双容水箱PID液位控制综合系统的仿真.doc
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1、双容水箱液位PID控制算法仿真研究摘要因为单回路控制系统已不能克服液位控制中部分问题,如:大时延、非线性、容量滞后等。所以本设计针对这些问题设计串级控制,对单回路控制系统无法控制问题进行处理,同时比较单回路控制系统和串级控制系统不一样之处。此次毕业设计课题是多容水箱PID液位控制系统仿真。在设计中,关键针对双容水箱进行了研究和仿真。本文关键内容包含:对水箱特征确定和试验曲线分析,经过试验法建立了液位控制系统水箱数学模型,设计出了串级控制系统,针对所选液位控制系统选择适宜PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位串级控制系统,调整器采取PID控制系统。经过仿真比较了单回路液位控制系统和
2、串级控制系统控制不一样之处,和参数整定及各个参数控制性能比较,对所得到仿真曲线进行分析,总结了参数改变对系统性能影响。关键词:MATLAB;PID控制;串级控制;液位系统仿真More let water tank PID level control system simulationAbstractBecause single loop control system has not overcome some of the liquid level control issues, such as: big time delay, non-linear process, capacity lag
3、 and so on. So this design is proposed to solve these problems, the cascade control for single loop control system cant control problems were solved, meanwhile compared single loop control system and cascade control system differences. The graduation design topic is based on the MATLAB PID level con
4、trol system simulation. In the design, I mainly responsible is double let water tank simulation. The main content of this article include: software MATLAB, the introduction and application of the simulation of use in Simulink problems that should be paid attention to. Grasp the basic ideas of PID co
5、ntrol to be familiar with PID algorithm, PID parameters setting method. Water tank with the experimental curves to determine the characteristics, through the test method analysis level control system was established mathematical model, the water tank designed cascade control system for the selected
6、level control; choose the appropriate control system PID algorithm. MATLAB/Simulink establishes level cascade control system, the regulator using fuzzy PID control system. Through the comparative simulation single loop level control system and a cascade control system control differences, and parame
7、ter setting and various parameters control performance comparison, application gets PID control algorithm is analyzed for simulation curve, summarizes the parameters on the system performance impact.Keywords: MATLAB;PID control; Cascade control; Level system simulation目录1 绪论11. 1 问题提出及研究意义11.1.1 水箱控
8、制系统研究意义11.2 PID控制算法研究现实状况21.3 PID控制应用和发展21.4 此次设计关键工作32 MATLAB仿真概述42.1 过程控制系统MATLAB计算和仿真42.1.1 控制系统计算机仿真42.2 控制系统MATLAB计算和仿真43 PID控制介绍及其整定方法73.1 PID控制介绍73.1.1 PID控制原理73.2 PID控制算法83.2.1 位置型算法93.2.2 增量型算法93.3 PID 调整各个步骤及其调整过程103.3.1 百分比控制和其调整过程103.3.2 百分比积分调整113.3.3 百分比积分微分调整123.4 串级控制123.5 串级控制系统设计14
9、3.5.1 主回路设计143.5.2 副回路设计143.5.3 主、副回路匹配153.6 串级控制系统工业应用163.6.1 用于克服被控过程较大容量滞后163.7 PID控制特点163.8 PID参数整定方法173.8.1 传统整定方法174 双容液位控制系统建模194. 1 过程建模方法194.1.1 机理法194.1.2 测试法194.1.3 阶跃响应法204 .2 分析多容过程数学建模214.2.1 一阶单容上水箱特征214.2.2 二阶双容下水箱对象特征235 双容液位控制系统仿真255. 1 被控对象仿真模型255.2 单回路控制系统仿真255. 3 串级控制系统仿真305.3.1
10、 当副环采取PID调整时32结论37致谢38参考文件391 绪论1. 1 问题提出及研究意义大多数情况下,单回路控制系统能够满足工艺生产基础要求。不过在有些情况下,比如有些被控过程动态特征决定了它极难控制,又比如有些工艺过程对控制质量要求很高,此时单回路控制系统就满足不了要求,需要开发和利用新控制系统,以深入提升控制量。对于过程控制系统装置,双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难,会碰到很多问题,滞后时间比较长,对于环境改变多少会受一定影响,如想要好控制效果就要引入新控制系统,利用单回路控制系统来控制是不能达成控制精度和要求。串级控制系统、前馈赔偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂控制系统就是
11、适应上述要求而产生。1.1.1 水箱控制系统研究意义伴随工业生产飞速发展,大家对生产过程自动化控制水平、工业产品和服务产品质量要求也越来越高。每一个优异、实用控制算法和监测算法出现全部对工业生产含有主动有效推进作用。然而,目前学术研究结果和实际生产应用技术水平并不是同时,通常情况下实际生产中大规模应用算法要比理论方面研究滞后几年,甚至有时候这种滞后相差几十年。这是现在控制领域所面临最大问题,究其根源关键在于理论研究尚缺乏实际背景支持,一旦应用于现场就会碰到多种多样实际问题,制约了其应用。所以,在现在尚不含有在试验室中实现真实工业过程条件今天,开发经济实用且含有经典对象特征试验装置无疑是一条探索
12、将理论结果快速转换为实际应用技术捷径。多容器步骤系统是含有纯滞后非线性组合系统,是过程控制中一个经典控制对象,在实际生产中有着很广泛应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时,常因系统多输入多输出关系和系统内部关联络而使系统组成十分复杂,会显著地降低控制系统调整品质,在耦合严重情况时会使各个系统均无法投入运行。水箱液位控制系统是模拟多容器步骤系统多输入多输出、大拖延、非线性、藕合系统,它液位控制算法研究对实际工程应用有着很关键意义。工业生产过程控制中被控对象往往是多输入多输出系统,回路之间存在着耦合现象。即系统某一个输入影响到系统多个输出,或系统某一个输出受到多个系统偷入影响。有时对该多
13、变量系统进行解耦取得满意控制效果。1.2 PID控制算法研究现实状况 液位控制就是对某一容器内液体进入量或流出量进行控制,从而使液体高度保持在所期望数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及,对此进行研究有很高实用价值。现在在实际生产中应用液位控制系统,关键以传统PID控制算法为主。PID控制是以对象数学模型为基础一个控制方法。对于简单线性、时不变系统,数学模型轻易建立,采取PID控制能够取得满意控制效果。但对于复杂大型系统,其数学模型往往难以取得,经过简化、近似等手段取得数学模型不能正确地反应实际系统特征。对于类似问题,通常采取串级控制系统来消除过程中非线性步骤干扰,得到
14、更正确地数据。1.3 PID控制应用和发展在过去几十年里,控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展今天,工业过程控制中95%以上控制回路全部含有PID结构,而且很多高级控制全部是以PID控制为基础。我们今天所熟知控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来,很多优异控制方法不停推出,但PID控制器以其结构简单,对模型误差含有鲁棒性及易于操作等优点,仍被广泛应用于冶金、化学、电力和机械等行业过程控制中。PID控制器作为最早实用化控制器已经有70多年历史,它算法简单易懂、使用中参数轻易整定,也正是因为这些优点,PID控制器现在仍然是应用最广泛工业控制器。PID
15、发展过程,很大程度上是它参数整定方法和参数自适应方法研究过程。最早参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出简称为Z-N整定公式,尽管时间已经过去半个世纪了,但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen-Coon继承和发展了整定公式,同时也提出了一个考虑被控过程时滞大小Cohen-Coon整定公式。自从Ziegler和Nichols提出参数整定方法起,有很多技术已经被用于PID控制器手动和自动整定。根据发展阶段划分,可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法:根据被控对象个数来划分,可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法,前者包含现有大
16、多数整定方法,后者是最近研究热点及难点:按控制量组合形式来划分,可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法,前者用于经典调整器,后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方法生成非线性PID控制器。从现在PID参数整定方法研究和应用现实状况来看,以下多个方面将是以后一段时间研究和实践关键:(1)对于单入单出被控对象,需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下参数整定方法,使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方而深入增强,使用最少许过程信息及较简单操作就能很好地完成整定。(2)对于多入多出被控对象,需要研究针对含有显著耦合多变量过程多变量参数整定方法,深入完善分散继电反馈方法,尽可能
17、降低所需先验信息量,使其易于在线整定。1.4 此次设计关键工作(1)在试验基础上推出单容、双容水箱数学模型。(2)设计PID控制器,对单容、双容水箱在Simulink上进行仿真。(3)引入串级控制技术,设计出串级控制模型,在Simulink上进行仿真。(4)比较单回路控制和串级两种控制方法优劣。2 MATLAB仿真概述2.1 过程控制系统MATLAB计算和仿真2.1.1 控制系统计算机仿真 控制系统计算机仿真是一门包含控制理论、计算数学和计算机技术综合性学科,它产生及发展差不多是和计算机发明和发展同时进行。控制系统计算机仿真就是以控制系统模型为基础,采取教学模型替换实际控制系统,以计算机为工具
18、,对控制系统进行试验和研究一个方法。控制系统计算机仿真过程包含以下步骤:(1)建立控制系统数学模型 系统数学模型是指描述系统输入、输出变量和内部变量之间关系数学表示式。系统数学模型建立可采取解析法和试验法,常见数学模型有微分方程、传输函数、结构图、状态空间表示式。(2)建立控制系统仿真模型依据控制系统数学模型转换成能够对系统进行仿真模型。 (3)编制控制系统仿真软件 采取多种多样计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统仿真程序,或直接利用部分仿真语言。 (4)进行系统仿真试验并输出仿真结果 经过对仿真模型对试验参数修改,进行系统仿真试验,输出仿真结果。假如应用MATLBT
19、oolbox及Simulink集成环境作为仿真工具,则组成了MATLAB仿真4。2.2 控制系统MATLAB计算和仿真 MATLAB是矩阵试验室(Matrix laboratory)之意。MATLAB其有以下关键特点: (1)功效强大,实用范围广 MATLAB除了含有卓越数值计算能力外,它还提供了专业水平符号计算。差不多全部科学研究和工程技术应用所需要计算,PID均可完成。(2)语言简练紧凑,使用方便灵活MATLAB提供库函数及其丰富,现有常见基础库函数,又有种类齐全、功效丰富多样专用库函数。MATLAB程序书写形式利用丰富库函数避开了复杂子程序编程任务,压缩了一切无须要编程工作。因为库函数全
20、部由各领域教授编写,用户无须担心函数可靠性。 (3)有好图形界面,用户使用方便 MATLAB含有好用户界面和方便帮助系统。MATLAB函数命令众多,各函数功效及使用又可由MATLAB图形界面下菜单来查询,为用户提供了学习它便捷之路。 MATLAB是演算纸式科学过程计算语言,使用MATLAB编程运算和人科学思绪和表示方法相吻合,如同在演算纸上运算并求运算结果,使用十分方便。 (4)图形功效强大 MATLAB里提供了多个图形函数,能够绘制出丰富多彩图形。MATLAB数据可视化很简单,MATLAB还含有较强编辑图形界面能力。(5)功效强大工具箱MATLAB包含两个部分:关键部分和多种可选工具箱。 目
21、前流行MATLAB7.0/Simulink5.0包含拥有数自一个内部函数主包和三十多个工具包(Toolbox)。工具包又能够分为功效性工具包和学科性工具包:功效性工具包用来扩充MATLAB符号计算、可视化建模拟真、文字处理及实时控制等功效;学科性工具包是专业性比较强工具包,控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等全部属于这类。 针对过程控制系统非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及MATLAB可实现动态建模、仿真和分析等优点,采取MATLABToolbox和Simulink仿真工具,为过程控制系统设计和参数整定计算和仿真提供了一个强有力工具,使过程控制系统设计和整定发生了革命性改变。Si
22、mulink是MATLAB最关键组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中,无需大量书写程序,而只需要经过简单直观鼠标操作,就可结构出复杂系统。Simulink含有适应面广、结构和步骤清楚及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理复杂仿真和设计。同时有大量第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。(1)Simulink功效: Simulink是MATLAB中一个可视化仿真工具,是一个基于MATLAB框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析二个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数
23、字控制及数字信号处理建模和仿真中。它也支持多速率系统,也就是系统中不一样部分含有不一样采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一个愈加快捷、直接明了方法,而且用户能够立即看到系统仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统多领域仿真和基于模型设计工具。对多种时变系统,包含通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、实施和测试。 构架在Simulink基础之上其它产品扩展了Simulink多领域建模功效,
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