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1、济南大学毕业论文毕业论文题 目 储联罐系统的PID控制器设计 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 自动化 班 级 自动化0802 学 生 学 号 指导教师 二一二年六月八日- 18 -摘 要 随着时代的发展，储联罐系统在国内各行各业都已经应用，储联罐的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。而PID 控制器因为结构简单、鲁棒性较强，并且具有实现简单的特点，因而被广泛应用于各种工业过程控制中。作为一种广泛的控制规律， PID 控制在各种控制技术中占着主导地位。本文通过实验法建立储联罐的一般数学模型，通过分析被控对象的特性，学习和了解PID的工作原理，然
2、后设计PID 控制器，在 Matlab/Simulink 环境下建立储联罐控制系统的仿真模型，对 PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，并从控制原理、参数整定方法以及应用等方面分析讨论PID控制器，并证明该设计方法可行性，证明该PID算法是正确的和有效的。通过本次设计我学到很多相关的专业知识，并通过实验仿真，准确控制了储联罐的液位，达到设计目的。关键词：PID；储联罐；整定；仿真；数学模型AbstractWith the development of the reservoir coupled-tank system has been applied in domestic industr
3、ies, control of the coupled-tank as a basis for more complex nonlinear systems, but also has a strong theory, belong to the application of basic research. And PID controller because of the simple structure, strong robustness, and simple features, which is widely used in various industrial process co
4、ntrol. As a wide range of control law, PID control occupied a dominant position in the various control technologies. In this paper, the experimental method to establish the general mathematical model of the coupled-tank, by analyzing the characteristics of the controlled object, learning and underst
5、anding the working principle of the PID, and then design a PID controller, Chu associated tank control system simulation model in MATLAB/Simulink environment simulation study, the PID control algorithm, by simulation, and analysis from control theory, parameter tuning method and application to discu
6、ss the PID controller, and prove the feasibility of this design method, the PID algorithm is correct and effective. I learned a lot of professional knowledge through the design, and simulation experiments, accurate control of the coupled-tank liquid level, to meet the design purposes.Keywords: PID;
7、coupled-tank; Setting; The simulation目录摘 要- 1 -Abstract- 2 -1 前言- 4 -1.1课题研究背景- 4 -1.2 研究的意义- 5 -1.3 研究的目的- 6 -2 PID控制的基本理论- 7 -2.1 PID控制基本原理及发展现状- 7 -2.1.1 PID控制基本原理- 7 -2.1.2 PID发展现状- 8 -2.3 PID参数整定方法- 9 -2.3.1 PID参数整定方法简介- 9 -2.3.2 PID参数整定步骤- 9 -2.4 PID参数对系统性能的影响- 10 -3 储联罐的构成及数学建模- 11 -3.1储联罐简介及
8、组成部分- 11 -3.1.1储联罐简介- 11 -3.1.2储联罐组成部分- 12 -3.2储联罐的数学模型建立- 12 -4系统仿真- 13 -4.1 MATLAB简介- 13 -4.2 MATLAB优点- 13 -4.3 Simulink仿真简介- 13 -4.4 PID控制器的设计及仿真- 14 -结 论- 16 -参 考 文 献- 17 -致 谢- 18 -1 前言1.1课题研究背景PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于工业过程控制，尤其适用于课件里精确数学模型的确定性控制系统。大多数反馈回路用该方法或较小的变形控制，PID调节器及其改
9、进型实在工业控制中最常见的控制器1。尽管自20世纪初PID控制诞生以来，随着计算机技术和信息技术的迅速发展，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就，一些先进控制策略不断推出，但在大多数过程控制中能够获得令人满意的控制性能，且仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业中2。吴宏鑫院士提出的“特征建模”理论3、4，第一次从理论有力地论证了PID控制器的广泛应用的理论依据，并且指出PID控制器具有独特的优越性，它将是复杂系统智能控制最基本、最基础的一个子控制单元5。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID
10、控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小 6。控制器的参数整定就是对一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一个控制系统的质量取决于对象特性、控制方案、干扰的形式和大小以及控制器参数的整定等各种因素。然而，一旦系统按所设计的方案安装就绪，对象特性和干扰位置等基本固定下来，这时系统的质量主要取决于控制器参数的整定。合适的控制器参数会带来满意的控制效果，不合适的控制器参数会使系统的质量变坏。因此，在方案设计合理和仪表选型合适的基础上，控制器参数整定的合适与否对控
11、制器质量具有重要的影响。PID的原理及特点在工程实际中，PID控制理论的发展历史已经有数十年了，它的构想首先于西元1922年Minorsky的论文中被发表出来。PID控制器的模型首先出现在Callender等人在1936年所发表的论文里。而著名的Ziegler与Nichols则在1942年提出了PID控制的调整法则，历经了半个多世纪，PID一直是历史最久的控制系统设计方法，而且在今日依然被广泛的使用。应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
12、当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时。PID控制，实际中也有PI和PD控制。1.2 研究的意义储联罐它是从流程工业领域的液位系统中抽象出来的被控对象模型, 是一个非线性的系统, 在实际控制中具有一定难度。它的液体走势为: 坐落在罐底的水泵从集水槽抽水, 抽上来的水通过罐上端的入水口进入储联罐, 之后经出水口流入集水槽。为了实现对储联罐的控制, 建立其数学模型。PID控制最核心的问题就是如何整定PID控制器参数，使PID控制系统达到所期望的控制性能7。储联罐是从流程工业中抽象出的典型被控对象模型，PID控制器是一种具有良好控制性能的控制器。由
13、于储联罐在流程工业中要求的控制精度非常高，而一般的控制方案显然无法达到其控制要求8。由于PID自身的许多控制优点，能取得非常良好的控制效果，从而将PID控制应用于储联罐中，从而达到各方面控制的指标。在其他方面：对多指标向荣控制赋予了严谨的定义；归纳了他的期望指标集；建立了它的主要命题体系，即指标及的相容分析、控制策略的求取技术；为具有目的与的随机控制系统创造了待机指标及；将待机指标集纳入期望性能指标集，创建了满意待机控制，并将满意控制的理论与方法推广到估计，建模与模型简化中，建立了统一的满意控制理论9-14。由于PID在实际过程中运用十分广泛，在储联罐更是广泛15。1.BP神经网络在PID控制
14、器参数整定中的应用16，BP网络具有很好的逼近非线性映射的能力, 而且具有自适应学习、并行分布处理和有较强的鲁棒性和容错性等特点, 因此适用于对复杂非线性系统进行建模和控制。在此基础上, 提出了基于BP神经网络PID 参数整定方法, 并用MATLAB进行了仿真, 得到较为满意的结果。2.PID控制在净水处理中的应用17：（1） 提高设备利用率，保证水质；（2）节约日常运行费用，如耗电量、耗氯量等；（3）运行安全可靠，可持续检测、高限/低限报警；（4）节省人力、减轻劳动强度：运行中的调节控制可自动集中管理；（5）实现集中显示，分散控制或过程全部自动化。3.模糊PID控制在球磨机给矿量控制系统中的
15、应用18。对球磨的给矿量实现自动控制，使球磨机工作在最佳状态，提高磨矿效率。4.智能控制在PID参数优化中的应用19。使PID能够在线调整，以满足控制的要求。5.自适应模糊PID在温度控制中的应用20。在工业生产过程中,，温度是重要的控制参数之一，对温度的有效控制对于保证生产质量具有重大的现实意义和理论价值。温度控制系统具有非线性、滞后性和时变性等特点。6.智能PID控制器在船舶发电机电压控制中的应用21。基于神经网络的模糊自适应PID 控制方案。一方面利用模糊逻辑的概念抽象能力和非线性处理能力，另一方面利用神经网络的自学习能力和任意函数的逼近能力，通过两者的有机结合寻找一个最佳的PID 非线性组合控制规律，实现对未知对象进行在线控制22。PID 控制是最早的数据驱动控制方法，尽管现代控制理论有了相当完善的发展，但在实际的工业应用中，PID控
