计算机控制课程设计--双容水箱液位的PID控制

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1、目目 录录 0. 前言 1 1. 被控对象的分析与建模 3 2. PID 控制基本理论 5 2.1 PID 控制原理及特点 .5 2.2 PID 控制原理 .5 3. PID 控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析 6 3.1 比例作用 6 3.2 积分作用 7 3.3 微分作用 8 4. PID 参数的整定方法 9 5. 软件仿真 10 5.1 PID 参数调节过程 . 11 5.1.1 P 参数调节. 11 5.1.2 PI 参数调节 .12 5.1.3 PID 参数调节 12 6. 实验结果 13 7. 结论及进一步设想 13 参考文献 14 第 1 页 双容水箱液位的 PID 控

2、制 摘要：双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制系统，它 在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛的应 用。在本设计中充分利用计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位 的控制。 首先对被控对象建立数学模型， 根据所建模型和被控过程特性设计控制系统， 采用 PID 控制技术对控制系统的性能进行分析。实验结果表明，系统实现了对过程参 数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。 关键词：双容水箱，PID 控制，二阶系统，MATLAB 0. 前言 随着工业生产的飞速发展，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

3、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 线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一 个先进、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在参考国内实验装置并充分考虑性能价格比的基础上， 自行设 计的一种可以模拟多种对象特性的实验装置。该装置是进行控制理论与控制工程教 学、实验和研究的理想平台，可以方便的构成多阶系统。 双容水箱是较为典型的非 线性、时延对象，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 型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意 义的

4、。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的 研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制可以作为 研究更为复杂的非线性系统的基础， 又具有较强的理论性， 属于应用基础研究。 同时， 它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。 随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！不管是 生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将 PID 算法运用到水位控制系 统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问题而且还可以合理、安全、节约的使用水资 源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！德国 Amir

5、a 自动化 公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一， 在国外很多大学和实验室都 已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了 Amira 公司研制的双容水箱过程控制实验装置。但是，由于德国 Amira 自动化公司 研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价 第 2 页 格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱 系统的算法研究和仿真带来了困难。 液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。 在 生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以 保

6、证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部 条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程 中的作用也不同， 这就增加了对过程参数进行控制的复杂性， 或者控制起来相当困难， 因此形成了过程控制的下列特点： (1)对象存在滞后 热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设 备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。 因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被 控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。 (2)对象特性的非线性 对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大 多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。 (3)控制系统较复杂 从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化 不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的 稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使 被控量逐渐稳定下来，这