机电一体化论文基于MATLAB的串级PID控制系统方案

1、 . . . 文理学院毕业设计(论文)正文题 目基于MATLAB的串级PID控制系统专 业机电一体化工程班 级机电0811班姓 名鹏学 号08862095指导教师职 称2012年 4 月20 日摘 要本文是用MATLAB编制算法程序的串级PID去实现对上下水箱的液位控制。首先对水箱进行抽象化，建立其数学模型，通过控制工程的知识求出传递函数，对系统模型和结构的分析设计出MATLAB的控制程序；然后用串级PID控制系统去控制这个经典的水位控制系统，在处理水位的自平衡问题时，用MATLAB作为上位机对系统进行监控和动画仿真，可以直观地知道系统的运行状态，也可以获得实时的运行数据和历史数据以与其曲线图；然后通过调整参数，能使水位在有扰动的情况下能快速、稳定、精确地对其产生响应，从而达到水位的自平衡。关键词： MATLAB，PID控制，液位，串级控制AbstractThis article was compiled using MATLAB algorithm procedures Cascade PID to realize right next to the water level cont

2、rol. First of water abstract and establish a mathematical model, controlling the knowledge obtained transfer function, on the system and structure of the model analysis to the MATLAB design control procedures; Then Cascade PID control system to control the water level in the classical control systems, the water level in the self-balancing issue, Using MATLAB as a PC monitor and control the system simulation and animation, can intuitively know the system running, also get real-time operating data

3、, and historical data, as well as its curve; then by adjusting parameters, make water in the case of disturbances can be fast, stable and accurate response to their produce, and thereby achieve the level of self-balanced. Keywords: MATLAB, the PID control, the liquid position, cascade control文献综述目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。所谓的工业自动化就是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制装置或系统，对生产过程、工艺参数、技术指标、产品要求等进行自动的调节与控制，使之达到预定的技术指标。所以控制理论的发展成为了发展工业自动化化关键。其中控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统又可分为开环

4、控制系统和闭环控制系统。1. 开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2. 闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性一样，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另外，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机

5、构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。由于PID控制具有结构简单、容易实现、控制效果好等特点；是目前过程控制中使用最广泛的调节方式；在工业生产的各个领域都有广泛的应用。如机械制造业、炼铁（刚）、造纸、制药等等。目录第一章绪论11.1串级PID控制的研究现状与意义11.2串级PID控制的主要作用11.3用MATLAB进行PID控制的优点1第二章硬件的设计22.1系统的分析与设计方案22.2 PID控制器特点与其选择22.2.1 PID控制器32.2.2 模糊控制（FPID）62.2.3 串级PID控制器62.3串级PID的选择72.4液位系统72.5控制系统建模82.5.1水箱液位的动态数学模型82.6液位系统的硬件选型11第三章软件设计133.1 MATLAB软件133.1.1 MATLAB的主要特点133.1.2 MATLAB5.3新增功能133.2软件流程图143.3 PID指令的调用143.4 MATLAB程序设计153.5 MATLAB环境下的SIMULINK仿

6、真163.5.1 MATLAB软件操作界面总图163.5.2 SIMULINK仿真17第四章系统的安装与调试254.1PID参数的整定254.2 MATLAB的调试过程264.2.1安装MATLAB5.3的空间要求264.2.2 MATLAB输出途径264.2.3MATLAB程序的调试26第五章总结与展望28第六章参考文献29 / 第一章 绪论1.1串级PID控制的研究现状与意义目前，控制与其控制器或智能控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的控制器产品，各大公司均开发了具有参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的

7、Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。随着工业生产的发展，生产过程对自动控制要求日益提高，单回路PID控制虽然具有结构简单、容易实现、控制效果好等特点；但系统往往已经不能满足生产工艺的要求，尤其是在复杂的过程控制工业中显得无能为力。而在常规串级控制系统中，由于串级PID控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，对改善控制品质有独到之处，因而在生产过程控制中，应用变得越来越广泛。1.2串级PID控制的主要作用串级PID控制在回路系统上增加了一个副回路，故使性能得到改善；首先，副被控变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值作用与时调节操纵变量，使副回路被控变量回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减少。即副环回路对扰动进行粗调，主环回路对扰动进行细调。因此，串级控制系统能够迅速克服进入副环扰动的影响，并使系统余差大大减小，从而是液位快速的回到系统所给定要求的液位状态。1.3用MATLAB进行PID控制的优点MATLAB具有强大、丰富的置函数，以与高度灵活的可编程性，特别适合数据处理以与结果的图形化显示，所以用MATLAB

8、进行PID控制能够数据处理以与结果的图形化显示，能够与实时掌握控制的现场数据。从而方便观察。故本课题选用MATLAB进行PID控制。第二章 硬件的设计本课题要求设计一个MATLAB算法软件编制的串级PID控制系统，该系统框图如图2.1所示；液位传感器将检测到的上下水箱液位信号通过单片机通讯接口传送到计算机，使其与PID系统设定值比较，上位计算机调用MATLAB的PID算法程序，对偏差实现PID运算，运算结果通过与单片机的通讯接口，输出去控制水泵转速，从而调整上下水箱的进水量，达到控制液位的目的，最终实现液位的自动控制。图2.1系统结构框图2.1系统的分析与设计方案当采用单级PID控制时，由于系统迟延较大，在下水箱出现正偏差、降负荷的初级阶段，上水箱中的水位值已经开始下降，但下水箱中的水位继续上升，使系统的动态特性变差；基于上述现象的存在，系统动态特性呈现一种近似等幅振荡状态。因而系统不宜采用单级PID控制。经分析，采用串级控制系统可以改善对象的动态特性，提高系统的工作频率；对负荷的变化具有一定的自适应力；适用于非线性对象。故采用串级控制方案，其控制系统框图如图2.2所示。图2.2串级P

9、ID控制系统原理图2.2 PID控制器特点与其选择在工业控制领域中，常用的控制算法有多种，如比例-积分-微分控制（proportion-integral-derivative,简称PID，下同）、串级PID控制、模糊控制FPID (FUZZY ，模糊控制) 控制。其中应用最为广泛的是PID控制器，也称PID调节器。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；至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。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，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制包括PI和PD控制，它的实质就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。2.2.1 PID控制器图2.3 PID控制系统原理框图1、比例（P）控制纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。但这种调节器的主要缺点是系统有余差，且与比例度近似成正比。其传递函数为: （2-1） 式中Kp为比例系数，为比例带。2、积分（PI）控制积分调节器由于加入了积分环节不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数和Ti选择的合理，也能使系统具有良好的动态性能。，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为: （2-2）式中T1为积分时间。3、微分（PD）控制此调节器由于有微分的超前作用，能增加

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