基于matlab的多容對(duì)象液位控制系統(tǒng)仿真(pid_串級(jí)控制)-資料下載頁(yè)

【導(dǎo)讀】允許在某一小范圍內(nèi)變化。與此同時(shí)，為確保生產(chǎn)過(guò)程的安全，還要絕對(duì)保證液。所以人們對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)。能力的要求越來(lái)越高。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的被控對(duì)象往往具有非線(xiàn)性、時(shí)延。象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)際意義。實(shí)用的控制算法的出現(xiàn)都對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有巨大的推動(dòng)作用。性能價(jià)格比的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)的一種可以模擬多種對(duì)象特性的實(shí)驗(yàn)裝置。水箱雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但卻是最基本的過(guò)程空竹系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中，這類(lèi)系統(tǒng)仍占大多數(shù)。控制系統(tǒng)也是在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，即便是一些高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)，因此，學(xué)習(xí)和掌握簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的。因此工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模。同時(shí)，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中液位控。出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。制的變量稱(chēng)副變量，是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。

　　

【正文】 別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)相乘，但過(guò)程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的 1/R1倍。令 Qi=ku，對(duì)液位 h則控制系統(tǒng)過(guò)程傳遞函數(shù)為： ? ?? ?2212()() ( ) 1 1h S k RGs u s T s T s?? ?? (324) 由上述分析可知，該過(guò)程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢(shì)的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個(gè)具有自平衡能力的過(guò)程。其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時(shí)間常數(shù)越小，系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快，反之，若時(shí)間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過(guò)程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過(guò)程等效時(shí)間常數(shù) 12max( , )T T T? ，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。因此通常可用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似無(wú)相互影響的多容系統(tǒng)。 【 1】 第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真 被控對(duì)象的仿真模型 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、即使成熟、操作維護(hù)也比較方便，在生產(chǎn)過(guò)程控制中得到廣泛應(yīng)用。 為了設(shè)計(jì)好一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)均達(dá)到要求值，就必須很好地了解具體的生產(chǎn)工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類(lèi)型和控制器的參數(shù)等。 串級(jí)控制系統(tǒng)必須合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得到充分的發(fā)揮。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計(jì)和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力。為此，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾包括在副回路中，并且把副回路放大系數(shù)整定的應(yīng)大些，會(huì)使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制將干擾對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。 【 12】 在雙容控制系統(tǒng)中，主被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為 ? ? 244( ) 1 .2 5 / 2 5 1sG s e s???，副被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為 ? ?4( ) / 12 1sG s e s???，控制器采用 PI 控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。控制器參數(shù)整定到最佳值 ? ?0 .4 5 , 1 / 1 2 0pIKT??時(shí)，得出單回路控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖，串級(jí)控制系統(tǒng)在一階擾動(dòng)、二階擾動(dòng)和一階、二階擾動(dòng)同時(shí)作用情況下的仿真波形圖。通過(guò)分析和比較單回路和串級(jí)也為控制系統(tǒng)的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統(tǒng)和串級(jí)液位控制系統(tǒng)的差異，具體仿真過(guò)程如下所述。 單回路控制系 統(tǒng)的仿真 單回路控制系統(tǒng)在設(shè)定值為 1300 時(shí)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 所示。 0 .4 5 , 0 .0 0 0 0 5piKK??。 (a) (b) 圖 單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn) (a)仿真框圖 (b) 單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 對(duì)于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，突加幅值為設(shè)定值 40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 ，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約 730s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 單回路 系統(tǒng)二次干擾作用下的仿真框圖 (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c)設(shè)定值和擾動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用下的輸出曲線(xiàn) 同樣對(duì)于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，圖加幅值為設(shè)定值 40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 ，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為530s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c) 設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出 曲線(xiàn) 同樣對(duì)于單回路系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，同時(shí)突加幅值為設(shè)定值 40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 ，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 530s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 單回路系統(tǒng)一次和二次干擾作用下的響應(yīng)曲線(xiàn) (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c) 設(shè)定值和擾動(dòng)值同時(shí)作用下的輸出曲線(xiàn) 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 副控制器選擇 P作用，主控制器選擇 PID 作用，整定串級(jí)控制器的參數(shù)為最佳值 ，同樣是 40%的設(shè)定值設(shè)定值擾動(dòng)。 0 .4 5 , 0 .0 0 0 0 5piKK?? (a) (b) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn) (a)串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真框圖 (b) 串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，圖加幅值為設(shè)定值 40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 330s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)二次干擾作用下的響 應(yīng)曲線(xiàn) (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線(xiàn) 對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，突加幅值為設(shè)定值 40%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 260s。 , ?? (a) (b) (c) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)一次干擾作用下的響應(yīng)曲線(xiàn) (a)仿真框圖 (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線(xiàn) 對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系 統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s 后，突加幅值為設(shè)定值 40%的一次和二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 280s。 (a) (b) (c) 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)一次和二次干擾同時(shí)作用下的響應(yīng)曲線(xiàn) (a) 仿真框圖 (b) 擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲線(xiàn) (c) 設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線(xiàn) 從上面的仿真曲線(xiàn)可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)具有更好的控制效果。 第五章 總結(jié)和展望 經(jīng)過(guò)三個(gè)月的時(shí)間，我的論文終于完成了，回想起這三個(gè)月的艱辛，讓我覺(jué)得很值 得。 剛開(kāi)始拿到論文時(shí)間，我對(duì)題目還不是很明白，就想通過(guò)上網(wǎng)查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒(méi)找到，就在這找資料的過(guò)程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關(guān)論文，從中知道了題目的意思，和論文寫(xiě)作思路。 我做的是多容液位控制，是以串級(jí)的雙容液位控制過(guò)程來(lái)做的，在做論文的過(guò)程中用到了 MATLAB 的仿真，數(shù)學(xué)建模和 PID 控制，數(shù)學(xué)模型的建立和 PID 控制是本論文的基礎(chǔ)，如果沒(méi)有這兩個(gè)部分，我就沒(méi)辦法去做仿真。 問(wèn)題出現(xiàn)最多的就是仿真過(guò)程，剛開(kāi)始仿真的時(shí)候，我以為建立模型然后就能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，沒(méi)想到我參 數(shù)沒(méi)有調(diào)節(jié)好，以致我在仿真的這個(gè)地方用了很長(zhǎng)時(shí)間，最后還是在老師和同學(xué)的幫助下完成的。 所有的工作做完以后就是論文的定稿了，由于我以前做的東西很散，所以整理起來(lái)不是很容易，不過(guò)最后還是整理出來(lái)了，看著我自己做出來(lái)的論文，我覺(jué)得工作已經(jīng)完成了，便發(fā)給老師看初稿，結(jié)果說(shuō)我內(nèi)容作的太單調(diào)，仿真方法單一，于是我又開(kāi)始了修改的工作。 單一是因?yàn)槲抑挥写?jí)控制，所以我又做了一個(gè)單回路控制過(guò)程，又來(lái)比較兩者的優(yōu)越，通過(guò)仿真結(jié)果得出的波形，來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，而不是通過(guò)單一的文字描述來(lái)說(shuō)理。然后又對(duì)用到過(guò)的軟件做了一些簡(jiǎn)介。經(jīng)過(guò)再 三修改，論文終于完成了，也通過(guò)了老師的認(rèn)可，論文終于定稿了。 論文寫(xiě)作的過(guò)程雖然很累，但努力終歸得到了收獲，自己覺(jué)得很自豪，回首走過(guò)的路，覺(jué)得現(xiàn)在心中平靜多了。 研究展望 本文對(duì)多容液位的研究只不過(guò)是基本雙容液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過(guò)是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒(méi)有涉及。在控制方面可以選擇更加好的 PID 控制以提高控制精度。 致謝 本文是在 馮翼 老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。 馮翼 老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要 影響。 他 淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于 液位 PID 控制方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。 本 論文 的完成也離不開(kāi)其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。 再次 感謝馮以 老師在 論文 開(kāi)題、初稿、預(yù)答辯期間所 提出的寶貴意見(jiàn)， 感謝伍陽(yáng)同學(xué)對(duì)我仿真過(guò)程的幫助，感謝 303 宿舍全體同學(xué)對(duì)我的鼓勵(lì)和支持。 還要感謝同門(mén)的師兄師妹們，在 涉及 過(guò)程中給我以許多 建議 和幫助。回想整個(gè) 論文 的寫(xiě)作過(guò)程，雖有不易，卻讓我除卻浮躁，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了法學(xué)的精髓和意義，因此倍感珍惜。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在 這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的 謝意 !最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們 ! 參考文獻(xiàn) 【 1】 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 [M],機(jī)械工業(yè)出版社 ,潘永湘 楊延西 趙躍 編著 【 2】過(guò)程控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 [M],機(jī)械工業(yè)出版社 ,劉文定 王東林 編著 【 3】過(guò)程控制與 Simulink 應(yīng)用 [M],電子工業(yè)出版社 ,王正林 郭陽(yáng)寬 編著 【 4】 MATLAB 及其在理工課程中的應(yīng)用指南 [M],西電出版社出版 ,陳懷琛編著 【 5】三容水箱的建模及基于 TS 模型的模糊 PID 控制 [J]，控制理 論與控制工程，趙科，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 6】魯棒控制及其在三容系統(tǒng)中的應(yīng)用 [D]，張博，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 7】 三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究 [D]，蔡喜翠，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 8】 基于遺傳算法的系統(tǒng)建模與 PID 控制方法研究 [D]，徐春梅，武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文 【 9】 基于智能儀表的串聯(lián)雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ，朱廣 吳君曉，河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào) 【 10】基于動(dòng)態(tài)矩陣的液位控制系統(tǒng)，陳榮保，李勁松 【 11】三容水箱液位控制系統(tǒng)，李偉，黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào) 【 12】彷人多模態(tài)雙容 水箱控制系統(tǒng)研究 [J]，王武 蔡子亮 張?jiān)?，許昌學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 【 13】 容器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J],高紅 陳旭 王永鋒，化學(xué)工業(yè)與工程 【 14】雙容液位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦控制 [J]，羅雄麟 宋浩 許峰，化工自動(dòng)化及儀表 中國(guó)石油大學(xué) 【 15】階躍響應(yīng)模型在三容水箱中的預(yù)測(cè)控制 [J]，杜志偉 陳輝