基于MATLAB的多容對象液位控制系統(tǒng)仿真

北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于MATLAB的多容對象液位控制系統(tǒng)仿真PAGEPAGE50目錄前言 1第一章串級(jí)控制系統(tǒng)及仿真概述 21.1串級(jí)控制系統(tǒng)簡介 21.1.1基本概念及組成結(jié)構(gòu) 21.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程 21.1.3系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 31.1.4工程應(yīng)用場合 31.1.5系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31.2.1主回路的設(shè)計(jì) 31.2.2副回路的設(shè)計(jì) 41.2.3主、副回路的匹配 41.3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 51.3.1用于克服被控過程較大的容量滯后 51.3.2用于克服被控過程的純滯后 61.3.3用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 61.3.4用于克服被控過程的非線性 61.4過程控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真 61.4.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 61.4.2控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真 7第二章PID控制簡介及整定方法 102.1PID控制簡介 102.2PID參數(shù)整定方法 13第三章多容液位控制系統(tǒng)的建模 183.1過程建模的方法 183.1.1機(jī)理法 183.1.2.測試法 193.1.3階躍響應(yīng)法 193.2有相互影響的雙容建模 203.3無相互影響的多容過程 22第四章多容液位控制系統(tǒng)的仿真 254.1被控對象的仿真模型 254.2單回路控制系統(tǒng)的仿真 254.3串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 31第五章總結(jié)和展望 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附錄 42前言隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，液位過程控制的應(yīng)用十分普遍，所以為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，生產(chǎn)工藝要求儲(chǔ)槽內(nèi)的液位常常需要維持在某個(gè)設(shè)定值上，或只允許在某一小范圍內(nèi)變化。與此同時(shí)，為確保生產(chǎn)過程的安全，還要絕對保證液體不產(chǎn)生溢出。所以人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性、時(shí)延的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對非線性、時(shí)延對象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)際意義。每一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用的控制算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。本文所提及的雙容水箱液位控制系統(tǒng)是參考了國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)裝置并充分考慮性能價(jià)格比的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)的一種可以模擬多種對象特性的實(shí)驗(yàn)裝置。雙容水箱雖然結(jié)構(gòu)簡單，但卻是最基本的過程空竹系統(tǒng)。即使在復(fù)雜、高水平的過程控制系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)仍占大多數(shù)（約占工業(yè)控制系統(tǒng)的70%以上）。復(fù)雜過程控制系統(tǒng)也是在簡單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，即便是一些高級(jí)過程控制系統(tǒng)，也往往是將這類系統(tǒng)作為最低層的控制系統(tǒng)。因此，學(xué)習(xí)和掌握簡單控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法既具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，又是學(xué)習(xí)和掌握其他各類復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時(shí)，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義。第一章串級(jí)控制系統(tǒng)及仿真概述1.1串級(jí)控制系統(tǒng)簡介串級(jí)控制系統(tǒng)是指把兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。1.1.1基本概念及組成結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)【1】。1.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動(dòng)施加點(diǎn)的位置不同，分種情況進(jìn)行分析：(1)擾動(dòng)作用于副回路(2)擾動(dòng)作用于主過程(3)擾動(dòng)同時(shí)作用于副回路和主過程分析可以看到：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。1.1.3系統(tǒng)特點(diǎn)及分析(1)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。(2)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。(3)提高了系統(tǒng)的工作頻率。(4)對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)1.1.4工程應(yīng)用場合(1)應(yīng)用于容量滯后較大的過程(2)應(yīng)用于純時(shí)延較大的過程(3)應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過程(4)應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程(5)應(yīng)用于非線性過程1.1.5系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)(2)副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)(3)控制系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇(4)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇(5)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.2.1主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，設(shè)計(jì)過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。1.2.2副回路的設(shè)計(jì)由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。歸納如下。(1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。(2)將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。(3)副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。(4)要將被控對象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對象中。(5)在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧(2)和(3)的綜合?！?】1.2.3主、副回路的匹配(1)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動(dòng)越多，其通道就越長，時(shí)間常數(shù)就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會(huì)降低。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在3～10之間。比值過高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過少，對于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對被控量的影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主、副回路“共振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。(2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。系統(tǒng)對二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規(guī)律而不引入I或D控制。如果引入I控制，會(huì)延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入D控制，因?yàn)楦被芈凡捎肞控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入D控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。(3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式?！?】1.3串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用1.3.1用于克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統(tǒng)中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。1.3.2用于克服被控過程的純滯后被控過程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副回路中，提高副回路對系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。1.3.3用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng)串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。1.3.4用于克服被控過程的非線性在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。1.4過程控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真1.4.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及控制理論、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)明和法陣同步進(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，對控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程包含如下步驟：(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的計(jì)算機(jī)語言（Basic、FORTRAN、C等語言）編制控制系統(tǒng)的仿真程序，或直接利用一些仿真語言。(4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果通過對仿真模型對試驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。如果應(yīng)用MATLAB的Toolbox及Simulink集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了MATLAB仿真。【4】1.4.2控制系統(tǒng)的MATLAB計(jì)算與仿真MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrixlaboratory)之意。MATLAB具有以下主要特點(diǎn)：(1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣MATLAB除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)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，MATLAB均可完成。(2)語言簡潔緊湊，使用方便靈活MATLAB提供的庫函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫函數(shù)。MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數(shù)避開了復(fù)雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，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具有有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。MATLAB的函數(shù)命令眾多，功能各異，但MATLAB得聯(lián)機(jī)幫助功能使用戶既可用help命令查詢某個(gè)函數(shù)的功能及使用，又可由MATLAB圖形界面下的help菜單來查詢，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)過程計(jì)算語言，使用MATLAB編程運(yùn)算與人的科學(xué)思路和表達(dá)方式相吻合，猶如在演算紙上運(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。MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡單，MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。(5)功能強(qiáng)大的工具箱MATLAB包含兩個(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)百個(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：功能性工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(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。針對過程控制系統(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的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用MATLAB的Toolbox與Simulink仿真工具，為過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算和仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(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，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(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)，并基于以上優(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MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(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。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，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提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、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提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(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MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(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。b.交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖c.以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。d.通過ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(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代碼集成。f.使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。g.使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型。h.圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為?！?】第二章PID控制簡介及整定方法2.1PID控制簡介1.PID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：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調(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：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。【6】在過去的十幾年里，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)過程控制中95%以上的控制回路都具有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1.1所示。這是一個(gè)典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由PID控制器和被控對象組成。圖1.1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是一種線性控制器，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)將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為SKIPIF1<0傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+SKIPIF1<0+Tds]=Kp+KtSKIPIF1<0+Kds式中Kp為比例系數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)；Kt=Kp/Tt為積分常數(shù)，Kd=KpTd為微分系數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。當(dāng)偏差。e(t)=0時(shí)，控制作用也為0。因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度取決于比例系數(shù)Kp。Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。(2)積分環(huán)節(jié)。能對偏差進(jìn)行記憶，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Tt。Tt越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但Tt過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若Tt過大，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(3)微分環(huán)節(jié)。能反映偏差的變化趨勢，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但Td過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能?！?】(4)比例積分環(huán)節(jié)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。PI控制器在與被控對象串聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于遠(yuǎn)點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。在實(shí)際工程中，PI控制器通常用來改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。(5)比例微分環(huán)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，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。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)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，就能提前使抑制誤差的作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。因此對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。(6)比例積分微分環(huán)節(jié)PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所以從時(shí)間的角度講，比例作用是針對系統(tǒng)當(dāng)前偏差進(jìn)行控制，積分作用則針對系統(tǒng)偏差的歷史，而微分作用則反映了系統(tǒng)偏差的變化趨勢，這三者的組合是“過去、現(xiàn)在、未來”的完美結(jié)合。2.PID控制的特點(diǎn)事實(shí)表明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性價(jià)比在市場中占據(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，PD控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:(1)原理簡單、結(jié)構(gòu)簡明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器;(2)控制器適用于多種不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)魯棒性。確切地說，在很多情況下其控制品質(zhì)對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)攝動(dòng)不敏感。但從另一方面來講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾個(gè)方面:(1)算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時(shí)，需要通過多個(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)主要零極點(diǎn);閉環(huán)特性從根本上只是基于動(dòng)態(tài)特性的低階近似假定的;(3)出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無法同時(shí)滿足對假定設(shè)定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求?！?】2.2PID參數(shù)整定方法自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，隨著各種技術(shù)和理論的發(fā)展，PID參數(shù)整定的方法越來越多。1.傳統(tǒng)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)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對象的純遲延時(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)。此方法簡單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。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)，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對一階慣性加純遲延的對象，時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí);對干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(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)，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過程為止，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)。傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定主要是一些手動(dòng)整定方法，階躍響應(yīng)是其整定PID參數(shù)的主要依據(jù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，因其簡單實(shí)用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;同時(shí)，對于一些系統(tǒng)，由于控制對象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。1984年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩，對過程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計(jì)值，再利用Z-N經(jīng)驗(yàn)公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算出PID的參數(shù)。從根本上說，這仍然是根據(jù)過程響應(yīng)來整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標(biāo)。【1】(4)積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制在一般的PID控制中，當(dāng)存在較大的擾動(dòng)和大幅度給定值變化時(shí)，此時(shí)有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會(huì)導(dǎo)致超大的超調(diào)和長時(shí)間的調(diào)節(jié)時(shí)間。特別是對于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時(shí)，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時(shí)，才施加積分控制。即：a.當(dāng)SKIPIF1<0時(shí)，采用PD控制；b.當(dāng)SKIPIF1<0時(shí)，采用PID控制。其中，SKIPIF1<0為積分分離值，它可根據(jù)具體對象及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來確定。實(shí)際中SKIPIF1<0的值要選的合適，若SKIPIF1<0值過大，則達(dá)不到積分分離的目的；若SKIPIF1<0值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0積分分離時(shí)，取SKIPIF1<0常見的積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5)數(shù)字變PID控制對于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因?yàn)槠胀≒ID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個(gè)參數(shù)在整定時(shí)對當(dāng)時(shí)的被調(diào)參量可能是合適的，但是被調(diào)參量時(shí)刻都在變化并且有時(shí)可能波動(dòng)范圍很大。此時(shí)如果再用以前已整定好的PID參數(shù)來控制此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動(dòng)情況由控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。I積分時(shí)間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強(qiáng)，I的各個(gè)分段值應(yīng)根據(jù)對PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動(dòng)范圍確定。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù)PID控制系統(tǒng)的要求而定?！?】2.最優(yōu)整定方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論的發(fā)展，PID參數(shù)的整定方法發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問題新的生命力，PID控制器的最優(yōu)化整定方法是針對特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。常用的性能指標(biāo)除ISE，IAE，ISTE，ITAE，IST2E等指標(biāo)外，還有改進(jìn)ITAE指標(biāo)，對階躍響應(yīng)過程中不同響應(yīng)階段區(qū)別對待，不同階段的偏差賦予不同的權(quán)重，以獲得更佳的控制品質(zhì);加權(quán)二次型性能言指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。目前還有一種基于偏差積分指標(biāo)最小準(zhǔn)則的工程實(shí)用參數(shù)整定法，它根據(jù)被控對象的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，求取被控對象的等效純遲延時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)，得到等效過程模型，由此模型按最優(yōu)化方法計(jì)算得出一系列參數(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu)PID參數(shù)。相對傳統(tǒng)整定方法來說，數(shù)值最優(yōu)化方法有著明顯的優(yōu)越性，優(yōu)化的結(jié)果比較精確，控制效果比較好。但運(yùn)用數(shù)值最優(yōu)化方法必須建立較精確的數(shù)學(xué)模型，且對模型的要求比較嚴(yán)格，一般要求在解空間連續(xù)可導(dǎo);此外，從某種意義上說，數(shù)值解析最優(yōu)化方法只是一種局部尋優(yōu)的方法，易陷入局部最小;而且某種數(shù)值解法通常只對某一類問題適用，對于不同的系統(tǒng)，需要根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇合適的方法。3.智能整定方法近年來，隨著智能控制理論的發(fā)展，專家系統(tǒng)、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)日益受到控制界的重視，出現(xiàn)了一些智能優(yōu)化手段，主要有如下幾種:（1）專家智能型PID參數(shù)自整定技術(shù)。該自整定技術(shù)在線觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可識(shí)別過程的響應(yīng)參數(shù)，并由此確定PID控制器參數(shù)。識(shí)別過程利用了閉環(huán)回路中存在的干擾，無需對被控對象做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。通過對干擾響應(yīng)的觀察，實(shí)現(xiàn)對過程的識(shí)別，然后由專家系統(tǒng)對PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。專家系統(tǒng)的核心就是知識(shí)庫，控制器參數(shù)的調(diào)整完全依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)，無需過程對象模型，但不同的專家整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)不同，因而針對相同的過程會(huì)出現(xiàn)不同的整定參數(shù)。此外，由于缺少特定過程的先驗(yàn)知識(shí)，投運(yùn)初期，會(huì)有一個(gè)比較長的自整定過程才能達(dá)到穩(wěn)定。（2）基于模糊推理的PID自整定。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于運(yùn)用模糊理論和方法將操作人員或?qū)＜业恼ń?jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為模糊規(guī)則模型，形成微機(jī)的查詢表格及解析式，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理來實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的調(diào)整。這種控制器不依賴于特定的過程，因而魯棒性很強(qiáng)。該方法根據(jù)對象的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在給定的PID參數(shù)附近對控制器進(jìn)行調(diào)整，屬于一種局部尋優(yōu)方案，而且預(yù)給定的PID參數(shù)必須具有一定品質(zhì)。(3)基于遺傳算法的PID參數(shù)整定。最常見的是標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法SGA。優(yōu)化PID控制器時(shí)，將控制器參數(shù)按二進(jìn)制或其它形式編碼，按Kp、TI和TD拼接成一條染色體個(gè)體，然后隨機(jī)生成一組個(gè)體，稱為群體。它以個(gè)體的適應(yīng)度判斷個(gè)體的優(yōu)劣，適應(yīng)度函數(shù)一般基于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能指標(biāo)，常為各種積分型指標(biāo)的某種函數(shù)。依據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度按概率從當(dāng)前群體中選擇個(gè)體進(jìn)行交叉、變異產(chǎn)生下一代群體。個(gè)體的適應(yīng)度越高，其被選擇的概率越大，然后再對下一代群體進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)勝劣汰。因?yàn)樵谶\(yùn)用遺傳算法對PID參數(shù)尋優(yōu)的個(gè)體評價(jià)過程中，許多個(gè)體所對應(yīng)的參數(shù)都可能使實(shí)際過程系統(tǒng)失控，這在應(yīng)用中是不能接受的，因此一般采用的是基于模型的PID控制器參數(shù)優(yōu)化，對過程不產(chǎn)生任何影響;同時(shí)優(yōu)化是基于模型，對模型響應(yīng)的評價(jià)大大加快，可以在較短的時(shí)間里得到最優(yōu)化結(jié)果。遺傳算法操作的是解空間的一組個(gè)體，而非單個(gè)解，因而可以有效地減小局部收斂的危險(xiǎn)。此外，遺傳算法采用純數(shù)值計(jì)算方法和隨機(jī)進(jìn)行策略，無需模型梯度信息，使得問題的處理更具靈活性、適應(yīng)性、全局性和魯棒性。從理論上來看，它能有效地攻克十分困難的優(yōu)化問題。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，它不僅能提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，而且能降低設(shè)計(jì)的難度，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管遺傳算法在優(yōu)化問題上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但由于其本身還存在著一些問題，如理論上還不完善、收斂性問題、未成熟收斂(早熟)、局部搜索能力差等，遺傳算法的應(yīng)用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進(jìn)的遺傳算法。此外，還有其它的一些策略有助于改進(jìn)遺傳算法的收斂性?！?】第三章多容液位控制系統(tǒng)的建模3.1過程建模的方法從控制的角度來看，過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)方案和控制算法設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)之一，然而，在不少情況下必須同時(shí)掌握過程的動(dòng)態(tài)特性，需要把靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型結(jié)合起來。模型的建立方法可分為機(jī)理建模方法和測試建模方法，下面分別進(jìn)行闡述。3.1.1機(jī)理法用機(jī)理法建模就是根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，例如物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動(dòng)量平衡方程，反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理法建模也稱為過程動(dòng)態(tài)學(xué)方法，它的特點(diǎn)是把研究的過程視為一個(gè)透明的匣子，因此建立的模型也稱為“白箱模型”。機(jī)理法建模的主要步驟如下：(1)根據(jù)過程的內(nèi)在機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程；(2)消去中間變量，建立狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關(guān)系；(3)在工作點(diǎn)附近對方程進(jìn)行增量化，建立增量化方程；(4)在共作點(diǎn)處進(jìn)行線性化處理，簡化過程特征；(5)列出狀態(tài)方程和輸出方程。機(jī)理建模法的首要條件是需要過程的先驗(yàn)知識(shí)，并且可以比較確切地對過程加以數(shù)學(xué)描述。用機(jī)理法建模時(shí)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況，這時(shí)可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)?！?5】3.1.2.測試法測試法建模通常只用于建立輸入/輸出模型。它根據(jù)過程的輸入和輸出的實(shí)測數(shù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到模型，主要特點(diǎn)是把被研究的過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，也稱為“黑箱模型”。復(fù)雜過程一般都采用測試法建模。測試法建模又可分為經(jīng)典辨識(shí)法和系統(tǒng)辨識(shí)法兩大類；(1)經(jīng)典辨識(shí)法不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡單的數(shù)學(xué)處理，計(jì)算工作量一般較小。經(jīng)典辨識(shí)法包括時(shí)域法、頻域法和相關(guān)分析法。采用經(jīng)典辨識(shí)法，直接獲得的是非參數(shù)模型，一般是時(shí)間或頻率為自變量的試驗(yàn)曲線或數(shù)據(jù)集。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或隨機(jī)函數(shù)作用于過程，直接得到的是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)或譜密度，他們都是圖形或數(shù)據(jù)集。對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結(jié)構(gòu)，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應(yīng)用。對非線性模型，可以直接作為辨識(shí)結(jié)果，即直接用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)作為對象模型；有時(shí)還需要將圖形或數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)或其他形式的參數(shù)模型。(2)系統(tǒng)辨識(shí)法其特點(diǎn)是可以清除測試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)是不可缺少的工具。它所涉及的內(nèi)容很豐富，已形成一個(gè)專門的學(xué)科分支。系統(tǒng)辨識(shí)方法不需要過程的先驗(yàn)知識(shí)?！?0】3.1.3階躍響應(yīng)法階躍響應(yīng)法建模是實(shí)際中常用的方法，其方法是獲取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)?；静襟E是：首先通過手動(dòng)操作使過程共作所需測試的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，快速改變過程的輸入量，并用紀(jì)錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)記錄過程輸入和輸出的變化曲線，經(jīng)過一段時(shí)間后，過程進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束得到的記錄曲線就是過程的階躍響應(yīng)。多容過程是指有多個(gè)貯蓄容量的過程，多容過程可分為有相互影響的多容過程和無相互影響的多容過程。雙容過程是最簡單的多容過程，本設(shè)計(jì)以雙容過程為例，分析多容過程的數(shù)學(xué)建模?！?4】3.2有相互影響的雙容建模圖3.1的雙容器之間有一串聯(lián)在一起的管路，管路的流量Q1不僅與容器1的液位h1有關(guān)，也與容器2的液位h2有關(guān)。所以不僅容器1的液位會(huì)影響容器2的液位，容器2的液位也會(huì)影響容器1的液位，兩容器相互影響。圖3.1有相互影響的雙容液位過程兩容器的液位和流出量之間都為非線性關(guān)系，有：SKIPIF1<0（3-1）其中，a1和a2分別為容器1、容器2的比例系數(shù)，與手動(dòng)閥門開度有關(guān)；若設(shè)容器1、容器2相應(yīng)的線性化水阻分別為R1何R2SKIPIF1<0(3-2)則有：SKIPIF1<0(3-3)SKIPIF1<0(3-4)如此有過程的數(shù)學(xué)描述：SKIPIF1<0(3-5)SKIPIF1<0(3-6)令SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,經(jīng)整理有：SKIPIF1<0(3-7)SKIPIF1<0(3-8)得出SKIPIF1<0與SKIPIF1<0得關(guān)系如下：SKIPIF1<0(3-9)對式（2-35）求導(dǎo)，再代入式（2-36）有：SKIPIF1<0(3-10)類似方法可推出SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的關(guān)系。最后導(dǎo)出容器1、容器2的過程傳遞函數(shù)SKIPIF1<0、SKIPIF1<0分別為：SKIPIF1<0(3-11)SKIPIF1<0(3-12)可見兩個(gè)環(huán)節(jié)都是二階的。式（2-39）也可以寫成：SKIPIF1<0(3-13)其中，SKIPIF1<0,SKIPIF1<0。從上述分析可知，該過程是一個(gè)典型的二階環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)特性取決于自振蕩頻率SKIPIF1<0和阻尼系數(shù)SKIPIF1<0。當(dāng)SKIPIF1<0SKIPIF1<01時(shí)，系統(tǒng)特性為過阻尼特性，變化較為緩和；當(dāng)SKIPIF1<0時(shí)，過程特性為衰減振蕩，SKIPIF1<0越小則衰減的越慢，而振蕩頻率與自振蕩頻率SKIPIF1<0有關(guān);當(dāng)SKIPIF1<0=0時(shí)，系統(tǒng)特性呈等幅振蕩，此時(shí)振蕩頻率為SKIPIF1<0?！?3】3.3無相互影響的多容過程無相互影響的雙容液位過程如圖3.2所示。圖3.2無相互影響的雙容液位過程與圖3.1相比，圖3.2的雙容器之間沒有串聯(lián)的管路，兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量SKIPIF1<0只與容器1的液位SKIPIF1<0有關(guān)，與容器2的液位SKIPIF1<0無關(guān)。容器2的液位也不會(huì)影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，故有非線性方程：SKIPIF1<0(3-14)SKIPIF1<0(3-15)過程的原始數(shù)據(jù)模型為：SKIPIF1<0(3-16)令容器1、容器2相應(yīng)的線性水阻分別為SKIPIF1<0和SKIPIF1<0：SKIPIF1<0(3-17)SKIPIF1<0(3-18)其中SKIPIF1<0為容器1的初始液位，SKIPIF1<0為容器2的初始液位。則有過程傳遞函數(shù)：SKIPIF1<0(3-19)SKIPIF1<0(3-20)而由式（2-41）可以退出：SKIPIF1<0(3-21)因此有：SKIPIF1<0(3-22)令時(shí)間常數(shù)SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，綜合式（2-46）和式（2-49），最終可得該過程的傳遞函數(shù)為：SKIPIF1<0(3-23)可見，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)的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為：SKIPIF1<0(3-24)由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個(gè)具有自平衡能力的過程。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。由于該過程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時(shí)間常數(shù)SKIPIF1<0，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。因此通常可用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似無相互影響的多容系統(tǒng)?！?】第四章多容液位控制系統(tǒng)的仿真4.1被控對象的仿真模型單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、即使成熟、操作維護(hù)也比較方便，在生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用。為了設(shè)計(jì)好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)均達(dá)到要求值，就必須很好地了解具體的生產(chǎn)工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類型和控制器的參數(shù)等。串級(jí)控制系統(tǒng)必須合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得到充分的發(fā)揮。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計(jì)和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。串級(jí)控制系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。為此，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包括在副回路中，并且把副回路放大系數(shù)整定的應(yīng)大些，會(huì)使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制將干擾對系統(tǒng)的影響降到最低。【12】在雙容控制系統(tǒng)中，主被控對象的數(shù)學(xué)模型為SKIPIF1<0，副被控對象的數(shù)學(xué)模型為SKIPIF1<0，控制器采用PI控制規(guī)律對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究?？刂破鲄?shù)整定到最佳值SKIPIF1<0時(shí)，得出單回路控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖，串級(jí)控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖。通過分析和比較單回路和串級(jí)也為控制系統(tǒng)的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統(tǒng)和串級(jí)液位控制系統(tǒng)的差異，具體仿真過程如下所述。4.2單回路控制系統(tǒng)的仿真單回路控制系統(tǒng)在設(shè)定值為1300時(shí)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.1.1所示。SKIPIF1<0。(a)(b)圖4.1單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線對于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.2.1，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約730s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.2單回路系統(tǒng)二次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用下的輸出曲線同樣對于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，圖加幅值為設(shè)定值40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.3.1，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為530s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.3單回路系統(tǒng)一次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出曲線同樣對于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，同時(shí)突加幅值為設(shè)定值40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4.4.1，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為530s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.4單回路系統(tǒng)一次和二次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出曲線4.3串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真副控制器選擇P作用，主控制器選擇PID作用，整定串級(jí)控制器的參數(shù)為最佳值，同樣是40%的設(shè)定值設(shè)定值擾動(dòng)。SKIPIF1<0(a)(b)圖4.5串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(a)串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真框圖(b)串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線對于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，圖加幅值為設(shè)定值40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.7所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為330s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.6串級(jí)控制系統(tǒng)二次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線對于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.8所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為260s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.7串級(jí)控制系統(tǒng)一次干擾作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線對于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約900s后，突加幅值為設(shè)定值40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.9所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為280s。(a)(b)(c)圖4.9串級(jí)控制系統(tǒng)一次和二次干擾同時(shí)作用下的響應(yīng)曲線(a)仿真框圖(b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線從上面的仿真曲線可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)具有更好的控制效果。第五章總結(jié)和展望經(jīng)過三個(gè)月的時(shí)間，我的論文終于完成了，回想起這三個(gè)月的艱辛，讓我覺得很值得。剛開始拿到論文時(shí)間，我對題目還不是很明白，就想通過上網(wǎng)查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒找到，就在這找資料的過程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關(guān)論文，從中知道了題目的意思，和論文寫作思路。我做的是多容液位控制，是以串級(jí)的雙容液位控制過程來做的，在做論文的過程中用到了MATLAB的仿真，數(shù)學(xué)建模和PID控制，數(shù)學(xué)模型的建立和PID控制是本論文的基礎(chǔ)，如果沒有這兩個(gè)部分，我就沒辦法去做仿真。問題出現(xiàn)最多的就是仿真過程，剛開始仿真的時(shí)候，我以為建立模型然后就能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，沒想到我參數(shù)沒有調(diào)節(jié)好，以致我在仿真的這個(gè)地方用了很長時(shí)間，最后還是在老師和同學(xué)的幫助下完成的。所有的工作做完以后就是論文的定稿了，由于我以前做的東西很散，所以整理起來不是很容易，不過最后還是整理出來了，看著我自己做出來的論文，我覺得工作已經(jīng)完成了，便發(fā)給老師看初稿，結(jié)果說我內(nèi)容作的太單調(diào)，仿真方法單一，于是我又開始了修改的工作。單一是因?yàn)槲抑挥写?jí)控制，所以我又做了一個(gè)單回路控制過程，又來比較兩者的優(yōu)越，通過仿真結(jié)果得出的波形，來說明問題，而不是通過單一的文字描述來說理。然后又對用到過的軟件做了一些簡介。經(jīng)過再三修改，論文終于完成了，也通過了老師的認(rèn)可，論文終于定稿了。論文寫作的過程雖然很累，但努力終歸得到了收獲，自己覺得很自豪，回首走過的路，覺得現(xiàn)在心中平靜多了。研究展望本文對多容液位的研究只不過是基本雙容液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒有涉及。在控制方面可以選擇更加好的PID控制以提高控制精度。致謝本文是在馮翼老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。馮翼老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于液位PID控制方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。本論文的完成也離不開其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。再次感謝馮以老師在論文開題、初稿、預(yù)答辯期間所提出的寶貴意見，感謝伍陽同學(xué)對我仿真過程的幫助，感謝303宿舍全體同學(xué)對我的鼓勵(lì)和支持。還要感謝同門的師兄師妹們，在涉及過程中給我以許多建議和幫助?；叵胝麄€(gè)論文的寫作過程，雖有不易，卻讓我除卻浮躁，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了法學(xué)的精髓和意義，因此倍感珍惜。

在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!參考文獻(xiàn)【1】過程控制與自動(dòng)化儀表[M],機(jī)械工業(yè)出版社,潘永湘楊延西趙躍編著【2】過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M],機(jī)械工業(yè)出版社,劉文定王東林編著【3】過程控制與Simulink應(yīng)用[M],電子工業(yè)出版社,王正林郭陽寬編著【4】MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南[M],西電出版社出版,陳懷琛編著【5】三容水箱的建模及基于T-S模型的模糊PID控制[J]，控制理論與控制工程，趙科，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文【6】魯棒控制及其在三容系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]，張博，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文【7】三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究[D]，蔡喜翠，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文【8】基于遺傳算法的系統(tǒng)建模與PID控制方法研究[D]，徐春梅，武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文【9】基于智能儀表的串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，朱廣吳君曉，河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)【10】基于動(dòng)態(tài)矩陣的液位控制系統(tǒng)，陳榮保，李勁松【11】三容水箱液位控制系統(tǒng)，李偉，黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)【12】彷人多模態(tài)雙容水箱控制系統(tǒng)研究[J]，王武蔡子亮張?jiān)?，許昌學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院【13】容器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J],高紅陳旭王永鋒，化學(xué)工業(yè)與工程【14】雙容液位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦控制[J]，羅雄麟宋浩許峰，化工自動(dòng)化及儀表中國石油大學(xué)【15】階躍響應(yīng)模型在三容水箱中的預(yù)測控制[J]，杜志偉陳輝尹力，林業(yè)勞動(dòng)安全附錄ThesignificanceofPIDcontrolThecurrentlevelofindustrialautomationindustriestomeasurethelevelofmodernizationhasbecomeanimportantsymbol.Meanwhile,thecontrolalsoexperiencedthedevelopmentofthetheoryofclassicalcontroltheory,moderncontroltheoryandintelligentcontroltheoryofthreestages.Intelligentcontrolisatypicalexampleoffuzzyautomaticwashingmachine.Open-loopcontrolsystemcanbedividedintocontrolsystemsandclosed-loopcontrolsystem.Acontrolsystemincludingcontroller,sensors,transmitters,actuators,inputandoutputinterfaces.Controller'soutputthroughtheoutputinterface,theimplementingagency,addedtothechargedsystem;controlsystem,theamountcharged,throughsensors,transmitters,senttothecontrollerthroughtheinputinterface.Differentcontrolsystems,sensors,transmitters,actuatorsarenotthesame.Suchaspressurecontrolsystempressuresensortobeused.Electricheatingcontrolsystemsensorisatemperaturesensor.Atpresent,PIDcontrolandcontrollerorintelligentPIDcontroller(instrument)hasalotofproductshavebeenintheengineeringpracticehasbeenwidelyapplied,thereisawiderangeofPIDcontrollers,themajorcompanieshavedevelopedPIDparameterself-tuningcapabilitiesofintelligentcontroller(intelligentregulator),whichautomaticallyadjuststhePIDcontrollerparametersareadjustedthroughtheintelligentorself-correction,adaptivealgorithmstoachieve.PIDcontrolareachievedusingpressure,temperature,flow,liquidlevelcontroller,PIDcontrolcanachieveprogrammablecontroller(PLC),alsoallowsPIDcontrolofPCsystems,etc..ProgrammableLogicController(PLC)istousetheclosed-loopPIDcontrolmoduletoachievecontrol,programmablelogiccontroller(PLC)canbeconnecteddirectlywithControlNet,suchasRockwell'sPLC-5andsoon.PIDcontrolfunctionalsoallowsthecontroller,suchasRockwell'sLogixproductline,whichcanbeconnecteddirectlywithControlNet,usethenetworktoachieveitsremotecontrolfunctions.1,theopen-loopcontrolsystemOpen-loopcontrolsystem(open-loopcontrolsystem)ischargedwiththeobjectoutput(controlledvariables)onthecontroller(controller)didnotaffecttheoutput.Inthiscontrolsystem,notdependentontheamountwillbechargedagainstsendingitbacktoformanyclosedloops.2,closedloopcontrolsystemClosedloopcontrolsystem(closed-loopcontrolsystem)ischaracterizedbythesystemcontrolobjectoutput(controlledvariables)willaffectthecontrolleragainsttheoutputsentbacktoformoneormoreclosedloop.Closed-loopcontrolsystemhaspositivefeedbackandnegativefeedback,ifthefeedbacksignalandsystemforagivenvalueofsignalcontrast,isknownasnegativefeedback(NegativeFeedback),ifthesamepolarityiscalledpositivefeedback,thegeneralclosed-loopnegativefeedbackcontrolsystemsareused,alsoknownasnegativefeedbackcontrolsystem.Manyexamplesofclosedloopcontrolsystem.Suchpersonisanegativefeedbackloopcontrolsystem,theeyeisthesensor,asfeedback,thehumansystemthroughconstantcorrectiontoalltherightmoveslast.Iftherearenoeyes,nofeedbackloop,willbecomeanopen-loopcontrolsystem.Othercases,whenatrulyautomaticwashingmachineshavetocontinuouslycheckwhetherclotheswashed,andcutoffthepowerautomaticallyaftercleaning,itisaclosedloopcontrolsystem.3,stepresponseStepresponseisastepinput(stepfunction)addedtothesystem,thesystemoutputs.Steady-stateerroristheresponseofthesystemintosteadystate,thesystem'sexpectedoutputandactualoutputofthedifference.Controlsystemperformancecanbestable,accurate,fastandthreewordstodescribe.Stabilityisthestabilityofthesystem(stability),asystemtoworkproperly,firstofallmustbestable,fromthestepresponseappearstobethatconvergence;quasi-controlsystemreferstotheaccuracy,controlprecision,usuallystablestateerrorto(Steady-stateerror)description,itsaidthesystemoutputandtheexpectedsteady-statevalueofthedifference;fastercontrolsystemresponseisfast,usuallytherisetimetoquantify.4,PIDcontrolprinciplesandcharacteristicsInengineeringpractice,themostwidelyusedregulatorcontrollawisproportional,integral,differentialcontrol,referredtoasPIDcontrol,alsoknownasPIDregulator.PIDcontrollerhasbeendevelopedfornearly70years,itisitssimplestructure,stable,reliable,easytoadjustandbecomeoneofthemaintechniquesofindustrialcontrol.Whenthestructureandparametersoftheobjectandcannotfullygrasp,orlackofaccuratemathematicalmodels,controltheoryisdifficulttouseothertechnologies,thesystemcontrollerstructureandparametersmustrelyonexperienceandon-sitecommissioningtodetermine,whenappliedPIDcontroltechniqueismoreconvenient.Thatis,whenwedonotfullyunderstandasystemandthecontrolledobject,orcannotbeaneffectivemeansofmeasurementtoobtainsystemparameters,themostsuitablePIDcontroltechnology.PIDcontrol,inpracticetherearePIandPDcontrol.PIDcontrolleristheerroraccordingtothesystem,usingproportional,integral,differentialcalculationofthevolumecontroltocontrol.Proportion(P)controlProportionalcontrolisthemostsimplecontrolmethod.Thecontroller'soutputandtheinputerrorsignalproportional.Whenonlyaproportionalcontrolsystemoutputwhenthereissteady-stateerror(Steady-stateerror).Integral(I)controlInintegralcontrol,thecontroller'soutputandtheinputerrorsignalproportionaltotheintegral.Anautomaticcontrolsystemintothesteadystateifthereissteady-stateerror,claimedthatthiscontrolsystemiscalledasteady-stateerrororpoorsystem(SystemwithSteady-stateError).Inordertoeliminatesteadystateerror,thecontrollermustintroducethe"integralterm."Integraltermoftheerrordependsonthetimeintegral,astimeincreases,integraltermwillincrease.Thus,eveniftheerrorisverysmall,integraltermwillincreaseovertimetoincreaseitspromotionofthecontrolleroutputincreasestofurtherreducethesteady-stateerror,untilzero.Therefore,theratioof+integral(PI)controllerallowsthesystemtoentersteadystateofnosteadystateerror.Differential(D)controlInthedifferentialcontrol,thecontrollero