更小。2.3.2抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號，觀察響應(yīng) 曲線.在100s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號。 控制器參數(shù)不變。圖2.3.3加入擾動(dòng)后的SIMULINK仿真框圖1.010025015（7由圖2】34和圖235可以看出串級控制通過副回路能夠艮有效的運(yùn)行，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證 比較理想。5、擬采用的實(shí)驗(yàn)步驟及理想

24、的實(shí)驗(yàn)曲線1、實(shí)驗(yàn)步驟（1）系統(tǒng)分析根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用控制理論系統(tǒng)分析的方法，對被 控對象的性能進(jìn)行分析（時(shí)域、頻域）。（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)性能指標(biāo)的要求，進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，進(jìn)行相關(guān)控制器或控 制算法設(shè)計(jì)。（3）系統(tǒng)仿真在MATLAB的Simulink仿真平臺下，進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證控制算 法的可行性、抗干擾性以及參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搭建相關(guān)控制器或編寫相應(yīng)的控制算法，對所選的物理對象進(jìn)行 實(shí)時(shí)控制，并進(jìn)行相關(guān)控制器的調(diào)試，使系統(tǒng)正常工作時(shí)滿足性能指 標(biāo)的要求。（5）系統(tǒng)模型參數(shù)的獲取設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲取系統(tǒng)模型參數(shù)。（6）參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，分析控

25、制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2、理想實(shí)驗(yàn)曲線6、模型參數(shù)獲取的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控 過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大 小。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論 計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過 程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實(shí)際 進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn) 中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣 泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比

26、例法、反應(yīng) 曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公 式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參 數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。1.臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間Ti置于最大，微分時(shí) 間TD置零，比例度8置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器 的比例度8由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時(shí)的臨 界比例度、和臨界振蕩周期。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.1臨界比例整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)、器參數(shù)控制規(guī)律 8titdP28.PI2.2 8 .T/1.2PID1.68.0.5T.0.25T.2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)

27、中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T置于最大，微分時(shí) 間TD置零，比例度8置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并逐漸減 少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4: 1的衰減為止。記錄下此時(shí)的4: 1 衰減比例度8和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.2阻尼振蕩整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)器、參數(shù) 控制規(guī)律 8TiTDP8,PI1.28s0.5T,PID0.88,0.3T,0.1T,3.反應(yīng)曲線法若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系 統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算。在調(diào)節(jié)閥的 輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應(yīng)曲線，并根據(jù)該曲 線求出代表廣義過程的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。7、附錄附

28、件1: THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實(shí)驗(yàn)平臺提供電源。有土 5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A 五路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相應(yīng)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā) 光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。實(shí)驗(yàn)前，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺左側(cè)的空氣開關(guān)和實(shí)驗(yàn)臺上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將5V、 15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過2號連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，

29、主要輸 出有正弦波信號、三角波信號、方波信號、斜波信號和拋物波信號。輸出頻率分為T1、T2、 T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5也一86.4也、49.8Hz 1.7kHz、700Hz10kHz 三檔，Vp-值為 16V。使用時(shí)先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形 及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和 幅值，并通過2號連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個(gè)鎖零按鈕，用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時(shí)， 通用單元中的場效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的

30、初始電壓為0V ;當(dāng)按 鈕復(fù)位時(shí)，單元中的場效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時(shí)可以開始實(shí)驗(yàn)。三、階躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時(shí)的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為5+5V，正負(fù)檔 連續(xù)可調(diào)。使用時(shí)根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過“階躍信號發(fā)生器”單元的拔 動(dòng)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時(shí)，單元的輸出端輸出一個(gè)連續(xù)可調(diào)選擇正輸出時(shí)，調(diào)RP1 電位器；選擇負(fù)輸出時(shí)，調(diào)RP2電位器）的階躍信號當(dāng)輸出電壓為1V時(shí)，即為單位階躍信 號），實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實(shí)驗(yàn)臺上的直流數(shù)字電壓表來進(jìn)行測量。四、低頻頻率計(jì)低頻頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六位

31、共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，具有輸入阻抗 大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計(jì)主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時(shí)先將低頻頻率 計(jì)的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關(guān)拔到“外測”（此時(shí)通 過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號）或“內(nèi)測”（此時(shí)測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸 出信號的頻率）。另外本單元還有一個(gè)復(fù)位按鈕，以對低頻頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測/外測”開關(guān)置于“外測”時(shí)，而輸入接口沒接被測信號時(shí)，頻率計(jì)有時(shí) 會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計(jì)的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的 頻率。此現(xiàn)象并不影響

32、內(nèi)外測頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交眉流數(shù)字電壓表有三個(gè)量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它 作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，它 具有頻帶寬(10Hz400kHz)、精度高(5%。)和真有效值測量的特點(diǎn)，即使測量窄脈沖 信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實(shí)驗(yàn)平臺的U1、U2、U4U18單元。這些單元主要由運(yùn)方攵、電容、 電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象 的數(shù)學(xué)模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U4

33、為電壓轉(zhuǎn)換單元，U5為非 線性單元，U6為反相器單元。U7 U18為通用運(yùn)放單元，主要用于比例、積分、微分、慣 性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。七、零階保持器零階保持器為實(shí)驗(yàn)主面板上U3單元。它采用“采樣-呆持器”組件LF398，具有將連續(xù) 信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。使用時(shí) 只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。八、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)， 其采樣頻率為350k ;有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量 輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16

34、路開關(guān)量輸出。接口單元?jiǎng)t放于實(shí)驗(yàn)平臺 內(nèi)，用于實(shí)驗(yàn)平臺與PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其 中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位機(jī)軟件安裝及使用說明一、上位機(jī)控制工程運(yùn)行環(huán)境項(xiàng)目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文上位機(jī)程序適用于MATLAB6.5版本MATLAB 控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計(jì)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，可以用于不同的領(lǐng)域，如過程 仿真與控制、汽車、航空航天、計(jì)算機(jī)和通訊等領(lǐng)域。使用MATLAB 高級編程語言，

35、能使 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析更加方便，編程者只需花很短的時(shí)間就可以開發(fā)出控制算法復(fù)雜、繪 圖功能強(qiáng)大的程序，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實(shí)驗(yàn)程序處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不能強(qiáng)制對界面進(jìn)行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。 二、上位機(jī)軟件的使用說明1、仿真部分使用說明1.1雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。仿真過程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容， 修改仿真窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存 盤。1.2當(dāng)達(dá)到仿真結(jié)束時(shí)間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時(shí)，可通過同時(shí)修改仿真 參數(shù)和示波器參數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)的修改方法:按住Ctrl+E鍵,在彈出的窗口中修改Stop ti

36、me 的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中點(diǎn)擊Parameters圖標(biāo)，在彈出的窗 口中修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參 數(shù)的Stop time直。1.3示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Propertie項(xiàng)，在 彈出的窗口中修改Y-min和Y-max的值。1.4每次參數(shù)更新后，需點(diǎn)擊Start Simulation標(biāo)進(jìn)行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果 （“典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量”仿真除外）。2、實(shí)驗(yàn)部分使用說明2.1雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容， 修改實(shí)驗(yàn)窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存 盤。2.2示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Propertie項(xiàng)，在 彈出的窗口中修改Y-min和Y