水箱水位串级控制系统建模与仿真.doc

水箱水位串级控制系统建模与仿真 摘要：本设计充分利用自动化仪表技术，计算机技术和自动控制技术，来对水箱水位的串级控制系统进行建模与仿真。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，在MATLAB中对其进行性能进行分析。然后设计PID控制算法，完成控制系统实验和结果分析。 关键词：实验建模；串级控制系统； PID控制；MATLAB仿真 The Modeling and Simulation of Tank level Cascade Control System Abstract: In order to make the modeling and simulation of water tank level cascade control system, this design takes advantage of automated instrumentation technology, computer technology and automatic control technology. First, make analysis for the controlled object model and strike the transfer function by using the experimental modeling method. Secondly, according to the controlled object model and the characteristics of the controlled process, design cascade control system in MATLAB to analyze its performance. Then design the PID control algorithm, complete control system experiments and analysis of results. Keywords：Experimental modeling; Cascade control system; PID control; MATLAB simulation 设计目的和意义 随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高，因此，复杂过程控制系统应用越来越广泛，另一方面，自动控制理论的发展，一些新型的先进的控制方法在工业生产过程控制中得到了逐步应用，但是这些先进控制方法需要比较复杂的运算，往往需要借助计算机数字控制来实现。本设计构建串级控制系统，通过PID控制算法，对水箱水位进行控制，很好的适应了工业的发展。 控制要求 确定主、副对象的传递函数； 利用合适的方法对该串级控制系统进行整定，并分析总结参数总结规律； 分别采用单回路控制和串级控制设计主、副PID，并给出整定后系统的阶跃响应特性曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。 设计方案论证 被控对象建模 方案一：机理分析法建模，即理论建模。机理建模是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。其最大的特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型。只能用于简单过程的建模， 方案二：试验法建模，此方法是在实际的生产过程（设备）中，根据过程输入、输出的实验数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。其特点是不需要深入了解过程的机理。但是必须设计一个合理的实验，以获得过程所含的最大信息量。常采用阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线来辨识过程的模型。 两种方案相比，机理建模有着很大的局限性，对实际过程的机理并非完全了解，另外，实际工业过程多半有非线性因素，在进行数学推导时常常作了一些近似与假设，虽然这些近似和假设具有一定的实际依据，但并不能完全反映实际情况，甚至会带来估计不到的影响，而利用试验法建模如何设计一个合理的实验来获得过程所含的最大信息量，是很困难的，因此在本设计中，先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的大小。 串级控制系统PID整定方案比较 方案一：逐次逼近法。该方法是在主回路断开的情况下，求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求数值上，将串级控制系统主回路闭合以求取主调节器的整定参数值。然后，将主调节器的参数设置在所求数值上，再进行整定，求出第二次副调节器的整定参数值。比较