基于MATLAB的多容对象液位控制系统仿真毕业设计PID串级控制.doc

目 录前 言 1第一章 串级控制系统及仿真概述 21.1 串级控制系统简介 21.1.1基本概念及组成结构 21.1.2串级控制系统的工作过程 21.1.3系统特点及分析 31.1.4工程应用场合 31.1.5系统设计 31.2 串级控制系统的设计 31.2.1主回路的设计 31.2.2副回路的设计 41.2.3主、副回路的匹配 41.3串级控制系统的工业应用 51.3.1用于克服被控过程较大的容量滞后 51.3.2用于克服被控过程的纯滞后 61.3.3用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 61.3.4用于克服被控过程的非线性 61.4 过程控制系统的MATLAB计算与仿真 61.4.1 控制系统计算机仿真 61.4.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 7第二章 PID控制简介及整定方法 102.1 PID控制简介 102.2 PID参数整定方法 13第三章 多容液位控制系统的建模 183.1 过程建模的方法 183.1.1 机理法 183.1.2.测试法 193.1.3 阶跃响应法 193.2 有相互影响的双容建模 203.3 无相互影响的多容过程 22第四章 多容液位控制系统的仿真 254.1 被控对象的仿真模型 254.2 单回路控制系统的仿真 254.3 串级控制系统的仿真 31第五章 总结和展望 39致谢 40参考文献 41附录 42前 言随着工业生产的飞速发展，液位过程控制的应用十分普遍，所以为了保证生产的正常进行，生产工艺要求储槽内的液位常常需要维持在某个设定值上，或只允许在某一小范围内变化。

与此同时，为确保生产过程的安全，还要绝对保证液体不产生溢出所以人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时延的特点，应用常规的控制手段难以达到理想的控制效果，研究对非线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用本文所提及的双容水箱液位控制系统是参考了国内外实验装置并充分考虑性能价格比的基础上，自行设计的一种可以模拟多种对象特性的实验装置双容水箱虽然结构简单，但却是最基本的过程空竹系统即使在复杂、高水平的过程控制系统中，这类系统仍占大多数（约占工业控制系统的70%以上）复杂过程控制系统也是在简单控制系统的基础上构成的，即便是一些高级过程控制系统，也往往是将这类系统作为最低层的控制系统因此，学习和掌握简单控制系统的分析与设计方法既具有广泛的实用价值，又是学习和掌握其他各类复杂控制系统的基础因此工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义。

第一章 串级控制系统及仿真概述1.1 串级控制系统简介串级控制系统是指把两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统1.1.1基本概念及组成结构 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动【1】1.1.2串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：(1)扰动作用于副回路(2)扰动作用于主过程(3)扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。

副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高1.1.3系统特点及分析(1)改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量2)能迅速克服进入副回路的二次扰动3)提高了系统的工作频率4)对负荷变化的适应性较强1.1.4工程应用场合(1)应用于容量滞后较大的过程(2)应用于纯时延较大的过程(3)应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程(4)应用于参数互相关联的过程(5)应用于非线性过程1.1.5系统设计(1)主参数的选择和主回路的设计(2)副参数的选择和副回路的设计(3) 控制系统控制参数的选择(4)串级控制系统主、副调节器控制规律的选择(5) 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定1.2 串级控制系统的设计1.2.1主回路的设计 串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题 1.2.2副回路的设计 由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

归纳如下 (1)在设计中要将主要扰动包括在副回路中 (2)将更多的扰动包括在副回路中 (3)副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性 (4)要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中 (5)在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量 在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合2】1.2.3主、副回路的匹配 (1)主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。

严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作 (2)主、副调节器的控制规律的匹配、选择 在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的主调节器是定值控制，副调节器是随动控制系统对二个回路的要求有所不同主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或 D 控制如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制3)主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式3】1.3串级控制系统的工业应用1.3.1用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。

利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路1.3.2用于克服被控过程的纯滞后 被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响改善控制系统的控制质量 1.3.3用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响 1.3.4用于克服被控过程的非线性在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响1.4 过程控制系统的MATLAB计算与仿真1.4.1 控制系统计算机仿真控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和法阵同步进行的。

控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤：(1)建立控制系统的数学模型系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间的数学表达式系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式2)建立控制系统的仿真模型根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型3)编制控制系统的仿真软件采用各种各样的计算机语言（Basic、FORTRAN、C等语言）编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言4)进行系统仿真试验并输出仿真结果通过对仿真模型对试验参数的修改，进行系统仿真试验，输出仿真结果如果应用MATLAB的Toolbox及Simulink集成环境作为仿真工具，则构成了MATLAB仿真4】1.4.2 控制系统的MATLAB计算与仿真MATLAB是矩阵实验室(Matrix laboratory)之意MATLAB具有以下主要特点：(1)功能强大，实用范围广MATLAB除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算。

差不多所有科学研究与工程技术应用所需要的计算，MATLAB均可完成2)语言简洁紧凑，使用方便灵活 MATLAB提供的库函数及其丰富，既有常用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用库函数MATLAB程序书写形式自由，利用丰富的库函数避开了复杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。