水库自动防洪控制系统设计.docx

水库自动控制防洪系统摘要：将实际中的水库防洪系统抽象成简单的数学模型，设计中包含PID、保持器、传递函数等环节，进一步精确地模拟函数，为了简化设计，我们把水位的函数替代成正弦函数，然后利用MATLAB中的模拟功能，一步一步地得出个环节的参数，得出最佳的函数。关键词：防洪系统 抽象模型 PID调节 参数确定Abstract: The practice of reservoir flood control system into a simple mathematical model of the abstract. Design includes PID, retainer, transfer function and other aspects.Further precision analog functions.In order to simplify the design, we replace a function of water into the sine function, thensimulation by using MATLAB, try many times to ensure the parameter ,then can get the optimum function.Key words: Flood control system,PID regulator,Parameters to determine,The abstract model0 前言近年来，天气变化无常，很多时候暴雨突至，建筑在各大江河的水库来不及排泄洪水，则会引发洪水。水库本来是一项利国利民的工程，可以用来灌溉方圆千里的农田，可以带动无数的发电机组，为各大城市源源不断地输送电源，但是当引发洪水之时，则其摧毁力将会加倍。为了更好地利用水库的造福人类的强大功能，但是又最大限度地减少洪水等灾难带来的严重后果,我们可以设计一种自动控制的防洪系统。为了简化设计，我们不妨忽略一些其他的因数，单单从水位变化这一个单一因数来调节水库放水闸门的开关情况，由此模拟出一个比较符合的数学模型，然后进行一系列的调节，确定方案。1 系统建立与模型抽象1.1系统示意图图中所示为自动水位控制系统示意图，水库中的水源源不断地从上游补充过来，促使水库中的水量不断地增加，若要保持水位在一定的范围内不会变化，则达到一个极限之时，就要开启电机，打开水阀门放水，然而，当水位降到某一个值的时候，电机停止转动，水库开始蓄水。图中的浮子作为探测水位的高低，用连杆做比较作用，它将实际的水位与期望的水位进行比较，得出误差，并以运动的方式推动电位器的上下移动，电位器输出的电压的高低和极性反映出误差的性质（大小及方向）。电位器输出的微弱电压经过放大器放大后，进入控制系统，控制系统经过一系列的处理，输出一个电压信号，再次放大，输出电压用于控制直流伺服电动机，其转轴经过减速器降速后拖动进水阀门，作为施予系统的控制作用。1.2系统抽象由1.1中设计的实际系统中可以模拟出如下图所示的控制系统图： 把电位器里面输出的电压当做是输入值R(s),然后经过一系列的处理，输出Y（z），控制电机的转向与转速，也从而控制了闸门的开关程度。2 数学模型的建立2.1初步定型为了更好地观察系统的模拟情况，我们把1.2中的路线图抽象成如下图所示的MATLAB框图，这样我们就可以在电脑上很方便地观察到水位控制的情况： 由于条件的限制，我们不能真实地获取到水库水位的真正曲线，下面我们就用正弦函数曲线来模拟，因为缓慢变化的水位线如果从很长的时间来看是很接近正弦曲线的，因而就采用正弦曲线。这里主要用到了如下的几个环节：1、 正弦波2、 数字PID调节控制3、 保持器4、 传递函数5、 示波器在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而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，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，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，或 不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。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例函数（比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。）： K p积分函数（在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项则会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。）： Ki1-z-1微分函数（在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。）： Kd（1-z-1）保持器（零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把第nT时刻的采样信号值一直保持到第(n+1)T时刻的前一瞬时，把第(n+1)T时刻的采样值一直保持到(n+2)T时刻，依次类推，从而把一个脉冲序列变成一个连续的阶梯信号。因为在每一个采样区间内连续的阶梯信号的值均为常值，亦即其一阶导数为零，故称为零阶保持）： 1-e-sTs传递函数这里没有确定，拟用二阶以上的函数。2.2 参数确定由2.1中已经得出了基本的函数传递，基本上符合了我们模型需要的过程，接下来就要通过一个个参数去确定最后的方案。通过比较，发现使用二阶的传递函数最接近希望得到的结果，因而最后确定使用二阶的传递函数。下面是其中试探法中的一种情况，可知误差还在不断扩大，是发散，因而参数还不确定，还需要我们再去调试：波形测试图2.3最后方案 经历过多次的实验测试，我们可以得出一组最佳的参数，这参数可以使误差控制在5%以下，最后得出如下的一组参数，为最佳的参数：比例函数： K p=2积分函数： Ki1-z-1、Ki=2微分函数： Kd（1-z-1）、Kd=2保持器： 1-e-sTs、T=0.1s传递函数这里没有确定，拟用二阶以上的函数。MATLAB中系统图设计由以上参数通过MATLAB可以模拟出如下图所示的波形图，由图中可知，误差已经控制在了5%以内，符合一般系统的误差设计标准。电动机的转速经过减速器后由系统的输出Y(z)控制，当Y（s）0之时，电动机正传，打开闸门，向外排水。当Y（s）0之时，电动机反转，关闭闸门储蓄水量，水位上升。闸门的开放程度与电动机转身有关，因为可以很好地控制排水量的大小。这样，就在闸门的开合与电动机的正反转中，可以是水库的水位保持在一个范围内波动，在这个安全范围内，类似于洪水这些灾难是不会发生的。最终模拟效果图3 设计结论通过参数测试法，最后得到了与预期比较吻合而且误差比较小的系统，证明了这个系统的可行性。但是这只是从一个很片面的角度去抽象实际中的模型，现实中要考虑的因数远远比想象中的要多，也不可能就这么一个简单的模型可以控