液位控制系统的研究

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1、 . 本 科 毕 业 论 文液位控制系统的研究Study of Liquid Level Control System学院名称：专业班级：学生：学 号：指导教师：指导教师职称：2014年5月31 / 39毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名： 日

2、期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 单容水箱液位控制系统概述21.1 水箱液位控制系统构成及工作原理21.2 单容水箱建模234第二章 控制系统的设计62.1 被控参数和控制参数的选择62.2 控制策略的选择6串级控制系统6单回路

3、控制系统7第三章 控制策略83.1 PID控制83.2高级控制策略993.2.2 模糊控制103.2.3 神经网络控制103.2.4 鲁棒控制113.2.5 预测控制11控制123.3 控制策略的选择12第四章 PID控制器设计及参数整定134.1 原系统特性分析134.2PID控制规律的选择134.3PID调节器参数的整定方法144.4 控制器参数整定16161820224.5系统仿真26结 论29致 30参考文献31液位控制系统的研究摘要：液位控制在工业生产中是重要的控制应用，液位控制的对象一般都具有纯延时以及大惯性的特点，系统呈现非线性，而且在实际的工业生产中有很多外界扰动的影响，其控制

4、精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本，甚至会影响到工业生产的顺利进行。因此，本文对液位控制系统进行了分析，包括控制系统的控制策略。采用了单回路PID控制的方案对单容水箱液位控制系统进行控制。通过对单容水箱系统在机理的分析，确定了单容水箱数学模型的结构形式；利用实验测出系统在开环运行情况下的阶跃响应曲线，并通过对曲线进行分析计算，确定数学模型中各个参数的值，从而建立了控制对象的数学模型；根据单容水箱液位控制系统的特点设计合适的控制策略以及PID控制器，详细介绍了控制规则以及PID控制器参数的整定方法。通过整定PID参数，建立了合适的PID控制器，满足了系统对控制精度、调节时间和超调量等控制品质

5、的要求。最后建立系统的仿真模型，在MATLAB软件的Simulink环境下得到仿真曲线，并且根据仿真曲线分析了控制系统的性能。关键词：水箱建模；液位控制；PID校正；MATLAB仿真Study of liquid level control systemAbstract: Level control is a important application of control in industrial production. The object of level control generally have some features like a pure delay,large iner

6、tia and nonlinear. There are many external disturbances influence in the actual industrial production. The process and accuracy of control will affect the quality and the costof the production, it can even affect industrial production run smoothly. So, in this paper, the liquid level control system

7、are analyzed, including the control strategy. By analysis the internal mechanism of single-tank water level control system, I get the form of its mathematical model. measured step response curves by experiment under the condition of open loop, the value of eath parameter of mathematical model were a

8、ll determined though the analysis and calculation of the curve, and the mathematical model of the control object was determined.According to the characteristics of a single-tank water level control system design the control strategy and PID controllers. Introduced the control rules and the setting m

9、ethod of PID controller parameters. Through adjusting PID parameters establish a good controller which meet the requirements of control quality. Finally, create a system simulation model, simulation curves obtained in the MATLAB Simulink software environment, and analysis the performance of the cont

10、rol system according to the simulation curve .Key words: liquid Level Control; Modeling the tank; PID correction; MATLAB simulation引 言液位是工业生产中最常见的控制参数之一，在实际生产中，液位控制得好坏直接影响产品的质量甚至成为产品制造成败的关键，所以液位控制具有广泛的实际应用价值和应用前景。本文通过对水箱液位控制系统的研究，为工业过程控制的理论发展和实际应用提供重要的指导。随着现代工业的大型化、复杂化发展，为了保证系统的稳定性、生产的安全性以及控制的精确性，形成

11、了许多有效的控制策略，一般分为两类：传统控制策略和高级控制策略。本文对这些策略进行了介绍，并综合考虑各个方面的因素，选用了经典PID控制。PID控制至今已有近70年的历史，因为它结构简单、稳定性好以及工作可靠成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时系统的控制器结构和参数必须依靠经验和现场工作情况来确定，这时应用PID控制技术最为方便。虽然PID控制在控制系统中很常用，但是，要想取得良好的控制效果，必需合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。本文对液位控制系统进行了分析水箱的液位高度为被控制量，以单容水箱为研究

12、对象，选择了进水阀门作为控制系统的执行机构，建立控制对象的数学模型及控制系统的模型，并对系统进行校正，通过确定合适的控制参数，来满足系统对控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求，并通过MATLAB仿真来看控制效果。第一章 单容水箱液位控制系统概述1.1 水箱液位控制系统构成及工作原理本课题研究的是单容水箱液位控制系统，本控制系统由控制器、电动调节阀、水箱和压力变送器组成，电动调节阀用于控制水箱进水口的流量；压力变送器用于检测水箱液位；控制器的输出用于控制电动调节阀的开度，单容液位过程如图1.1所示。图1.1 单容液位过程由图1.1可知单容水箱的特性：水箱的出水量与水箱液位有关，当水箱液位升

13、高时，出水流量会增加，所以在给水箱贮水时，若出水阀门2的开度为适当值，在不溢出的前提下，当水箱的进水量维持恒定时，液位的上升速度将缓慢，并最终稳定，达到平衡状态。对于大多数被控过程，其阶跃响应的特点是被控量的变化是单调无振荡、有延时和惯性的。单容过程阶跃响应曲线如图1.2所示。y(t)阶跃响应0阶跃扰动输入t图1.2 单容水箱阶跃响应曲线1.2 单容水箱建模建立过程数学模型的方法主要有：解析法：解析法又称为机理演绎法。它根据过程的在机理，运用已知的静态和动态物料（能量）平衡关系，用数学推理的方法建立过程的数学模型。实验辨识法：实验辨识法又称系统辨识与参数估计法。该法是根据过程输入、输出的实验测

14、试数据，通过过程辨识和参数估计建立过程的数学模型。混合法：即用以上两种方法的结合建立过程的数学模型。首先通过机理分析确定过程模型的结构形式，然后利用实验测试数据来确定模型中各参数的大小。本课题采用的是这种建模方法。图1.1是单容液位过程，液位高度为被控量，设水箱的进水量为，出水量为，水箱的液面高度为，出水阀固定于某一开度值。若作为被控对象的输入变量，为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是与之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有（1-1）将式（1-1）表示为增量形式 （1-2）式中，、分别为偏离某一平衡状态、的增量；水箱底面积。在静态时，；当发生变化时，液位随之变化，阀处的静压也随之变化，也

15、必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即 或 （1-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（1-3）代入式（1-2）可得（1-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： （1-5）式（1-5）便是单容水箱数学模型，式中，为水箱的时间常数（注意：阀的开度大小会影响到水箱的时间常数），为过程的放大倍数。设阶跃输入量为，可求得一阶无时延环节的阶跃响应为：= （1-6）当时，得（1-7）则（1-8）式中，为时刻过程输出的稳态值。当时，曲线的斜率为（1-9）此时切线的斜率为最大，切线方程为，当时，有

16、（1-10）由以上可得求解K和T的步骤为(1) 由阶跃响应曲线定出，再由式（1-8）确定K的值。(2) T可以由测试数据直接求得。根据式（1-6）和式（1-7）可有 （1-11）由上式可求得时， （1-12）时， （1-13）时， （1-14）因此便可计算出时间常数T。实验测取的水箱阶跃响应曲线如图1.3所示。图1.3 阶跃响应曲线初始稳态时测量值为49，输出值为5%，将输出值变为18%时，稳定时测量值为186。则,，阶跃输入为13。由式（1-8）便可求得。因为，所以，对应的时刻为；，对应的时刻为；，对应的时刻为；再根据式（1-12）、（1-13）和（1-14）可计算的；通过以上处理最终得出单

17、容水箱的数学模型为： （1-15）第二章 控制系统的设计2.1 被控参数和控制参数的选择被控参数的选择：生产工艺要求水箱的液位维持在某一高度，或在很小的围波动，以保证生产过程的正常进行。可见液位的高低是反映生产过程直接质量指标的直接参数，而且工艺上也是允许的，所以可选择液位作为被控参数。控制参数的选择：从生产过程的液位控制来看，有两种液位控制方案：一是测量水箱的液位,控制进水阀的流量。二是测量水箱的液位，控制出水阀的流量。两种方案的被控过程的特性基本相同，均为一阶惯性环节。但是，从保证液体不溢出和如果出水阀流量是生产过程的负荷量来看，方案一更为合适。2.2 控制策略的选择现代工业生产过程是一个

18、复杂的过程，如石油、冶金、电力、轻工、机械、化工、环保等其产品众多，过程控制系统的被控过程形式多种多样，生产工艺千变万化，控制方案非常丰富。过程控制系统从结构形式可分为串级控制系统和单回路系统。串级控制系统串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统环为副控对象，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用。环的作用是将外部扰动的影响在环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择环时应考虑其响应速度要比外环快得多。一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，外环为主控对象，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制

19、要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。串级控制系统的结构图如图2.1所示。yr图2.1 串级控制系统的结构图单回路控制系统单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和一个被控过程，对过程的某一个被控参数进行闭环负反馈控制。在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设定、整定和投运。单回路控制具有结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求的特点，故得到了广泛的应用。两种控制方案相比较，由于串级控制系统在结构上多了一个副回路，所以具有以下特点：（1）改善过程动态特性。串级控制系统可以

20、被看作是一个改变了过程特性的单回路系统。由于副回路的存在，相当于改善了部分过程的动态特性，使过程时间常数和放大系数都减小了，由于过程的动态特性有所改善，使系统的反应速度加快，控制更为及时，提高了系统的控制质量。（2）克服二次扰动。串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路。当二次扰动进入副回路，还没有等它影响到主被控参数时，副调节器就开始动作，因而对主被控参数的影响较小，从而提高了主参数的控制质量。对于进入副回路的扰动，串级控制系统比在相同条件下的单回路控制系统具有较强的抗干扰能力。（3）系统工作频率高。串级控制控制系统工作频率的提高，可以使振荡周期缩短，从而改善了系统的控制质量。（4）有一定的

21、自适应能力。串级控制系统，就其主回路来看是一定值系统，副回路则为随动系统。主调节器能按照负荷和操作调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷和操作条件的变化，即具有一定的自适应能力。单回路控制系统和串级控制系统各有其特点，在系统设计时的指导思想是：如果用单回路控制系统能满足生产要求，就不要用串级控制系统；同时串级控制系统也并不是到处都适用，串级控制同有自己的应用场合。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。对于单容水箱液位控制，用单回路控制就能够达到较好的控制精度。而且单回路控制具有结构简单、投资省、操作方便的优点，因此采用单回

22、路控制。第三章 控制策略控制策略是控制的核心。从模拟控制系统开始，到数字控制系统及模数混合系统的长期发展过程中，形成了许多有效的控制策略，一般分为两类，传统控制策略和高级控制策略。传统控制策略主要有PID控制。然而随着现代工业的大型化、复杂化发展，为了保证系统的稳定性、生产的安全性以及控制的精确性，采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论与控制策略已经远远不能胜任。于是，开发高级的过程控制系统，研究高级的控制策略，越来越成为控制界的关注对象。下文将先简单介绍传统PID控制策略，然后在其基础上比较性地引出自适应控制、模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制、预测控制、专家控制等控制策略。3.1 PID控

23、制在工程实际中应用最为广泛的控制规律是比例（P）、积分（I）、微分控制（D），简称PID控制。PID控制至今已有近70年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统的控制器结构和参数必须依靠经验和现场工作情况来确定，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，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。实际的PID控制中包含PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来控制的。一般在控制系统中，

24、控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3.1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。比例被控对象积分微分图3.1 模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值与实际输出值构成控制偏差(3-1)将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 (3-2)写成传递函数形式为 (3-3)式中比例系数；积分时间常数；微分时间常数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：比例（P）控制：用于加快系统的响应速度，提高系统的调

25、节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分（I）控制：主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分（D）控制：能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。3.2高级控制策略实际上，复杂的工

26、艺过程往往具有不确定性，如环境的影响和参数的未知性、时变性、随机性、突变性等。对于这类生产过程，采用之前介绍的PID常规控制方案往往不能获得令人满意的控制效果，甚至还可能导致整个系统失控。为了解决在被控对象的结构和参数存在不确定性时，系统仍能自动地工作于最优或接近于最优的状态，就提出了自适应控制。自适应控制是建立在系统数学模型参数未知的基础上，在控制系统运行过程中，系统本身不断测量被控系统的参数或运行指标，根据参数或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，以适应其特性的变化，保证整个系统运行在最佳状态下。一个自适应控制系统至少应包含有以下三个部分：（1）具有一个检测或估计环节，目的是监视整个过

27、程和环境，并能对消除噪声后的检测数据进行分类。通常是指对过程的输入、输出进行测量，进而对某些参数进行实时估计。（2）具有衡量系统控制优劣的性能指标，并能够测量或计算它们，以此来判断系统是否偏离最优状态。（3）具有自动调整控制器的控制规律或参数的能力。自适应控制是一种逐渐修正、逐步逼近期望性能的控制策略，适宜于控制模型和干扰变化缓慢的情况。3.2.2 模糊控制模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透的以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。与经典控制系统相比，模糊控制以现场工作人员及专家经验、知识或操作数据作为基础，不依赖精确

28、数学模型，采用模糊集合理论，总结人们对系统的操作和控制经验，用模糊条件语句写出控制规律，再用算法语言来编写程序来编写程序来控制生产过程。设计模糊控制器时要解决精确量的模糊化、模糊控制规则的构成和输出信息的模糊判决三个方面的问题。模糊控制的发展的经历了三个阶段。（1）基本模糊控制：针对特定对象设计，控制效果好。控制过程中规则不变，不具有通用性，设计工作量大。（2）自组织模糊控制：某些规则和参数可修改，可对一类对象进行控制。（3）智能模糊控制：具有人工智能的特点，能对原始规则进行修正、完善和扩展，通用性强。模糊控制的主要特点有（1）不需要建立对象的数学模型。（2）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象

29、参数的变化对模糊控制的影响不明显，有较强的抗干扰能力，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。（3）由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。（4）控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑。3.2.3 神经网络控制许多难确定的非线性系统对控制精度的要求很高，需要新的控制系统具有自适应的能力、良好的鲁棒性和实时性、计算简单和自组织并行离散分布处理等智能信息处理的能力。由此产生了神经网络控制系统。神经网络控制是指在控制系统中，应用神经网络技术，对难以精确建模的复杂非线性对象进行神经网络模型辨识，或作为控制器，或进行优化计算，或进行推理，或进行故障诊断，或同时兼有上述多种功能。称这种

30、控制方式为神经网络控制。神经网络在控制中的作用有以下几种：（1）在传统的控制系统中用以动态系统建模，充当对象模型；（2）在反馈控制系统中直接充当控制器的作用；（3）在传统控制系统中起优化计算作用；（4）与其他智能控制方法如模糊逻辑、遗传算法、专家控制等相融合。3.2.4 鲁棒控制所谓鲁棒性是指系统存在模型失配或受到扰动时仍能保持良好性能的能力。而鲁棒控制的基本思想就是针对实际工作过程中，工作状况变化、外部干扰、系统故障等导致系统模型的不确定性，设计一个固定的控制器，使得对于系统中所有的不确定性，闭环系统能保持稳定并具有所期望的性能。鲁棒控制的优点在于无需在线调节控制器参数，它能保证当系统的动态

31、特性在一定围发生波动时仍能保证较好的控制性能。但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标，同时过程的动态特性已知，且不确定因素的变化围可以预估的应用。鲁棒控制系统应该具有如下特点：（1）灵敏度低；（2）在参数的允许变动围能保持稳定；（3）当参数发生剧烈变化时，能够恢复和保持预期性能。3.2.5 预测控制实际工业过程具有非线性、时变性和不确定性，而且大多数工业过程是多变量的，难于建立精确的数学模型，其结构也往往往十分复杂，难以设计并实现有效的控制。70年代以来，人们

32、针对工业过程特点寻找各种对模型精度要求低，控制综合质量好，在线计算方便的优化控制算法。预测控制是在这样的背景下发展起来的。预测控制不但利用当前的和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的偏差值，以滚动优化确定当前的最优控制策略。它可以根据对系统动态特性的预先描述(信息)，提前对模型以后的失配、非线性或其他干扰等不确定因素进行弥补，从而减少偏差，获得较高的综合控制性能。预测控制具有：（1）对数学模型要求不高；（2）能直接处理具有纯滞后的过程；（3）具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力；（4）对模型误差具有较强的鲁棒性等优良性质。因此，更加符合工业过程的实际要求。但是有关预测控制的理论研究

33、仍落后于工业实际。目前的预测控制算法普遍存在着模型精度不高，滚动优化策略少，反馈校正方法单调等问题。控制上世纪80年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。专家系统能处理定性的、启发式或不确定的知识信息，经过各种推理来达到系统的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。专家控制是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。所谓专家控制，是将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。专家控制试图在传统控制的基础上“加入”一个富有经验的控制工程师，实现控制的

34、功能，它由知识库和推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的控制。专家控制的功能为：（1）能够满足任意动态过程的控制需要，尤其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；（2）控制过程可以利用对象的先验知识；（3）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，改进控制性能；（4）可以定性地描述控制系统的性能；（5）对控制性能可进行解释；（6）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来获取经验规则。3.3 控制策略的选择控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，在控制对象结构非常复杂的情况下，人们难以建立

35、系统精确的数学模型，此时，常规PID控制方案往往不能获得令人满意的控制效果，就需要采用高级的控制策略。但是高级控制策略比较复杂，采用时工作量比较大，而且有的只在实验室经常采用，在实际工业术上不成熟。由于单容水箱结构比较简单，建立数学模型比较方便，采用常规PID控制就能很好的达到控制要求，而且常规PID控制结构简单、稳定性好、工作可靠。因此本课题采用常规PID矫正。第四章 PID控制器设计及参数整定4.1 原系统特性分析y图4.1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度，并减小或消除来自系统部或外部扰动的影响。调节阀水箱控制器r测量变送器

36、图4.1 液位控制系统框图调节阀的静态增益为，即当系统达到稳定时，阀门的增益，液位变送器静态增益为，表示仪表的输入/输出围，把和都折算到控制器时，就不需要测量其值的大小，只需调节控制器中各个参数的的大小对系统进行控制。折算后和的值都为1，此时液位控制系统的系统框图如图4.2所示。yr控制器图4.2 折算后的系统框图当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系，合适的控制参数可以带来满意的控制效果；反之，若控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，控制规律的选择及控制器参数的整定是非常重要的。4.2PID控制规律的选择纯比例

37、（P）调节：纯比例调节器是一种简单的调节器，它对控制作用和扰动作的响应都很快，由于比例调节器只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差的存在。其传递函数是（4-1）比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。其传递函数是（4-2）比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系

38、统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。其传递函数是（4-3）例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。其传递函数是（4-4）总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制

39、、大滞后控制等。4.3PID调节器参数的整定方法调节器参数的的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的参数；另一种是工程整定法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程整定方法有以下四种。方法一：临界比例度法。这种整定方法是在闭环的情况下进行的。将调节器置于纯比例位置，且比例度置于最大值，此时无积分和微分作用，待系统运行稳定后，对给定值施加一适当幅值的阶跃扰动，并逐步减小比例度，直到出现等幅振荡，并记录下此时的比例度，即为临界比例度。然后按经验数据求出参数。方法二：衰减曲线法将调节器置

40、于纯比例位置，且比例度置于最大值，此时无积分和微分作用，将系统投入闭环运行。待系统运行稳定后，对给定值做一适当幅值的阶跃扰动并逐步减小比例度，直到出现4:1的衰减曲线为止，记录下此时的比例度和衰减曲线的第一个振荡周期。然后按经验数据求出PID参数的整定值。方法三：反应曲线法。该方法也称为动态特性参数整定法。它是在系统开环的情况下进行的，利用广义过程的阶跃响应曲线对调节器的参数进行整定，在调节阀的输入端加以阶跃信号，利用快速显示记录仪在变送器的输出端记录被控参数的响应曲线。应用此法时需要预先在对象动态响应曲线上求出等效纯滞后时间，等效惯性时间常数，以及它们的比值。然后按经验数据求出PID参数的整

41、定值。方法四：试凑法。在试凑时要考虑PID各个参数对控制过程的影响趋势逐步对各个参数整定。首先只整定比例部分。先将、设为0，逐渐加大比例参数观察系统的响应曲线，直到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许的围，且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。同样先选小，然后逐渐加大，使在保持系统良好动态性能的前提下，静差得到消除，得到较满意的响应曲线。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分系数，以期得到满意的控制过程与整定参数。若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程反复

42、调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。这时可以加大以提高响应速度，减少超调；但对于干扰较敏感的系统，则要谨慎，加大可能反而加大系统的超调量。在整定时，可先置微分系数为零，在第二步整定的基础上增大，同时相应改变比例系数和积分系数，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。以上四种方法各有优缺点，临界比例度法和衰减曲线法需要系统在闭环的条件下运行，临界比例度法需要在纯比例控制的作用下使系统产生等幅振荡，衰减曲线法需要在纯比例控制的作用下使系统产生4:1的衰减曲线，这在有些应用场合是不允许的。在单容水箱液位控制系统中，因为单容水箱的数学模型为一阶系统，且没有滞后，在纯比例控制的作

43、用下，不论比例值怎么变化系统都不可能会产生振荡，所以这两种方法均不能用。反应曲线法不需要系统闭环运行，只需在开环状态下测定系统的阶跃响应曲线，通过处理测得曲线来求取K、T和值，然后根据的值查询经验整定公式来计算PID各个参数的值，因为本课题所用单容水箱液位控制系统滞后可忽略，所以此方法也不合适。经验证试凑法可以用于本次PID控制器参数整定。4.4 控制器参数整定P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器，只改变信号的增益而不影响其相位。纯比例作用时，、均为0，因此比例环节作用下系统的开环传递函数为（4-5）闭环传递函数为（4-6）则（4-7）(按5%误差带) （4-8）(按2%误差带) （4-9

44、）在纯比例作用下，要想使稳态误差和调节时间尽可能小，由上述计算可知，可使尽可能大，比例系数加大，可以使得系统动作灵敏，响应速度加快。经过多次调试发现，在纯比例作用下，的值取的越大，系统的稳态误差越小，调节时间也越小，验证了式（4-7）、（4-6）（4-9），当的值分别为15、20、25时，在MATLAB程序编辑器编写程序，绘制的值分别为15、20、25时的单位阶跃响应曲线，以分析不同值系统的运行情况。程序编写如下：num=10.5;den=222,1;G0=tf(num,den);kp=15;sys=(feedback(kp*G0,1)；Step(sys,b);hold ongtext(kp=

45、15)kp=20;sys=(feedback(kp*G0,1);Step(sys,k-);hold ongtext(kp=20)kp=25;sys=(feedback(kp*G0,1);Step(sys,g-);hold ongtext(kp=25)title(比例控制性能分析)xlabel(时间（秒）)ylabel(幅值)运行结果如图4.3所示。图4.3 纯比例作用时运行结果由图可知，随着比例系数的的增加，闭环系统的稳态误差减小，上升时间缩短，值为20和25时系统的稳定时的幅值已经达到了0.993，但是在纯比例作用下，仍然不能消除系统的稳态误差。液位控制系统控制的最终目的是在有扰动作用时，系

46、统能尽量快的调整到正常值，因此在保证了快速性的前提下，还应该消除系统的稳态误差。在单纯的比例控制作用下并不能使系统的静差得到消除。因此为了消除系统的稳态差，可以加入积分的作用，即构成PI控制。此时控制器的传递函数为 （4-10）PI作用下的开环传递函数为 （4-11）系统闭环传递函数为 （4-12）取为20；分别为1、3、10；在MATLAB编辑器编写程序，绘制的值分别为1、3、10时的单位阶跃响应曲线，以分析不同值系统的运行情况。程序编写如下：kp=20;num=7.6;den=222,1;G0=tf(num,den);ki=1;Gc=tf(kp ki,1 0);G=G0*Gc;step(f

47、eedback(G,1),b);hold on;gtext(ki=1);ki=3;Gc=tf(kp ki,1 0);G=G0*Gc;step(feedback(G,1),k);hold on;gtext(ki=3);ki=10;Gc=tf(kp ki,1 0);G=G0*Gc;step(feedback(G,1),r);hold on;gtext(ki=10);xlabel(时间（秒）)ylabel(幅值)的值分别为1、3、10时的单位阶跃响应曲线，运行结果如图4.4所示。图4.4 的值分别为1、3、10时单位阶跃响应曲线由图可知，为1时，虽然超调量不大，但是调节时间太长；取10时调节时间为1

48、5.6秒，但是超调量太大，因此取为5左右比较合适，为了更精确的进行控制，再取一组值，取为2、3、4，绘制的值分别为2、3、4时的单位阶跃响应曲线，如图4.5所示。图4.5 的值分别为2、3、4时单位阶跃响应曲线由图可知，取2、3、4时的响应速度很快，而且调节时间都差不多，但取2时超调最小，因此取值为2。经过PI控制器校正后，系统的动态性能能满足需要，PID控制器的参数取，。PD作用时控制器的传递函数为 （4-13）则系统的开环传递函数为 （4-14）闭环传递函数为 （4-15）在系统矫正中，加大控制器增益会减小系统稳态误差，提高系统的控制精度，而微分控制作用只对动态过程起作用而对稳态过程没有影

49、响，且微分控制对系统噪声非常敏感。当噪声变化非常迅速时，不适宜用微分控制。取，分别为2、4、20，在MATLAB编辑器编写程序，绘制分别为2、4、20时系统的单位阶跃响应曲线。程序编写如下：kp=1;kd=1 4 20;den=222,1;figure;for kp=1:3; num=conv(10.5,kd kp); G=tf(num,den); step(feedback(G,1); hold on;endhold off;gtext(kd=1)gtext(kd=4)gtext(kd=20)xlabel(时间（秒）)ylabel(幅值)程序运行结果如图4.6所示。图4.6 分别为1、4、2

50、0时的阶跃响应曲线由上图可知，经过PD矫正，虽然系统的动态性提高了，但是系统的稳态性能却没有改善，稳态误差很大，而且在坐标原点附近响应曲线有振荡。因此，单容水箱液位控制系统，不适合用PD矫正。PID作用时控制器的传递函数为 (4-16)则系统的开环传递函数为 (4-17)闭环传递函数为 (4-18)PID控制是在PI控制的基础上加入微分（D）控制，PI控制时，；在此基础上整定。为了绘制分别取不同值时系统的单位阶跃响应曲线，根据系统的传递函数模型，在MATLAB编辑器编写程序。程序如下：kp=20;ki=2;kd=0.1;num0=10.5;den0=222 1;G0=tf(num0,den0)

51、;num1=kp*kd kp ki;den1=1 0;G1=tf(num1,den1);G=G0*G1;sys=feedback(G,1);step(sys,b:);hold on;kd=0.9;num0=10.5;den0=222 1;G0=tf(num0,den0);num1=kp*kd kp ki;den1=1 0;G1=tf(num1,den1);G=G0*G1;step(feedback(G,1);sys=feedback(G,1);step(sys,K-);hold on;kd=10;num0=10.5;den0=222 1;G0=tf(num0,den0);num1=kp*kd

52、kp ki;den1=1 0;G1=tf(num1,den1);G=G0*G1;step(feedback(G,1);sys=feedback(G,1);step(sys,r-);hold on;gtext(kd=0.1)gtext(kd=0.9)gtext(kd=10)xlabel(时间（秒）)ylabel(幅值)经过多次调试发现合适的值在0.1到10之间，取0.1、0.9、10时的单位阶跃响应响应曲线如图4.7所示：图4.7 取0.1、0.9、10时的阶跃响应响应曲线由图可知为10时曲线的响应速度很快，但是调节时间比较长，为0.1时的超调量近似等于为0.9的超调量，但是为0.1时系统响应快

53、，调节时间短。因此在0.1附近取值比较合适。单独绘制，时的单位阶跃响应曲线如图4.8所示。图4.8 ，阶跃响应曲线由图可知，此时系统性能已经很好了，再将，作稍微调整，以现更好的控制，经过多次调试，发现当,时系统的阶跃响应曲线性能最佳。阶跃响应曲线如图4.9所示。图4.9,时系统的阶跃响应曲线综上所述，PI和PID两种控制规律对系统均能很好地进行控制，由阶跃响应曲线可知，经过校正后的单容水箱液位控制系统的稳态误差得到消除，在动态特性上有较大的改善，增加了系统抗扰动的能力，而且单回路PID控制器具有结构简单、明确、实用和控制精度高等优点。4.5系统仿真仿真需要在MATLAB软件中的Simulink

54、下，Simulink是MATLAB的一个实现动态系统建模、仿真与分析的仿真集成环境软件工具包，是控制系统计算与仿真的先进而高效的工具，支持系统在线及离线仿真，比传统的仿真软件更直观方便。它是MATLAB的进一步扩展，不但可以进行仿真，还可以进行模型分析、控制系统设计等。利用阶跃响应曲线法实验得到的单容水箱液位控制系统的传递函数为 (4-19)控制系统的结构仿真模型框图如图4.10所示。图4.10 PID控制系统仿真模型框图PID控制器的参数取，时，仿真结果如图4.11所示。图4.11 ，时系统仿真曲线PID控制器的参数取，时，仿真结果如图4.12所示。图4.12，时对比以上可以知道PI和PID

55、两种控制规律作用下的仿真曲线，可以发现，PI和PID两种控制规律对系统均能很好地进行控制，但相比之下，PID控制规律作用下的曲线，响应速度更快，而且超调小，系统能很快的且无静差的到达稳定状态。结 论液位控制是工业控制中的重要控制对象之一，其控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本甚至会影响到工业生产的顺利进行。因此对液位控制系统的研究有很重要的意义。本次课题研究，利用单容水箱液位控制系统，分析工业生产中液位控制系统的工艺流程及其运作过程中的静、动态特性。文对液位控制系统进行了分析，包括控制系统的控制策略。并且以单容水箱为被控对象，根据系统在机理分析确定单容水箱数学模型的结构形式，利用实验测得

56、系统在开环运行情况下的阶跃响应曲线，对曲线进行分析计算，确定了数学模型中各个参数的值，从而建立了控制对象的数学模型。根据单容水箱液位控制系统的特点设计合适的控制策略以及PID控制器，详细介绍了控制规则以及PID控制器参数的整定方法。通过整定PID参数，建立了合适的PID控制器，满足了系统对控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。最后建立系统的仿真模型进行仿真，在MATLAB软件的Simulink环境下得到仿真曲线，并且根据仿真曲线分析了控制系统的性能。由于时间有限没能在实验设备上成功验证。这是本课题的一个缺陷。另外由于本系统采用的是常规的PID控制，控制的精度不够高，因此以后有必要引入其他

57、一些先进的控制方法，例如可以运用模糊控制，把模糊控制和自适应算法结合起来形成模糊控制自适应控制系统。由于时间有限，对整个液位控制系统的设计较为粗糙，但总的来说实现了基本要求，而且PID控制具有结构简单、稳定性好、工作可靠等特点，具有很高的可行性。致 转眼间到了毕业的时间。经过近半年的忙碌，毕业论文虽然完成了，但是我要学习的东西还有很多很多，通过这次毕业设计，我才认识到自己的不足，才发现仅仅有理论知识还远远不够，这次毕业设计，所有的设计仿真都是自己亲力亲为，真正做到了学以致用，也积累了许多宝贵的实践经验。作为一个本科生，在初次接触到工程设计时，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有

58、老师、同学、朋友个给我的热情帮助，仅靠我自己是难以完成这次毕业设计的，这里请接受我诚挚的意!首先，向我的指导老师邢春芳老师表示深深的意。从论文的选题、研究容和方案的确立到整个研究工作的进行直至最后论文的撰写，邢老师都给予极大的关心、支持和指导，倾注了大量的心血和汗水，邢老师在课下空余时间里一直和我们在一起，随时为我们解决设计过程中遇到的实际问题，还借给我们大量的书籍供我们阅读学习。邢老师严谨的治学态度，务实的工作作风以及对学生无微不至的关怀，不仅使我们增长了专业能力，也让我在个人品质修养上终身受益。其次，向所有关心帮助我的同学表示衷心的感，是你们在第一时间给予我帮助，在我遇到难题时热心帮忙解答

59、，在我无助的时候给我指引道路。特在此设计完成之际，再次向我的指导老师邢老师表示由衷的感，同时也对我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我帮助，由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学批评和指正。参考文献1 何克忠.伟.计算机控制系统M.：清华大学,1998.2 郝成,岳树盛.计算机控制技术M.：电子工业,2011.3 林德杰.过程控制仪表及控制系统M.：机械工业,2011.4 新民,王燕芳.微型计算机控制技术M.：人民邮电,1996.5 赖寿宏.微型计算机控制技术M.：机械工业,2000.6 侯志林.过程控制与自动化仪表M.：机械工业,1999.7 裘雪红,伯成,凯.微

60、型计算机原理及接口技术M.电子科技大学,2000.8 黄坚.自动控制原理及应用M.高等教育,2010.9 童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.高等教育,2006.10 金以慧.过程控制M.：机械工业,2008.11 于浩洋,初红霞,王希风.MATLAB实用教程-控制系统仿真与应用M.：化学工业,2009.12 勇.数字电路M.：电子工业,2004.13 新薇.集散系统及系统开放M.：机械工业,2005.14 曲丽萍,白晶.集散控制系统及其应用实例M.：化学工业,2007.15 王子才.控制系统设计手册M.：国防工业,199316 黄忠霖.控制系统MATLAB实现M.：国防工业,2004.17 国勇.智能控制及其MATLAB实现M.：电子工业,2005.18 .MATLAB与控制系统仿真M.：航空航天大学,2009.19 士荣.计算机控制系