基于MATLAB的串级PID控制系统毕业论文.doc

湖北文理学院 毕业设计 论文 正文 题 目基于 MATLAB 的串级 PID 控制系统 专 业机电一体化工程 班 级机电 0811 班 姓 名姜鹏 学 号08862095 指导教师 职 称 2012 年 4 月 20 日 摘摘 要要 本文是用 MATLAB 编制算法程序的串级 PID 去实现对上下水箱的液位控制 首先对水箱进行 抽象化 建立其数学模型 通过控制工程的知识求出传递函数 对系统模型和结构的分析设计 出 MATLAB 的控制程序 然后用串级 PID 控制系统去控制这个经典的水位控制系统 在处理水位 的自平衡问题时 用 MATLAB 作为上位机对系统进行监控和动画仿真 可以直观地知道系统的运 行状态 也可以获得实时的运行数据和历史数据以及其曲线图 然后通过调整参数 能使水位 在有扰动的情况下能快速 稳定 精确地对其产生响应 从而达到水位的自平衡 关键词关键词 MATLAB PID 控制 液位 串级控制 AbstractAbstract This article was compiled using MATLAB algorithm procedures Cascade PID to realize right next to the water level control First of water abstract and establish a mathematical model controlling the knowledge obtained transfer function on the system and structure of the model analysis to the MATLAB design control procedures Then Cascade PID control system to control the water level in the classical control systems the water level in the self balancing issue Using MATLAB as a PC monitor and control the system simulation and animation can intuitively know the system running also get real time operating data and historical data as well as its curve then by adjusting parameters make water in the case of disturbances can be fast stable and accurate response to their produce and thereby achieve the level of self balanced KeywordsKeywords MATLAB the PID control the liquid position cascade control 文献综述文献综述 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志 所谓的工业自动化就是在没有人直接参与的情况下 通过自动控制装置或系统 对生产过 程 工艺参数 技术指标 产品要求等进行自动的调节与控制 使之达到预定的技术指标 所 以控制理论的发展成为了发展工业自动化化关键 其中控制理论的发展也经历了古典控制理论 现代控制理论和智能控制理论三个阶段 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等 自动控制系统又可分为开环控制系统和闭环控制系统 1 开环控制系统 开环控制系统 open loop control system 是指被控对象的输出 被控制量 对控制器 controller 的输出没有影响 在这种控制系统中 不依赖将被控量反送回来以形成任何 闭环回路 2 闭环控制系统 闭环控制系统 closed loop control system 的特点是系统被控对象的输出 被控制量 会 反送回来影响控制器的输出 形成一个或多个闭环 闭环控制系统有正反馈和负反馈 若 反馈信号与系统给定值信号相反 则称为负反馈 Negative Feedback 若极性相同 则 称为正反馈 一般闭环控制系统均采用负反馈 又称负反馈控制系统 闭环控制系统的例 子很多 比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统 眼睛便是传感器 充当反馈 人体 系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作 如果没有眼睛 就没有了反馈回路 也 就成了一个开环控制系统 另外 当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗 净 并在洗净之后能自动切断电源 它就是一个闭环控制系统 一个控制系统包括控制器 传感器 变送器 执行机构 输入输出接口 控制器的输出经 过输出接口 执行机构 加到被控系统上 控制系统的被控量 经过传感器 变送器 通过输 入接口送到控制器 其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正 自适应算法 来实现 由于 PID 控制具有结构简单 容易实现 控制效果好等特点 是目前过程控制中使用 最广泛的调节方式 在工业生产的各个领域都有广泛的应用 如机械制造业 炼铁 刚 造纸 制药等等 目录 第一章 绪论 1 1 1 串级 PID 控制的研究现状及意义 1 1 2 串级 PID 控制的主要作用 1 1 3 用 MATLAB 进行 PID 控制的优点 1 第二章 硬件的设计 2 2 1 系统的分析与设计方案 2 2 2 PID 控制器特点及其选择 2 2 2 1 PID 控制器 3 2 2 2 模糊控制 FPID 6 2 2 3 串级 PID 控制器 6 2 3 串级 PID 的选择 7 2 4 液位系统 7 2 5 控制系统建模 8 2 5 1 水箱液位的动态数学模型 8 2 6 液位系统的硬件选型 11 第三章 软件设计 13 3 1 MATLAB 软件 13 3 1 1 MATLAB 的主要特点 13 3 1 2 MATLAB5 3 新增功能 13 3 2 软件流程图 14 3 3 PID 指令的调用 14 3 4 MATLAB 程序设计 15 3 5 MATLAB 环境下的 SIMULINK 仿真 16 3 5 1 MATLAB 软件操作界面总图 16 3 5 2 SIMULINK 仿真 17 第四章 系统的安装与调试 25 4 1PID 参数的整定 25 4 2 MATLAB 的调试过程 26 4 2 1 安装 MATLAB5 3 的空间要求 26 4 2 2 MATLAB 输出途径 26 4 2 3MATLAB 程序的调试 26 第五章 总结与展望 28 第六章 参考文献 29 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 串级串级 PIDPID 控制的研究现状及意义控制的研究现状及意义 目前 控制及其控制器或智能控制器已经很多 产品已在工程实际中得到了广 泛的应用 有各种各样的控制器产品 各大公司均开发了具有参数自整定功能的智 能调节器 intelligent regulator 其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化 调整或自校正 自适应算法来实现 有利用 PID 控制实现的压力 温度 流量 液 位控制器 能实现 PID 控制功能的可编程控制器 PLC 还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等 可编程控制器 PLC 是利用其闭环控制模块来实现 PID 控制 而可编程 控制器 PLC 可以直接与 ControlNet 相连 如 Rockwell 的 PLC 5 等 还有可以实现 PID 控制功能的控制器 如 Rockwell 的 Logix 产品系列 它可以直接与 ControlNet 相连 利用网络来实现其远程控制功能 随着工业生产的发展 生产过程对自动控制要求日益提高 单回路 PID 控制虽 然具有结构简单 容易实现 控制效果好等特点 但系统往往已经不能满足生产工 艺的要求 尤其是在复杂的过程控制工业中显得无能为力 而在常规串级控制系统 中 由于串级 PID 控制系统具备较好的抗干扰能力 快速性 适应性和控制质量 对改善控制品质有独到之处 因而在生产过程控制中 应用变得越来越广泛 1 21 2 串级串级 PIDPID 控制的主要作用控制的主要作用 串级 PID 控制在回路系统上增加了一个副回路 故使性能得到改善 首先 副 被控变量检测到扰动的影响 并通过副回路的定值作用及时调节操纵变量 使副回 路被控变量回复到副设定值 从而使扰动对主被控变量的影响减少 即副环回路对 扰动进行粗调 主环回路对扰动进行细调 因此 串级控制系统能够迅速克服进入 副环扰动的影响 并使系统余差大大减小 从而是液位快速的回到系统所给定要求 的液位状态 1 31 3 用用 MATLABMATLAB 进行进行 PIDPID 控制的优点控制的优点 MATLAB 具有强大 丰富的内置函数 以及高度灵活的可编程性 特别适合数据 处理以及结果的图形化显示 所以用 MATLAB 进行 PID 控制能够数据处理以及结果的 图形化显示 能够及实时掌握控制的现场数据 从而方便观察 故本课题选用 MATLAB 进行 PID 控制 第二章第二章 硬件的设计硬件的设计 本课题要求设计一个 MATLAB 算法软件编制的串级 PID 控制系统 该系统框图如 图 2 1 所示 液位传感器将检测到的上下水箱液位信号通过单片机通讯接口传送到 计算机 使其与 PID 系统设定值比较 上位计算机调用 MATLAB 的 PID 算法程序 对 偏差实现 PID 运算 运算结果通过与单片机的通讯接口 输出去控制水泵转速 从 而调整上下水箱的进水量 达到控制液位的目的 最终实现液位的自动控制 上位机 泵 电机 上水箱 下水箱 液位 压力 流量检测 RS 232VVVF 图 2 1 系统结构框图 2 12 1 系统的分析与设计方案系统的分析与设计方案 当采用单级 PID 控制时 由于系统迟延较大 在下水箱出现正偏差 降负荷的 初级阶段 上水箱中的水位值已经开始下降 但下水箱中的水位继续上升 使系统 的动态特性变差 基于上述现象的存在 系统动态特性呈现一种近似等幅振荡状态 因而系统不宜采用单级 PID 控制 经分析 采用串级控制系统可以改善对象的动态特性 提高系统的工作频率 对负荷的变化具有一定的自适应力 适用于非线性对象 故采用串级控制方案 其 控制系统框图如图 2 2 所示 PID1下水槽磁力水泵PID2单片机 单片机A液位传感器2 单片机A液位传感器1 上水槽 图 2 2 串级 PID 控制系统原理图 2 22 2 PIDPID 控制器特点及其选择控制器特点及其选择 在工业控制领域中 常用的控制算法有多种 如比例 积分 微分控制 proportion integral derivative 简称 PID 下同 串级 PID 控制 模糊控制 FPID FUZZY 模糊控制 控制 其中应用最为广泛的是 PID 控制器 也称 PID 调 节器 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 至今仍有 90 左右的控制回路具有 PID 结构 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 控制包括 PI 和 PD 控制 它的实质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 2 2 12 2 1 PIDPID 控制器控制器 比例积分 积分环节 微分环节 被控对象 给定e t r t u t y t 图 2 3 PID 控制系统原理框图 1 比例 P 控制 纯比例调节器是一种最简单的调节器 它对控制作用和扰动作用的响应都很快 由于比例调节只有一个参数 所以整定很方便 但这种调节器的主要缺点是系统有 余差 且与比例度近似成正比 其传递函数为 2 1 C SP GK 1 式中 Kp 为比例系数 为比例带 2 积分 PI 控制 积分调节器由于加入了积分环节不仅可实现无余差 而且只要调节器的参数 和 Ti 选择的合理 也能使系统具有良好的动态性能 这种调节器在过程控制中是 应用最多的一种调节器 其传递函数为 2 2 式中 T1为积分时间 3 微分 PD 控制 此调节器由于有微分的超前作用 能增加系统的稳定度 加快系统的调节过程 减小动态和静态误差 但微分抗干扰能力较差 且微分过大 易导致调节阀动作向 两端饱和 因此一般不用于流量和液位控制系统 PD 调节器的传递函数为 2 3 式中 TD为微分时间 4 比例积分微分 PID 调节器 PID 是常规调节器中性能最好的一种调节器 它由比例 P 积分 I 微分 D 三个环节组成 它根据给定值 r t 与实际输出值 y t 构成的偏差信号 e t 并将偏差的比例 积分 微分通过线性组合构成控制量 对被控制对象进行控制 故称 PID 控制器 PID 控制器的数学模型可以用下式表示 2 0 1 t p de t u tKe te t dtTd Tidt 4 式中 e t 控制器输入信号 一般为输入信号与反馈信号之差 u t 控制器输出信号 一般为给予受控对象的控制信号 Kp 控制器放大系数 Ti 控制器积分时间常数 Td 控制器微分时间常数 简单来说 PID 控制器各校正环节的主要控制作用如下 1 比例部分 比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号 以最快速度产 生控制作用 使偏差向减小的趋势变化 比例部分数学表达式 Kpe t 从比例部分的数学表达式可以知道 比例系数 Kp的作用在于加快系统的响应速 度 提高系统的调节精度 Kp越大 系统的响应速度越快 但将产生超调和振荡甚 至导致系统不稳定 因此 Kp值不能取过大 如果 Kp取值较小则会降低调节精度 使 响应速度缓慢 从而延长调节时间 是系统 动静特性边坏 故而比例系 Kp 选择 必须适当 才能取得过渡时间少 静差小而又稳定 2 积分部分 积分作用的引入主要是为了保证被控制量在稳定时对设定值的静差跟踪 积分 部分数学表达式为 0 1 t e t dt Ti 从积分部分的数学表达式可以知道 只要存在偏差 则它的控制作用就会不断 增加 只有存在偏差 e t 时 它的积分才会为一个常数 控制作用才是一个不会增 大的常数 可见 积分部分的作用可以消除系统的偏 积分时间常数 Ti对积分部分 的作用影响极大 当 Ti较大时 则积分作用较弱 这时系统的过渡过程不易产生振 荡 但是消除偏差所需要的时间较长 当 Ti较小时 则积分作用较强 这时系统过 渡过程中有可能会产生振荡 但消除偏差所需要的时间较短 3 微分部分 微分作用的引入主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度 微分作 用使控制作用于被控制量 从而与偏差未来变化趋势形成近似的比例关系 微分部 分的数学表达式 de t Td dt 从积分部分的数学表达式可以知道 微分部分的作用强弱由微分时间常数 Td决 定 Td越大 则它抑制 e t 变化的作用越强 Td越小 则它反抗 e t 变化的作用越 弱 它对系统的稳定有很大的影响 在以微分处理器为核心的控制系统中 由于是以采样周期对输入和输出状态进 行差分方程表示 2 0 1 k D p j TT u kKe ke je ke k TiT 5 其中 k 采样序号 k 0 1 2 u k 第 k 次采样时刻的计算机输出值 e k 第 k 次采样时刻的输入的偏差值 e k 1 第 k 1 次采样时刻输入的偏差值 KI 积分系数 KI p K T Ti KD 积分系数 KD p K Td T 为了避免在求取控制量时对偏差求和运算 在实际应用中通常采用增量式 如 式 2 6 2 1D K 1 p u kKe kK e ke ke k AAAA 6 PID 突出特点在于 结构简单 容易实现 控制效果 2 2 22 2 2 模糊控制 模糊控制 FPIDFPID 所谓 FPID 控制就是以模糊集合论 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种 计算机控制方法 模糊控制的突出特点在于 1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型 只需要提供现场操 作人员的经验知识及操作数据 2 控制系统的鲁棒性强 适应于解决常规控制难于解决的非线形 时变及纯 滞后等问题 3 以语言变量代替常规的数学变量 易于形成专家的 知识 4 控制推理采用 不精确推理 推理过程模仿人的思维过程 但由于介入了 人类的经验 因而能够处理复杂甚至 病态 系统 2 2 32 2 3 串级串级 PIDPID 控制器控制器 所谓串级 PID 控制就是第一级数字 PID 的输出不直接用来控制执行机构 而是 作为下一级数字 PID 的输入值 并与第二级的给定值进行比较 其偏差作为第二级 数字 PID 的控制量 串级 PID 控制是一种复杂控制系统 本课题的串级 PID 控制器是由两个 PID 串 联连接组成 一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值 每一个回路中都有一 个属于自己的调节器和控制对象 主回路中的调节器称为主调节器 作为系统的主 被控变量 又称主对象 副回路中的调节器称副调节器 控制对象为副被控变量 又称副对象 它的输出是一个辅助的控制变量 串级控制回路系统增加了一个副回路 使性能得到改善 表现在以下几个方面 1 能迅速克服进入副回路扰动的影响 定性分析 当扰动进入副回路后 首 先 副被控变量检测到扰动的影响 并通过副回路的定值作用及时调节操 纵变量 使副被控变量回复到副设定值 从而使扰动对主被控变量的影响 减少 即副环回复对扰动进行粗调 主环回路对扰动进行细调 因此 串 级控制系统能够迅速克服进入副环扰动的影响 并使系统余差大大减小 2 串级控制系统可以串级控制 主控和副控等多种控制方式 主控方式是切 除副回路 以主被控变量作为被控变量的单回路控制 副控方式是切除主 回路 以副被控变量作为被控变量的单回路控制 因此 在串级控制系运 行过程中 如果某些部件发生故障 可灵活地进行切换 减少对生产过程 的影响 2 32 3 串级串级 PIDPID 的选择的选择 在以上几种算法中 由于 PID 控制具有结构简单 容易实现 控制效果好等特 点 且 PID 算法原理简明 参数物理意义明确 理论分析体系完整 虽然在精度高 方面不如 FPID 但是由于本课题本身对 PID 控制精度要求也不高 再加上目前 FPID 系列也不是很成熟 因此本课题选用串级 PID 控制器 串级的 PID 系统由主回路和 副回路组成 它是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案 与单回路反馈 控制系统比较 由于在系统结构上多了一个副回路 所以改善了过程的动态特性 提高了系统工作频率 具有较强的抗扰动能力和一定的自适应能力 正确合理地设 计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点 故在本设计中 拟选用串级 PID 控制器 2 42 4 液位系统液位系统 C C 水泵 储水箱 手动伐 下水箱 上水箱 手动伐 液位传感器 PID1 PID2 液位传感器 LT1 LT2 电动调节阀 2 4 液位系统的结构组成图 此系统由控制器 电动调节阀 水泵 上水箱 下水箱 储水箱和液位变送器 模块等组成 电动调节阀用于调节上水箱的进水量的大小 液位变送器用于检测上 水箱和下水箱中的液位 控制器的输出量用于控制电动调节阀的开度 通过对传感器测量的数据采集 由控制器对采集到的数据进行处理 运算结果 通过数据采集 经通讯接口 传递给计算机 由计算机去控制磁力泵 从而达到控 制水箱液位控制的作用 此外要求在有干扰的情况下能快速地回到系统所给定要求 的液位状态 其中水箱的液位变化范围内为 h 0 200 mm 通过设计的串级 PID 控制器后能 使需要的液位值能实现稳 准 快地稳定在系统所给定的液位值上 当系统发生扰 动时能在控制器的作用下迅速恢复到系统原来所要求的液位值 2 52 5 控制系统建模控制系统建模 由于在仿真的过程中需要用到被控对象的数学模型 所以本节来建立水箱的模 型 液位控制系统的执行机构是通过电动调节阀的开度大小来控制水箱的液位 本 文采用开环阶跃响应辩识的方法来获得它的数学模型 下面介绍其具体的方法 2 5 12 5 1 水箱液位的动态数学模型水箱液位的动态数学模型 水箱液位的动态数学模型 如图 2 5 所示 H1 H2 Qi Qo1 Qo2 调节阀 负载阀 1 负载阀1 图 2 5 水箱液位的动态数学模型 水箱结构如图 2 5 先看水箱 1 水不断流入水箱内 同时也有水不断由水箱中 流出 水的流入量 Qi 由电动调节阀的开度 加以控制 流出量 Qo1 由用户根据需 要通过负载阀 R 来改变 被控量为液位高度 H1 它反映水的流入和流出量之间的平衡 关系 显然任何时候水位的变化均满足下述物料平衡方程 2 1 1io dH QQA dt 7 其中 2 i QK 8 设液体是不可压缩的 通过阀的液流是湍流 则其流量公式为 2 111o QtkH t 9 其中 A1为水箱的横截面积 为调节的开度 K 是取决于电动调节阀的阀门特 性的系数 可以假定它是常数 k1 是与负载阀门开度有关的系数 在负载阀门开度 固定不变的情况下 k1 看作是一个常数 将式 2 10 表示成增量形式为 2 1 11io d H QQA dt 10 式中 Qi Qo1 H1分别为偏离某一平衡状态 Qi0 QO10 H01的增量 H1为 上水箱液位高度 非线性项展开成泰勒级数为 1 Ht 01 1 101101H dH HHHH dH 01 2 2 1 101 2 1 2 H dH HH dH 略去高于一次小增量的项 有 2 0 1 10101 01 1 2 H dH HHH dHH 11 则式 2 9 可得 2 011 1 010 11 01 11 2 ii d HHk HQQ dtAAH 12 由于 011 0111 d HHdHd Hd H dtdtdtdt 在稳定工作状态时流入水箱的流量与流出水箱的流量是相等的 即 010101io QQkH 所以由 2 11 式可得 2 11 1 01 1 2 i d Hk Q dtAH A 13 而i QK 所以 2 11 1 01 1 2 K d Hk dtAH A 14 在实际使用中 为简单计算 常略去增量符号 即 2 1 11 01 1 2 KdH t k H tt dtAAH 15 可以看出 此式是最常见的一阶微分方程 将其变为传递函数为 2 16 式中 01 1 2 H KK k 01 1 1 2 H TA k 从传递函数可以看出 单水箱对象为一阶惯性环节 它为有自平衡性的对象 即当原有的物料平衡被打破时随着被控变量液位的变化 其不平衡量会越来越小 最后能自动地稳定在新的平衡点上 现在再看下水箱 从图 2 4 可得出下水箱的物料平衡方程 2 2 2121122oo d H AQQkHkH dt 17 式中 A2 为下水箱的底面积 H2 为下水箱的液位高度 k2 为负载阀 1 流量特性 参数 分别为偏离某一平衡状态 Q010 Q020 H02的增量 H2为下 1o Q 2o Q 2 H 水箱液位高度 1 H sK sTs 由式 2 11 简得 02 2 20202 02 1 2 H dH HHH dHH 所以式 2 17 写成 022 2 02101 22 02 11 2 oo d HHk HQQ dtAAH 2 18 当系统稳定时又有 2010202oo QQkH 且 111o Qk 所以由 2 18 式可得 2 22 11 2 02 1 2 d Hk k dtA H A 19 在实际使用中 为简单计算 常略去增量符号 即 21 22 02 1 2 dH tkk H tt dtAAH 从传递函数可以看出 上下水箱的对象均为一阶惯性环节 它能自动平衡性 即当原有的物料平衡被打破时随着被控制量液位的变化 在通过改变 MATLAB 算法软 件的程序下的参数 e t 控制器输入信号 u t 控制器输出信号 Kp 控制 器放大系数 Ti 控制器积分时间常数 Td 控制器微分时间常数 其会减小不 平衡量 最后自动地稳定在新的平衡位置点上 到达系统设计要求的效果 2 62 6 液位系统的硬件选型液位系统的硬件选型 本课题中的有关液位系统部分直接采用了现有教学仪器 该液位系统的硬件型 号如下表图 2 1 所示 表 2 1 硬件型号选择表 022 0222 d HHdHd Hd H dtdtdtdt 硬件名称型号说明 电机 JW5652 功率 180W 转速 2800rpm 水泵 16CQ 8 转速 2800rpm 功率 0 18kw 流量 30L min 压力传感器 LS2188 G2KG214C 1A 电压 24VDC 输出信号 5V 电动调节阀 JLQ941F 输入信号 4 20mA 或者 1 5VDC 第三章第三章 软件设计软件设计 3 13 1 MATLABMATLAB 软件软件 MATLAB 是由美国 MathWorks 公司推出的用于数值计算和图形处理计算系统环境 除了具备卓越的数值计算能力外 它还提供了专业水平的符号计算 文字处理 可 视化建模仿真和实时控制等功能 MATLAB 的基本数据单位是矩阵 它的指令表达式 与数学 工程中常用的形式十分相似 故用 MATLAB 来解算问题要比用 C FORTRAN 等语言简捷得多 MATLAB 是国际公认的优秀数学应用软件之一 MATLAB 具有强大 丰富的内置函数 以及高度灵活的可编程性 特别适合数据处理以及结果的图形化 显示 3 1 13 1 1 MATLABMATLAB 的主要特点的主要特点 1 运算符和库函数极其丰富 语言简洁 编程效率高 MATLAB 除了提供和 C 语言一样的运算符号外 还提供广泛的矩阵和向量运算符 利用其运算符 号和库函数可使其程序相当简短 两三行语句就可实现几十行甚至几百行 C 或 FORTRAN 的程序功能 2 既具有结构化的控制语句 如 for 循环 while 循环 break 语句 if 语句 和 switch 语句 又有面向对象的编程特性 3 图形功能强大 它既包括对二维和三维数据可视化 图像处理 动画制作 等高层次的绘图命令 也包括可以修改图形及编制完整图形界面的 低层 次的绘图命令 4 功能强大的工具箱 工具箱可分为两类 功能性工具箱和学科性工具箱 功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能 图示建模仿真功能 文字处 理功能以及与硬件实时交互的功能 而学科性工具箱是专业性比较强的 如优化工具箱 统计工具箱 控制工具箱 小波工具箱 图象处理工具箱 通信工具箱等 5 易于扩充 除内部函数外 所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可读 可改的源文件 用户可修改源文件和加入自己的文件 它们可以与库函数 一样被调用 3 1 23 1 2 MATLAB5 3MATLAB5 3 新增功能新增功能 1 在语言上 MATLAB5 3 数据类型和面向对象编程技术更加丰富 其 中数据类型增加到了 6 种 控制流新增了多分支结构 switch case try catch 结构和警告提示指令 error warning 在函数方面指令被进 一步 柔性化 一个指令可以接受任意多个输入宗量 可以产生任意多个 输出宗量 以适应不同场合的需要 2 在工作环境上 MATLAB5 3 大量引入图形用户界面 把图形显示窗 改造成了交互操作的可编辑图形界面 引入了全方位帮助系统 调试器被 图形化 与编辑器集成为一体 只需点动交互窗上的调试图标就可完成对 程序的调试 剖析指令的分析报告特别详细 它可以在 MATLAB 指令窗中 随时 进行安装 Notebook 省时灵活 另外环境可运行文件的多样化 3 在图视系统上 MATLAB5 3 高层绘图指令的排版能力 读写图象文 件能力 低层指令结构的改变和能力都得到明显的增强 3 23 2 软件流程图软件流程图 软件流程图如图 3 1 所示 开始 主程序 子程序1子程序2 回路表PID1 和PID2的输 入 200ms信号采集并 转换成工程量然后 送至PID回路表输 入值单元 经PID处 理后输出 图 3 1 软件控制流程图 本程序的主要任务是通过对 PID 回路表的参数的获取来完成水箱液位信号的采 集和处理 故本程序总共有两个子程序 子程序 1 完成两个 PID 回路表的参数的获 取 子程序 2 负责液位信号的采集 同时通过 PID 指令完成对采集到的信号偏差的处 理 3 33 3 PIDPID 指令的调用指令的调用 1 回路输入量的转换及 M 文件建立 给定值和过程变量都是实际的工程量 其幅度 范围和测量单位都会不同 用 MATLAB 软件编制算法去控制 PID 回路时 要把实际测量输入量 设定值和回路表中 的其他输入参数进行标准化处理 即用程序把它们转化为 MATLAB 能够识别和处理的 数据 也即把它们转化为双精度数组 字符串数组 元胞数组 构架数组 稀疏矩 阵和 unit8 数据的其中的一种格式 本课题先把工程实际值转化为双整数 然后 编制基于 MATLAB 的串级控制 PID 算法程序 将该程序文件命名为 pidc m 并存 c MATLABR11 work pro 路径下 2 回路控制输出转换为按工程量标定的整数值 程序执行时把各个标准化数量用离散化 PID 算式进行处理 产生一个标准化实 数运算结果 这一结果同样也要用程序将其转化为相应的数据格式 然后周期性地 将其传送到指定的 nargin 和 nargout 输入或输出 用以驱动模拟量的负载 实现模 拟量的控制 3 43 4 MATLABMATLAB 程序设计程序设计 1 编制基于 MATLAB 的串级控制 PID 算法程序 并将该程序文件命名为 pidc m 并存放在 c MATLABR11 work pro 路径下 如 function u s e0 pidc v s e0 u0 kp1 0 2 td1 0 005 ti1 2 t 1 kp2 0 2 td2 0 005 ti2 2 pid1 algorithm E1 s 3 v 3 e0 3 E1 u 1 u0 1 kp1 e0 3 e0 2 kp1 t ti1 e0 3 kp1 td1 t e0 3 2 e0 2 e0 1 e0 1 e0 2 e0 2 e0 3 pid2 algorithm E2 u 1 v 1 e0 6 E2 u 2 u0 2 kp2 e0 6 e0 5 kp2 t ti2 e0 6 kp2 td2 t e0 6 2 e0 5 e0 4 e0 4 e0 5 e0 5 e0 6 if u 1 102 u 1 102 elseif u 1 102 u 1 102 end 说明 1 在第一句 function u s e0 pidc v s e0 u0 中 输入变量 v 是含 5 个 元素的向量 表示 5 个测量参数 它们分别是 v 1 上层水槽液位 v 2 进水压力 v 3 中层水槽液位 v 4 进水流量 v 5 底层水槽温度 2 输入变量是 s 含 3 个元素的向量 其中 s 3 表示被控制对象的设定值 这里指下水箱液位的设定值 s 1 s 2 备用 3 输入变量 e 0 是含 6 个元素的向量 其中 e0 1 e0 2 和 e0 3 用 于存放 PID1 的第 k 2 k 1 和 k 次的偏差 e0 4 e0 5 和 e0 6 用 与存放 PID2 的第 k 2 k 1 和 k 次的偏差 4 输入变量 u0 是含 2 个元素的向量 其中 u0 1 是表示前一周期 PID2 的输 出控制量 u0 2 表示本周期 PID2 的输出控制量 5 kp1 td1 和 ti1 和 kp2 td2 和 ti2 分别表示 PID1 和 PID2 的比例 偏差放 大 系数 微分时间和积分时间 t 表示采样时间 3 53 5 MATLABMATLAB 环境下的环境下的 SIMULINKSIMULINK 仿真仿真 自动控制仿真方法有很多种 如可编程控制器的控制系统 PLC 是通过用 MCGS 组态软件实现仿真 也可用单片机实行现场观察实时了解系统的运行情况 但 MATLAB 作为当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言 他可轻易地 实现 C 或 FORTHAN 语言几乎全部功能 并设计出功能强大 界面优美 稳定可靠的 高质量程序 编程效率和计算效率极高 MATLAB 环境下的 SIMULINK 仿真是当前众 多仿真软件中功能最强大 最优秀 最容易使用的一个用于系统建模 仿真和分析 的动态仿真环境工具 采用 MATLAB 软件不仅可以实时了解系统的运行情况 也可以对系统进行仿真 直观地显示出系统的状态 还可以在不修改程序的情况下对系统的一些主要的参数 进行必要的调整 故本课题选择用 MATLAB 环境下的 SIMULINK 仿真软件来对系统进行实时监控 3 5 13 5 1 MATLABMATLAB 软件软件操作界面总图操作界面总图 由于 MATLAB 软件具有专业水平的符号计算 文字处理 可视化建模仿真和实时 控制等功能 能快速构造和生成上位机监控系统的软件系统 提供解决实际工程问 题的完整方案和开发平台 另外利用其完成现场数据采集 实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程 动画显示 趋势曲线和报表输出及企业监控网络等功能 使 MATLAB 编制的算法程序能在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定 功能成熟 维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作 系统的主界面设计框图 如图 3 2 所示 MATLAB主界面 SIMULINK系统仿真区 SIMULINK参数控制与显示区 系统的运行状态的仿真 给定值的输入与显示 PID参数输入与显示 测量值显示 控制输出显示 用户登陆 3 2 系统的主界面设计框图 3 5 23 5 2 SIMULINKSIMULINK 仿真仿真 1 MATLAB 的工作窗口 如图 3 3 图 3 3MATLAB 的工作窗口 2 点击图 3 3 中的 File 子菜单 New 下面子菜单 M file 新建一个窗口开始编 程 如图所示 3 4 图 3 4 用 MATLAB 软件编程 3 系统的 SIMULINK 仿真 点击图 3 3 左边的图标开始进入 SIMULINK 界面 如图 3 5 图 3 5SIMULINK 仿真界面 4 点击 3 5 图中 File 下面的白色方框进入 MATLAB 环境下 SIMULINK 仿真建摸 界面 如图 3 6 所示 3 6 系统的建摸仿真界面 5 串级 PID 液位系统仿真模型界面 1 开始建模 我们应该将传递函数转化 MATLAB 环境下 SIMULINK 的仿真模块 PID 控制器的 数学模型为 0 1 t p de t u tKe te t dtTd Tidt 3 1 式中 e t 控制器输入信号 一般为输入信号与反馈信号之差 u t 控制器输出信号 一般为给予受控对象的控制信号 Kp 控制器放大系数 Ti 控制器积分时间常数 Td 控制器微分时间常数 根据 PID 的数学模型和图 2 2 串级 PID 控制系统原理图在图 2 5 所示的操作里 面寻找相应的仿真模块并建立系统的 SIMULINK 仿真模块界面 2 函数与仿真模块 在 SIMULINK 仿真模块中 PID 控制器由 Step integral 和 derivative 三个模 块加一个 SUM 模块组成 串级 PID 控制器是用一个 PID 模块再加 2 个 Transer Fcn 传递函数 组成来表达串级 PID 控制回路 PID 与个 Transer Fcn 组成主回 路 然后 PID 跟 Transer Fcn 1 组成系统中的副回路 液位传感器分别由 Scope Scope1 示波器 导出信号 最后通过 To Workpack 调入函数 开始仿真 整个系统的 SIMULINK 仿真模块可以由一下三步骤来完成 第一步 先设计一个 PID 模型的 SIMULINK 仿真模块 如图 3 6 所示 图 3 6PID 的 SIMULINK 仿真模块 其中 Step 为阶跃输入信号 椭圆为相加器 接着为 PID 的比例 积分 微分三 个模块 比例直接由比例系数模块代替 而积分 integral 和微分 derivative 模块分别串级一个积分 微分系数 最后由一个三进一出的 SUM 相 加器输出 组成一个完整的 PID 模型的 SIMULINK 仿真模块 第二步 设计副回路 PID 的传感器输出显示 SIMULINK 仿真模块 如图 3 7 所示 图 3 7 副回路的 SIMULINK 仿真模块 这部分主要由 Scope Saturation 非线性的饱和器 Transer Fcn Clock 为仿真时间控制器 Scope1 To Workpace 组成 构建成控制系统的操作 界面 它主要通过 Transer Fcn 对副回路的信号的采集 Scope1 作用把采集的信号 及时反馈回 To Workpace 第三步 主要设计将主副回路的返回的信号进行偏差运算的仿真模块 如图 3 8 所示 图 3 8 主副回路偏差运算的仿真模块 这部分主要由 Scope2 Transer Fcn1 Clock To Workpack 组成 它主要将 通过传感器将输出 PID1 PID2 的信号 然后进行对比得出偏差 跟系统设定值比较 达到液位自动调整 最后 把三部分组合起来就成为一个基于 MATLAB 的串级 PID 液位系统仿真 模型 如图 3 9 所示 图 3 9 串级 PID 液位系统仿真模型 6 仿真结果的运行 观察和调试 从 c MATLABR11 work pro 下调用 pidc m 程序 开始对液位系统仿真模型进行 仿真 利用经验法调整 得到相应的 PID 参数分别为 Kp 0 45 Ki 0 0045 Kd 5 PID 控制的液位串级控制系统的阶跃响应曲线如图 3 10 所示 2004006008001000 12001400160018002000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 图 3 10PID 控制的液位串级控制系统的阶跃响应曲线 当被控制对象的传递函数将变化为 3 7 3118 5001 S G s 2 控制器的控制参数保持不变 PID 控制的液位串级控制系统阶跃响应曲线如图 4 9 中的曲线 2 所示 7 从上述仿真过程可以看出 当水箱的模型变化时 通过经验法调试得出串 级 PID 的各个参数 事实证明基于 MATLAB 的串级 PID 控制系统系统由 于在结构上多了一个副回路 所以能使液位值能实现稳 准 快地稳定在 系统所给定的液位值上 并且当系统发生扰动时能在控制器的作用下迅速 恢复到统系原来所要求的液位值 达到了设计的预期效果 第四章第四章 系统的安装与调试系统的安装与调试 4 1PID4 1PID 参数的整定参数的整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程的特性 确定 PID 控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID 控制器参数整定的 方法很多 概括起来有两大类 一是理论计算整定法 它主要是依据系统的数学模 型 经过理论计算确定控制器参数 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用 还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中进行 且方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛采用 本设计采用工程整定方法 PID 控制器参数的工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减法 三种方法各有其特点 其共同点都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参 数进行整定 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在实际运行中进 行最后调整与完善 现在一般采用的是临界比例法 临界比例度法 其最大的优点是 参数的整定不依赖受控对象的数学模型 直接在现场整定 简单易行 利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下 1 待系统稳定后 将调节器置于纯比例 P 控制 逐步减小调节器的比例度 并且每当减小一次比例度 待被调量回复到平衡状态后 再手动给 系统施加一个 5 15 的阶跃扰动 观察被调量变化的动态过程 若被调量 为衰减的振荡曲线 则应继续减小比例度 直到输出响应曲线呈现等幅 振荡为止 如果响应曲线出现发散振荡 则表示比例度调节得过小 应适 当增大 使之出现等幅振荡 2 当被调量作等幅振荡时 此时的比例度 就是临界比例度 用 k表示之 相应的振荡周期就是临界周期 Tk 据此 按下表所列出的经验数据确定 PID 调节器的三个参数 Ti 和 Td 表 4 1 PID 调节参数表 调节器参数 调节器名称 kTi S Td S P2 k PI2 2 kTk 1 2 PID1 6 k0 5Tk0 125 Tk 3 必须指出 表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计 因为它 是根据大量实验而得出的结论 若要获得更满意的动态过程 则要在表格 给出参数的基础上 对 Ti 或 Td 作适当调整 4 24 2 MATLABMATLAB 的调试过程的调试过程 MATLAB 的安装调试一般从安装空间要求 输出途径 调试三部分组成 4 2 14 2 1 安装安装 MATLAB5 3MATLAB5 3 的空间要求的空间要求 硬件要求 Intel 486 Pentium Pentium Pro or Pentium II 以上 内存 24M 以上 Windows 支持的显卡 软件要求 适用在 Windows95 Windows95 Windows98 WindowsNT4 0 系统下安 装 4 2 24 2 2 MATLABMATLAB 输出途径输出途径 MATLAB 的控制途径是用 PC 机操作 MATLAB 环境下 SIMULINK 仿真界面 然后通 过 PC 机通讯接口 COM1 和现场液位系统的 RS232 接口来完成的 4 2 3MATLAB4 2 3MATLAB 程序的调试程序的调试 一般来说 应用程序的错误有两类 一类是语法错误 另一类是运行是的错误 语法错误包括词法或文法的错误 例如函数名的拼写错误 表达式书写错误等 程 序运行时的错误是指程序的运行结果有错误 这类错误也误称为程序的运行结果有 错误 这类错误也称为程序逻辑错误 1 调试器的使用 MATLAB 程序逻辑 调试器上与调试有关的主要菜单项及按钮有 Continue 恢复持续运行至结束或另一个断点 Single Step 单步执行函数 Setp In 深入下层局部工作区 Quit Debugging 退出调试状态 Set Clear Breakpoints 设置 清除光标处的断点 Clear All Breakpoints 清除程序中的所有断点 Stop If Error 运行至出错或结束 Stop If W