基于matlab和simulink的可视化水箱系统控制 (4).docx

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1、4.1.3 PID控制的特点PID作为这样简单的控制器，也能很好的用于工业生产和社会生活，而且经过证实，它具有很高的性价比且在市场竞争中占据一定的优势地位，这说明PID具有很多优点，我概括为两个层面：第一个层面是结构原理上简洁明了，能很好的实现功能，满足很多的基本控制系统；第二个层面是控制器在面对不同类型的对象，它能很好的运用结构完成算法，在适应性很好。但是因为普遍适应各种控制系统，那么就会在控制效果上大打折扣。其局限性主要包括以下几个地方：（1） 因为算法和结构简单，所以大部分时候只能适应小的控制系统，在控制复杂系统时需要多个PID控制器同时进行，或者配合其他控制器进行完成系统控制。（2）

2、PID控制只能在闭环系统中发挥作用。（3） PID控制器不能满足用单一控制器完成多种控制的要求。4.2PID调节的各个环节及其调节过程PID控制方式，在对不同控制对象进行控制时是需要设置不同的PID参数，目前在水箱液位控制的系统中主要采用这种控制方式。4.2.1比例控制调节过程有差调节是比例调节的特点之一，如果采用比例调节，则在负荷的扰动下水箱系统的调节过程结束后，被调量不可能与设定值相等无误，它们之间一定存在一定的误差。比例增益大时，系统的响应速度快，稳态误差较小，但是超调量会增大或者系统会不稳定，而KC过小又会使得响应速度越来越慢，系统的调节精度降低，调节时间加长。系统过程控制中调节器的输

3、入与输出之间的比例关系常用增益的倒数表示： M=1e （4.8）称为比例带，在比例调节中调节器的输出信号与偏差信号成比例，比例系数为KC，又可以称之为比例增益。比例带越大，比例调节的残差越大，仿真时最好尽量减小比例带，因为减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，很大可能会导致系统激烈振荡甚至不稳定。4.2.2比例积分调节积分调节的特点是无差调节，为了使得输出保持不变，则要求偏差e为零，调节器的输出却可以停在任何值上。PI调节是总结P、I两种调节的优点，首先积分调节可以消除控制系统的余差，同时比例调节可以快速消除系统的干扰。PI调节引入积分环节在消除系统残差的同时，还使得原来系统的稳定性降低。在

4、使得比例带不变的情况下，减小系统的积分时间，控制系统的稳定性会降低，加剧了系统的振荡频率，调节过程加快。PI调节是在稍微忽略控制系统的动态性能情况下，进而取得较好的稳态性能。4.2.3比例积分微分调节微分作用是为了达到提前控制的作用，减小系统的调整时间，改善系统的动态特性，使系统逐渐趋于稳定状态。前两节的比例调节和积分调节都是根据实验时的偏差方向和大小进行不断调节的。但是不管被控对象的流入量和流出量之间有多大的不平衡，此后被调量将如何变化的趋势都受这个不平衡的制约。4.2.4PID参数整定（1） 衰减曲线法。其跟临界比例度法相类似，由理论知，在闭环系统中控制器大多数仅有比例作用，给定值做阶跃扰

5、动处理，记录此时比例带以及相邻波峰之间的时间。（2）稳定边界法。其要做稳定边界实验，就是在闭环控制系统中控制器仅仅只用比例作用，给不变值做单位阶跃扰动信号，比例带从较大逐渐减小，一直到被控对象趋近于临界振荡为止，记录临界比例带还有振荡周期。（3）Ziegler-Nichols经验公式。该方法先根据相关数据算出系统的开环阶跃响应曲线，再由控制对象的时间常数、纯迟延时间和放大系数，按照其经验公式计算PID参数。第5章 双容水箱液位控制系统设计5.1 双容水箱结构双容水箱的液位系统结构图如图5-1所示，其中有两个水泵分别通过两个支路向上面的水箱注水，第一支路增加一个调节阀，保持下水箱液位恒定；第二支

6、路设置变频器，通过变频器对下水箱液位起到干扰作用。图5-1双容水箱结构图已知上下水箱的传递函数分别为： Gp1(s)=H1(s)U1(s)=25S+1 (上水箱传递函数）Gp2(s)=H2(s)Q2(s)=H2(s)H1(s)=120S+1 (下水箱传递函数)在设计双容水箱系统时有以下三个基本要求：首先画出可视化水箱系统液位简单的方框图，水箱系统分别在有干扰、无干扰作用下进行仿真。要求系统框图简洁明了，且系统要能体现在有干扰和无干扰两种作用下的过程仿真；二是要求设计单回路控制，画出控制系统方框图，在控制系统有无干扰情况仿真，其中 PID 参数的整定要求写出整定的依据；三是对施加干扰作用的液位控

7、制系统进行串联控制，在原来的基础上画出水箱控制系统的方框图，对水箱控制系统的动态过程进行仿真，通过对仿真结果的对比得出结论。5.2 MATLAB设计系统分析机理法和测试法是控制系统建模常用的两种基本方法。本设计建模时我们已知双容水箱的数学模型，且主要的生产过程也被大量掌握，所以采用机理法。测试法是在工业过程中对输入输出进行数学处理。串级控制双容液位过程如图5-2所示：图 5-2串级控制的双容液位过程由图5-2两个水箱的流出阀都是人工手动阀门，系统流量Q1仅仅与容器1的液位h1相关，流量Q1与容器2的液位h2没有关系，跟其他物理量也无关；容器2的液位也不会受容器1的液位所影响。设时间常数T1=A

8、11R1，T2=A22R2，通过计算可得到该过程的传递函数为：h2(s)Qi(s)=Q1(s)h2(s)Q1(s)Qi(s)=R2(T1S+1)(T2S+1)=R2T1T2S2+(T1+T2)S+1由此可见，虽然容器2水箱的液位变化不会影响容器1的液位变化，但容器1的液位变化会影响容器2水箱的液位变化。水箱液位变化的过程传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数再彼此相乘，但是过程增益是两个独立传递函数相乘的1/R1倍。水箱系统控制传递函数是一个二阶惯性环节，等同于两个相对稳定的一阶平衡系统的串联。系统反应的快慢取决于系统中的时间常数大小，时间常数越大，容器面积较大，则反应较慢，时间常数越小则

9、系统对输入的反应越快。该过程是两个一阶环节的串联，那么它们的过程等效时间常数T正常情况下会大于T1和T2，故总体反应相比较于单一的一阶环节会慢许多。所以通常可以用纯滞后环节加一阶惯性环节等同于无相互影响的双容系统。在该液位控制系统中，水流量Q是系统的控制量，PID作为系统的控制器，上、下水箱液位是被控制器控制的被控量，控制阀是最后的执行器，相当于人工控制的手。上水箱传递函数Gp1(s)=H1(s)U1(s)=25S+1 ， 下水箱传递函数Gp2(s)=H2(s)Q2(s)=H2(s)H1(s)=120S+1在单位阶跃的条件下启动大概10s后，施加白噪声使得水箱液位稳定，白噪声均值为0、方差为0

10、.01，这是添加的干扰信号。习惯性的调整PID参数，想要得到比较好的效果最好采用单闭环控制系统，这样的话不仅液位比较稳定还有较好的抗干扰能力。当设计可视化水箱时，采用单闭环控制系统，一旦上水箱被外界环境干扰时，干扰会经过控制通路传递到下水箱，但经过控制通路会发生很大的延迟，进而控制器响应滞后，控制效果就不会如同理论上预期的一样。实验中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送给PID控制，PID可以把实际水位与系统开始的设定参数值相比较，最后系统输出信号作用于控制阀，达到改变控制系统流量进而调节水箱水位。在实际工业控制工程中，干扰一旦出现，PID参数无论如何调整，都不会达到最初设计的效果。但

11、是串级控制有一个优点就是可以提前预见某些对系统来说主要的干扰，提前对水箱施加控制的信号，再对其介入单位负反馈系统，检测上水箱的液位，将液位信号送至副控制器，然后直接执行于控制阀。5.3双容水箱液位控制系统设计首先，第一步进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下图5-3所示：图5-3单回路闭环系统控制系统框图在没有外界因素环境干扰的情况下，首先把主控制器的比例积分微分参数设置好，进行一定的调试，然后再单独一个个更改积分、比例、微分的参数，仔细地观察每一个参数发生的细致变化对控制系统性能的影响，记录好详细数据。再然后再系统稳定的条件下再加入干扰信号，观察系统在干扰和没有干扰情况下水箱系统稳定性如何变

12、化。5.4 MATLAB设计内容5.4.1主副回路的设计在串级控制系统中，主回路是定值控制，它的设计跟单回路控制系统的设计有些类似，设计可以按照简单控制系统设计原则去实施；副回路是随动系统，对二次扰动具有很强的自适应能力，通过对主、副回路的调节，二次扰动对主被控量的影响很小，在设计中要将主要扰动和更多的扰动包括在副回路中。副被控过程的滞后最好不要太大，这样就能保持副回路的相应特性。 5.4.2 主副回路匹配 主副回路的匹配有三大方面。第一是主、副回路扰动数量、时间常数的匹配。副回路中扰动越多，时间常数就越大，副回路就没有了明显的控制作用，其快速控制的效率会降低。但是所有的扰动放在副回路中，又会

13、导致主调节器就没有了控制作用。理论上，最好主、副回路的扰动数量和时间常数的比在3-10之间。比值较低的话，副回路的控制作用缺少一定的快速性，被控量不能被及时地更改，严重时会出现主、副回路“共振”现象。如果扰动数量和时间常数的比值过高，副回路的时间常数较小，扰动数量过少，不能快速改善系统控制性能；第二是主、副调节器的控制规律的选择。在串级控制系统中，主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。主调节器的控制规律应选取 PI 或 PID 控制规律，主回路一般要求无差；副回路要起控制的快速性，允许存在余差，一般情况取P控制规律；第三是主副调节器正反作用方法确定。负反馈是一个过程控制系统正常工作必备的条件

14、。主、副调节器方式的原则是要保证两个回路都是单位负反馈，串级控制系统有两个回路。5.5.4 单回路 PID 控制的设计 无干扰单回路 MATLAB 仿真框图如图5-4所示：图 5-4 无干扰单回路 MATLAB 仿真框图对水箱液位控制系统进行PID参数设定，系统的的衰减比近似于10：1。将 MATLAB中积分设置为零，微分时间常数TD也是零，积分时间Ti调到极限值，MATLAB中比例系数是较小值；当控制系统逐渐趋于稳定之后，开始发生阶跃响应，当它的衰减比为十比一时，阶跃响应如图5-5所示：系统参数：TD=0,K1=9.8，Ti=无穷大, 图5-5单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由图

15、5-5可得，此时的衰减比近似于 10：1，周期 Ts=14s，K=9.8 ，根据衰减曲线法计算公式，则PID参数： K1=9.8*5/4=12；MATLAB 中 I=1Ti=0.06，计算可得Ti=1.2，Ts=16.8；TD=5.6。根据所计算的PID整定参数求得阶跃响应曲线如5-6下： 系统参数：K1=12，TD=5.6s，Ti=16.8； 图5-6 单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由图5-6可以得出，对系统参数整定后，系统的性能得到了很大的改善。再分别改变 P、I、D 参数，即控制变量法，观察系统单一参数对系统性能的影响，研究每一个调节器单独作用对系统的影响。 1改变系统参数

16、P， I、D 为定值，保持不变，系统的阶跃响应曲线如下： 系统参数：K1=16，TD=5.6s，Ti=16.8；图 5-7 单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图系统参数：K1=20，TD=5.6s，Ti=16.8；图5-8 单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由不同 P 参数值下系统阶跃响应曲线（图5-5、5-6、5-7、5-8）可知，随着比例系数K值的增大，振荡频率增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小。 2改变参数 I ，P、D参数保持定值，系统的阶跃响应曲线如下图5-9： 系统参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6；图 5-9 单回路 MATLAB 仿真阶跃响应

17、曲线波形图系统参数： K1=12，Ti=1，TD=5.6；图5-10 单回路MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由积分控制不同参数值下系统阶跃响应曲线（图5-9、5-10）可知，随着Ti值的减小，最大动态偏差增大，振荡频率增大，衰减率减小。 3改变系统参数D，参数P、I 整定为定值，阶跃响应曲线如下图： 系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6，阶跃响应曲线如下图5-11：图 5-11单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6，阶跃响应曲线如下图5-12所示：图 5-12单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由不同参数值D下

18、系统阶跃响应曲线（图5-11、5-12）可知，随着参数D的增大，最大动态偏差减小，振荡频率增大，衰减率增大。将干扰加入控制系统中，从而检测水箱控制系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如图5-13：图 5-13有干扰单回路 MATLAB 仿真框图系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6，阶跃响应曲线如下图5-14： 图 5-14有干扰单回路 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图观察曲线图5-14在有干扰的情况下，阶跃响应波形图与无干扰时的系统框图比较可得，控制系统的稳定性逐渐降低，在干扰作用下，如图5-14所示，控制系统很难稳定下来，并且出现了较长时间的小幅度震荡，因此对于单回路控制系统，

19、在有干扰的情况下，考虑串级控制，因为很难保持系统的稳定性。5.5.5 串级控制系统的设计 串级控制系统的设计时，系统的 MATLAB 仿真框图如下图5-15（有噪声）：图 5-15有噪声串级控制系统的 MATLAB 仿真框图 当系统没有干扰时，系统参数的比例系数为12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3，根据Simulink仿真可得系统的阶跃响应如下图所示如下图5-16：图 5-16有噪声串级控制 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图由单回路控制系统没有干扰单位阶跃响应可知，串级控制会使得系统的最大偏差降低，减小控制系统的振荡频率，从而使得系统所需要的调节时间比原来的小。试验后，再次向

20、系统中加入白噪声，观察不同比例条件下的系统阶跃响应曲线： 系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5，系统的阶跃响应如下图所示如下图5-17：图 5-17有噪声串级控制 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0，系统的阶跃响应如下图所示如下图5-18：图 5-18 有噪声串级控制 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图系统参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5，系统的阶跃响应如下图所示如下图5-19：图 5-19有噪声串级控制 MATLAB 仿真阶跃响应曲线波形图观察以上曲线可知，调节时间都有

21、所缩短，系统快速性得以增强，在干扰作用下，当增益相同时，系统的稳定性提高，抗干扰能力增强，最大偏差更小。结论通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关过程控制系统仿真方面的知识，在对水箱进行Matlab仿真时，虽然过程中遇到了许多问题，比如Matlab应用的不熟练，导致模块找不到，PID参数设置不合理，主、副回路设计不好等等问题。但经过一次又一次的深思熟虑，一次次的更改，一遍遍的检查终于设计处了比较满意的仿真。实践是检验真理的唯一标准，只有通过亲自动手实验，才会发现理论和实际是存在误差的，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。通过这次的毕业设计，我深刻地明白许多知识看上去简单，但是当自己亲身经历去操

22、作时，跟想象的并不一样。在对水箱系统控制的过程中，不断地设计，不断地尝试，不断发现错误，不断地检验，最终调试验证结果。在设计中遇到了很多问题，首先，可能是自己一开始对书本知识学习的不够扎实，做仿真期间碰到了许多问题，最难的是遇到问题时不知所措；也有可能是我解决问题的全面性不够完美，因为之前涉及Matlab这块比较少，再加上缺少经验的累积，所以在处理仿真参数中的问题时，不知如何下手。经过对网上查阅的资料进行整理、理解和消化，使我对过程控制技术尤其是水箱液位控制系统有了更深一层次的理解。在以后的工作中，一定要把理论和实际相结合，找到那个平衡点。使我对以后专业知识的学习、甚至工作也是非常地受益菲浅。

23、15参考文献1 王永红，过程控制系统M.北京：电子工业出版社，2003.82 李駪，生产过程自动化仪表识图M.北京：电子工业出版社，20073 施仁，自动化仪表与过程控制 M.北京：电子工业出版社，2003.84 刘文定，过程控制系统的MATLAB仿真M.北京：机械工业出版社，2009.25 刘红波，生产过程自动化仪表识图M.北京：电子工业出版社，2007致 谢时光匆匆，转眼已在铜陵学院度过了四个春秋。这大学四年生活对我们未来的成长有着及其重要的影响，我很幸运在这四年时光中接触到很多有着崇高理想和人生追求的老师。他们不仅传授于我知识，更多的是言传身教的影响着我的人生理想与人生追求。我对于这些在

24、我的大学生活中时光的激励和帮助过我的老师和同学们心怀感激。首先要感谢的则是我的论文指导老师沈浩，从论文选题开始一直到论文定稿期间帮助我答疑解惑。在这论文创作的半年时光中，沈浩老师不辞劳苦，多次和我一起探讨论文写作的注意事项和潜在问题并细心负责的多次帮助我修改论文。他不仅在学术方面有着比较高的造诣，还教导我们要有自己的理想追求。其次，我要感谢我的辅导员和任课老师。感谢辅导员在大学期间帮助我制定学习规划，在我遇到困难时帮助我一把。同时也感谢大学期间的所有任课老师，是你们的无私奉献、孜孜不倦才让我的专业素养有着极大程度的提高。他们对教学的严谨使我受到了深深的感触，这将对我的人生有着极大的影响。最后，感谢参与我大学毕业论文审阅和答辩的所有老师，是你们给予了我审视自己的机会，让我对自身的不足有着进一步的认识。在了解到自身的不足后，我也会弥补自己的不足，从而更好地在专业领域得到更好的发展。我会在未来的生涯中继续努力，开拓自己的视野，丰富自己的思维，争取在未来取得更好的成就。最后，还要感谢参与本次论文答辩评审的电气工程系的老师们，感谢老师们的指导。本次论文的写作，由于本人知识水平所限，论文存在很多缺陷，我会继续努力学习自动化相关的知识，也恳请各位老师和同学批评和指正！致谢人：孙玉梅2021年5月31日