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1、指导教指导教师：师：双容水箱液位控制系统双容水箱液位控制系统控制算法设计控制算法设计n班级：热动班级：热动101101班班n学学生：生：n学号：学号：论文框架234516绪论单、双容水箱的数学建模单、双容水箱的数学建模 双容水箱液位双容水箱液位PID控制系统控制系统双容水箱的线性双容水箱的线性PID控制参数整定控制参数整定双容水箱液位的非线性双容水箱液位的非线性PID控制算法设计控制算法设计总结课课题题的的提提出出设设计计的的目目的的和和意意义义液液位位控控制制的的目目前前现现状状与与未未来来趋趋势势本本位位的的主主要要研研究究内内容容绪论绪论双容水箱的数学建模 从过程控制的角度来看，系统的数
2、学模型可以从两个方面来描述： 一是研究系统的稳态工况。稳态工况下，系统的各个变量与时间无关，描述系统各变量之间关系的数学方程为代数方程； 二是研究系统的动态特性。当系统处在动态过程，各个变量都不是常数，是随着时间变化的,主要运用微分方程进行描述。 模型的建立方法主要可分为机理建模法、阶跃响应法。 机理推理机理推理传递函数传递函数 为：为：阶跃响应数据处理方法 0.32t1/t20.46 过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数 故双容水箱的数学模型如下：故双容水箱的数学模型如下：常规线性PID控制器的原理比例放大系数对调节性能的影响积分时间对调节性能的影响微分时间对调节性
3、能的影响P、I、D参数对调节质量影参数对调节质量影响分析响分析常规线性PID控制器的原理 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值e(t)构成偏差 e(t)=r(t)-y(t)模拟式调节器理想的PID控制算法为：比例放大系数对调节性能的影响Kp越大，比例调节作用越强，静态偏差就越小且动态偏越大，比例调节作用越强，静态偏差就越小且动态偏差也越小，衰减率减小，但是振荡剧烈。差也越小，衰减率减小，但是振荡剧烈。 积分时间对调节性能的影响积分时间积分时间Ti越小，积分作用越强，非周期成分衰减速度越快，越小，积分作用越强，非周期成分衰减速度越快，消除静态偏差的能量越强。反之，当系统
4、中的积分时间消除静态偏差的能量越强。反之，当系统中的积分时间Ti无无限大，无差调节也就变成了有差调节。限大，无差调节也就变成了有差调节。微分时间对调节性能的影响适当的增肌微分时间适当的增肌微分时间Td，可以明显减小调节过程动态偏差，可以明显减小调节过程动态偏差和调节时间。但是微分时间不能无限增大，否则会使调节速和调节时间。但是微分时间不能无限增大，否则会使调节速度太快而造成工作品质恶化，出现单方向的高频振荡。度太快而造成工作品质恶化，出现单方向的高频振荡。 双容水箱的线性双容水箱的线性PID控制参数整定控制参数整定 工程整定方法：它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方
5、法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界临界比例带法、衰减曲线法和反应曲线法。比例带法、衰减曲线法和反应曲线法。 三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。临界比例带法临界比例带法临界比例带法三种整定的单位阶跃响应曲线临界比例带法三种整定的单位阶跃响应曲线衰减曲线法衰减曲线法衰减曲线法三种整定的单位阶跃响应曲线衰减曲线法三种整定的单位阶跃响应曲线临界比例带和衰减曲线法临界比例带和衰减曲线法PID整定的阶跃响应曲线整定的阶跃响应曲线 双曲余弦增益的非线
6、性双曲余弦增益的非线性PID控制器控制器 控制器参数优化控制器参数优化 上述非线性上述非线性PID控制器还没有具体有效的整定方法，考虑控制器还没有具体有效的整定方法，考虑到热工过程建模的复杂性和不确定的外部因素等等的相互到热工过程建模的复杂性和不确定的外部因素等等的相互影响探究合理的分析计算方法相对困难，因此本文采用影响探究合理的分析计算方法相对困难，因此本文采用Simulink下的下的NCD模块进行参数优化。具体过程如下：模块进行参数优化。具体过程如下：（1）寻求控制器参数，根据系统的具体要求就行参数初）寻求控制器参数，根据系统的具体要求就行参数初始化；始化；（2）确定整个系统的时域性能比如
7、调节时间，稳态时间，）确定整个系统的时域性能比如调节时间，稳态时间，上升时间，超调量等，从而确定对参数的优化的前提条件；上升时间，超调量等，从而确定对参数的优化的前提条件；（3）设定变量的允许误差范围和约束误差范围，使得系）设定变量的允许误差范围和约束误差范围，使得系统的最优化变量和约束变量之间的差值到达最小时停止优统的最优化变量和约束变量之间的差值到达最小时停止优化；化；（4）运行优化程序，得到最优化的控制参数；）运行优化程序，得到最优化的控制参数；双容水箱液位控制系统的仿真双容水箱液位控制系统的仿真加入阶跃扰动后曲线对比加入阶跃扰动后曲线对比总结 整个设计结果表明，虽然传统的线性PID控制
8、器具有构造简单、设计容易、控制理想好等优点，在双容水箱液位控制中获到了广泛的应用。但是这种方式一般能够满足系统的稳定性，不能满足其它的控制指标比如精确度、超调量等，所以对双容水箱液位控制系统进行控制器参数优化对系统安全性、经济性具有重要的意义。 虽然非线性控制算法很多，本文只是引用了一种双曲余弦增益的非线性PID控制算法对双容水箱进行对控制器参数进行优化，通过MATLAB对系统仿真的结果说明，大多数非线性PID控制算法的响应时间短，超调量小，系统的稳定性好，调节的精确度高，系统的波动小，控制效果比传统线性PID理想。并不是在所有的工况下，非线性PID控制器都比线性PID的控制效果好，有时候非线性PID控制器在某些工况下的抗干扰能力就不如线性PID控制器的好。恳请各位老师批评指正恳请各位老师批评指正谢 谢！
