《双容水箱PID液位控制系统的仿真本科生毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双容水箱PID液位控制系统的仿真本科生毕业设计（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业设计双容水箱液位PID控制算法的仿真研究摘要由于单回路控制系统已不能克服液位控制中的一些问题，如：大时延、非线性、容量滞后等。因此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的问题进行解决，同时比较单回路控制系统和串级控制系统的不同之处。本次毕业设计的课题是多容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了串级控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位串级控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿
2、真比较了单回路液位控制系统和串级控制系统控制的不同之处，以及参数的整定及各个参数的控制性能的比较，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。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 p
3、rocess, capacity lag 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
4、MATLAB PID level control 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 b
5、asic ideas of PID control 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 syst
6、em for the selected 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 dif
7、ferences, and parameter 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
8、 问题的提出及研究意义1 水箱控制系统研究的意义11.2 PID控制算法的研究现状21.3 PID控制的应用与发展21.4 本次设计的主要工作32 MATLAB仿真概述42.1 过程控制系统的MATLAB计算与仿真42.1.1 控制系统计算机仿真42.2 控制系统的MATLAB计算与仿真43 PID控制简介及其整定方法73.1 PID控制简介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 调节的各个环节及其调节过程103.3.1 比例控制与其调节过程103.3.2 比例积分调节113.3.3 比例积分微分调节123.4 串级
9、控制123.5 串级控制系统的设计143.5.1 主回路的设计143.5.2 副回路的设计143.5.3 主、副回路的匹配153.6 串级控制系统的工业应用163.6.1 用于克服被控过程较大的容量滞后163.7 PID控制的特点163.8 PID参数整定方法173.8.1 传统整定方法174 双容液位控制系统的建模194. 1 过程建模的方法194.1.1 机理法194.1.2 测试法194.1.3 阶跃响应法204 .2 分析多容过程的数学建模214.2.1 一阶单容上水箱特性214.2.2 二阶双容下水箱对象特性235 双容液位控制系统的仿真255. 1 被控对象的仿真模型255.2 单
10、回路控制系统的仿真255. 3 串级控制系统的仿真305.3.1 当副环采用PID调节时32结论37致谢38参考文献391 绪论1. 1 问题的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的基本要求。但是在有些情况下，例如有些被控过程的动态特性决定了它很难控制，又例如有些工艺过程对控制质量的要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和运用新的控制系统，以进一步提高控制量。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，会遇到许多的问题，滞后时间比较长，对于环境的变化多少会受一定的影响，如想要好的控制效果就要引入新的控制系统，运用单回路控制系统来控制是不能达
11、到控制精度和要求。串级控制系统、前馈补偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂的控制系统就是适应上述要求而产生的。 水箱控制系统研究的意义随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。因
12、而，在目前尚不具有在实验室中实现真实工业过程条件的今天，开发经济实用且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。多容器流程系统是具有纯滞后的非线性组合系统，是过程控制中的一种典型的控制对象，在实际生产中有着非常广泛的应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时，常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联系而使系统构成十分复杂，会明显地降低控制系统的调节品质，在耦合严重的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流程系统的多输入多输出、大迟延、非线性、藕合系统，它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常重要的意义。工业生产过程控
13、制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输出受到多个系统偷入的影响。有时对该多变量系统进行解耦获得满意的控制效果。1.2 PID控制算法的研究现状 液位控制就是对某一容器内的液体的进入量或流出量进行控制，从而使液体的高度保持在所希望的数值上。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的实用价值。目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立，采用PID控制能够取得满意的
14、控制效果。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于类似问题，通常采用串级控制系统来消除过程中的非线性环节的干扰，得到更精确地数据。1.3 PID控制的应用与发展在过去的几十年里，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的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是以PID控制为基础的。我们今天所熟知的控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶
15、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的控制器已有70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的简称为Z-N的整定公式，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，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen-Coon整定公式。自从Ziegler和Nichols提出参数整定方法起，有
16、许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。按照发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：按照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，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间研究和实践的重点：（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的参数
