双容水箱液位控制系统控制算法设计报告

本科毕业论文（设计）设计方案报告学院电气工程学院专业热能与动力工程班级学号学生姓名指导教师年月日双容水箱液位控制系统控制算法设计设计方案报告一、设计背景伴着工业生产水平的飞快发展，对控制系统的快速性、精确性、稳定性的要求愈来愈高。然而现实的工业生产过程当中的被调对象往往是非线性的、且具有很大的不稳定性和延迟性。另外，越是完善的控制理论，也越是难以运用在工业生产中，这就说明如今的学术科研结果与现实的生产技术应用程度并非同步的，这就更需要设计出解决这些矛盾的液位控制算法，因而为了提升整体的控制水准，研究理想的控制算法具有很大的实际意义。二、数学模型的建立一般而言，控制系统的数学模型可从两个方面进行描述，一是研究系统的稳态工况。稳态工况下，系统的各个变量与时间无关，描述系统各变量之间关系的数学方程为代数方程；二是研究系统的动态特性。当系统处在动态过程，各个变量都不是常数，是随着时间变化的，所以需要把静态模型和动态模型结合起来。而本设计主要是根据机理法推理然后利用浙江天煌科技实业有限公司THKGK1型过程控制实验装置进行双容水箱的相关实验，根据附图1来处理实验图像进行数据整合，确定本设计的实验数学模型。附图1双容水箱阶跃响应曲线三、线性PID控制器及其参数整定常规线性的PID控制器设计简单，方案容易实现，如附图2所示附图2线性PID控制器结构方框图上图表示在MATLAB软件中SIMULINK模块下的线性PID控制器，其中控制器参数分别为比例放大系数、积分放大系数、微分放大系数，其中PKIKDK为积分时间，为微分时间，则调节器传递函数如下/IPITK/DPT通常，、和在一定范围调整，因此可以作为调节器参数。PKID关于线性PID的整定通常利用工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、衰减曲线法和反应曲线法。三种方法都是通过试验，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。而在本设计中主要采用最常用的临界比例带法和衰减曲线法进行了整定。四、非线性PID控制器及其参数整定随着技术的发展和生产力水平的提高，现代工业过程控制对大型、复杂系统的自动控制要求愈来愈高，加上大多数工业对象的非线性、时变性和不确定性等特点，传统线性PID控制器的控制效果并不理想。由于双容水箱是典型的二阶系统，故在本设计中主要是利用非线性PID控制器，以便达到较好的控制效果。相关经验表明假如非线性函数中的所有参数选择合理,就可以使控制系统实现不仅响应快,而且又无超调的目标。本文利用双曲余弦增益的非线性控制算法，即利用系统误差构成非线性E函数与传统PID控制器级联起来构成一种新型的非线性PID控制算法，控制系统框图如附图3所示。附图3非线性PID控制系统方框图这种由误差构成的非线性函数可以有多种形式，如E000EXP2KEKCH则构成了一种基于双曲余弦函数的非线性PID控制器，其中，MAXETSIGNMAXET这种非线性PID控制算法构成的非线性PID控制器的传递函数为00/2KERPIDGSKSKS式中为非线性增益参数，、分别为比例、积分、微分放大系数。0KPID可以搭建这种双曲余弦增益的非线性PID控制器模型如附图4所示。附图4双曲余弦增益的非线性PID控制器上述非线性PID控制器还没有具体有效的整定方法，考虑到热工过程建模的复杂性和不确定的外部因素等等的相互影响探究合理的分析计算方法相对困难，因此本文采用SIMULINK下的NCD模块进行参数优化。五、设计的局限性非线性PID控制器有很多种，而本文利用双曲余弦增益的非线性控制算法，虽然这种算法比线性PID控制算法的控制算法要精确，快速，但是并不是非线性PID控制算法中最好的，还需要我们继续探索与研究。六、参考文献1THKGK1型过程控制实验指导书浙江天煌科技实业有限公司2王志新，谷云东双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型J北京师范大学学报第42卷第4期3丁轲轲热工过程自动调节M北京中国电力出版社,20104MATLAB数学工具软件实例简明教程M南京航空航天大学王正盛编5刘金琨先进PID控制MATLAB仿真M第三版电子工业出版社，20046顾红艳，龙兴权，