基于MATLAB的液位控制

1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......................................102.1PID控制简介................................................102.2PID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................................................1923.1.3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...............................................................421前言体不产生溢出。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70%也往往是将这类系统作为最低层的控制系统。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制系统的研究有指导意义。2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变送、副调节器、调节阀和副过节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。1】。1.1.2串级控制系统的工作过程(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31.1.3系统特点及分析(1)(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副回路的设计对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能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)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)在这里要注意(2)和(3)(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、310作。(2)主、副调节器的控制规律的匹配、选择PI或PIDP控制规律而不引入I或D控制。如果引入I没有必要引入DP引入D(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速动作的副回路。61.3.2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。只要主被控量的影响。1.3.4用于克服被控过程的非线性过程都存在着一定的非线性。这会导致当特性的影响。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。控制系统的计算机仿真就是以种方法。7(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Basic、FORTRAN、C(4)进行系统仿真试验并输出仿真结果果。如果应用MATLAB的Toolbox及Simulink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(Matrixlaboratory)之意。MATLAB具有以下主(1)MATLABMATLAB均可完成。(2)MATLAB全、功能丰富多样的专用库函数。MATLAB(3)有好的图形界MATLAB具有有好的用户界面与方便的帮助系统。MATLAB的函数命令众MATLAB得联机帮助功能使用户既可用help命令查询某个函数的功能及使用又可由MATLAB图形界面下的help菜单来查询为用户提供了学习它的便捷之路。MATLABMATLAB编程运算与人的分方便。(4)图形功能强大MATLAB。MATLABMATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。(5)功能强大的工具箱MATLAB当前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括拥有数百个内部函数主包和ToolboxMATLAB的符号计算、可视化建模仿真、文字具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。针对过程控制系统的非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及MATLABMATLAB的Toolbox与SimulinkSimulink是MATLABSimulink具有适应面广、结优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。(1)SimulinkSimulink是MATLAB是一种基于MATLAB的应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。9Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设图像Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功Simulink与MATLABMATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。(2)Simulinka.丰富的可扩充的预定义模块库。b.交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图c.d.通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、e.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。f.使用EmbeddedMATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。g.式运行或以编译C代码的形式来运行模型。h.行为。【5】10第二章PID控制简介及整定方法2.1PID控制简介1.PID控制原理当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要【6】PID95%以上的控制回路都具有PIDPID控制为基础的。常规PID控制系统原理如图1.1它由PID控制器和被控对象组成。图1.1PID控制系统原理图PIDr(t)与实际输出值e(t)构成偏差e(t)=r(t)-c(t)PID控对象进行控制。其控制规律为001()()()()()()()ttpdptdidetdetutKetetdtTKetKetdtKTdtdtG(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+1tTs+Tds]=Kp+Kt1s+