控制仿真课程设计

内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计1内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计报告题目：三容水箱控制系统仿真学生姓名：学号：专业：测控技术与仪器班级：指导教师：王金明内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计2目录第1章概述..........................................31.1.MATLAB的基本介绍................................31.2三容水箱生产工艺..................................31.3设计目的..........................................4第2章总体方案设计......................................52.1三容水箱液位控制系统概述..........................52.2三容水箱液位系统设计..............................52.2.1控制要求....................................52.2.2PID控制方案.................................62.2.3PID的调节及作用.............................6第3章simulink建模......................................83.1建立三容水箱的数学模型............................8第4章simulink仿真与优化设计............................94.1系统校正..........................................9第5章总结.............................................12参考文献.............................................13内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计3第1章概述1.1.MATLAB的基本介绍（1）MATALB语言体系MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。（2）MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。（3）图形图像系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。（4）MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。（5）MATLAB应用程序接口这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统，是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外，MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。1.2三容水箱生产工艺三容水箱液位控制系统实验装置模拟了工业生产过程中对液位、流量参数的测量和控制。它具有过程控制中动态过程的一般特点:大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制。内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计4随着工业的发展,液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛,为保证生产过程的安全,效益等对液位控制的精确要求,传统PID控制和模糊控制在液位控制中都有应用。根据不同情况下对液位控制的要求,选择最适合的控制方法,本实验以三容水箱的液位控制模型为研究对象,用传统的PID控制进行调节,观察到传统PID控制措施简便,但超调量大,趋于稳定状态所需时间长。1.3设计目的此次设计的最主要目的是三容水箱液位控制系统设计基于SIMNLINK仿真的设计，利用MATLAB软件对工业过程控制的仿真，通过作图以及数据的分析判断系统的合理性、稳定性等，使用Simulink仿真工具进行三容水箱控制过程控制仿真，（单回路控制）包括过程控制数学模型的搭建，学习在虚拟环境下的PID参数整定。内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计5第2章总体方案设计2.1三容水箱液位控制系统概述三容水箱液位控制系统实验装置模拟了工业生产过程中对液位、流量参数的测量和控制。它具有过程控制中动态过程的一般特点:大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制。在实验的基础上对三容水箱的数学模型进行推导并显示建立的数学模型正确的反映出了三容水箱的动态特性。三容水箱是工业生产过程中多容流程对象的抽象模型,具有很强的代表性,可模拟工业过程阶次、线性或非线性、单容或多容、耦合或非耦合等特性、验证各种控制策略的性能优劣,因而研究三容水箱的控制具有重要的理论意义和实际应用价值.本文在对三容水箱和工作机理分析的基础上,首先建立三容水箱的非线性数学模型,然后根据流量特性的特点,采用分段线性化的方法设计了变参数PID控制器,仿真分析指出该控制策略在给定大范围变化时动态和静态性能较差的不足.在此基础上研究了非线性变参数PID控制和非线性模糊PID控制策略,这两种控制策略引入了非线性特性,采用不同参数的PI控制;液位差在小范围时采用变参数PID或模糊PID达到加快动态调节过程和保证液位调节精度的目的.从仿真和实验结果来看,非线性PID控制可以实现液位控制的“粗调”和“精调”,保证液位给定大范围变化情况下控制准确性,验证了本文所研究控制策略的正确性和可行性。系统原理图如图2.12.2三容水箱液位系统设计2.2.1控制要求液位控制在工业生产和日常生活中有广泛应用,并且在不同的环境中,稳定性、相应快速性和鲁棒性的要求也不一样,我们常用的是传统PID控制,它的控制运算方法简便,控制过程易于操作,响应迅速,但对于液位控制有非线性、时变的不确定等问题很难达到理想的效果。内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计62.2.2PID控制方案保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于多水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。控制方框图如图2.1图2.1系统方框图2.2.3PID的调节及作用PID调节实际上是由比例，积分，微分三种调节方式组成。比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计7组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计8第3章simulink建模通过对三容水箱的液位定值控制来说明SIMULINK在自动控制系统中的应用。三容水箱是由上、中、下三只水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱的液位稳定至给定量，完成系统的建模。3.1建立三容水箱的数学模型先从下水箱着手建立模型，并对偏离某一平衡状态设置：设下水箱进水量变化：^Q1，出水量变化：^Q2，水位变化为：^h，水箱截面积：A，存在以下关系式：Q1—^Q2=A（dh/dt）(4-27)由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位与流量成非线性关系。为简化起见，经线性化处理，可近似认为与h成正比，与阻力R成反比，即：^Q2=^h/R（4-28）将（4-27）（4-28）两式经拉氏变换并消去中间变量Q2，可得到单容水箱的数学模型为H（s）/Q1（s）=K/（TS+1），式中T为水箱时间常数，T=RC,C为水箱容量系数，K=R，为放大系数。根据要求，分别设T1=0.6,K1=1,T2=0.6,K2=1.5，T3=1,K3=2建立模型如图3.1所示。图3.1三容水箱数学模型内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计9第4章simulink仿真与优化设计4.1系统校正PID控制器的类型和各类参数参照表4.1表4.1控制器的类型及其参数控制器的类型KpKiKdP2.85*0.500PI2.85*0.451.2*2.85*0.45/2.50PID2.85*0.62.85*0.6/（0.5*2.5）0.125*2.5*2.85*0.6结合表4.1所给参数运用P控制对系统进行仿真，其数学模型如图4.12所示。图4.12P控制SIMULINK仿真其仿真结果如图4.13所示。图4.13P控制SIMULINK仿真结果内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计10运用PI控制对系统进行仿真，其数学模型如图4.14所示。图4.14PI控制SIMULINK仿真其仿真结果如图4.15所示。图4.15PI控制SIMULINK仿真结果运用PI控制对系统进行仿真，其数学模型如图4.16所示。图4.16PID控制SIMULINK仿真内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计11其仿真结果如图4.17所示。图4.17PID控制SIMULINK仿真结果通过仿真可以看出，PID控制具有超调量小，调节时间短，保持了较好的动态性能与稳态性能。通过SIMULINK建立系统仿真模型，选择仿真菜单及参数设置启动仿真过程，用示波器观察系统的仿真效果，了解到对同一对象采用不同的控制方案，控制结果会有差别。SIMULINK中，可以方便的对控制参数进行修改，用最优的方案对系统进行控制，如：超调量小，过渡时间短，系统不稳定等。内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计12第5章总结本次设计中，我设计的题目是三容水箱液位控制系统，在此次设计过程中遇到了很多问题，也接触到了很多以前不知道的知识，特别是之前从未接触过MATLAB软件，这让本次设计一度陷入停滞阶段。后来在图书馆和网络上查阅了大量的相关书籍下安装了MATLAB软件并学习其使用方法，从而使问题一步步得到了解决，最终成功的完成了此次设计。在这次设计我们运用matlab软件的simulink仿真模型的建立和一些PID参数的整定并采用Simulink控制系统设计优化PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。我进一步的将课堂上的理论知识运用到了实践当中，学会了用m