北方民族大學學士學位論文基于MATLAB的多容對象液位控制系統仿真PAGEPAGE50目錄前言 1第一章串級控制系統及仿真概述 21.1串級控制系統簡介 21.1.1基本概念及組成結構 21.1.2串級控制系統的工作過程 21.1.3系統特點及分析 31.1.4工程應用場合 31.1.5系統設計 31.2串級控制系統的設計 31.2.1主回路的設計 31.2.2副回路的設計 41.2.3主、副回路的匹配 41.3串級控制系統的工業應用 51.3.1用于克服被控過程較大的容量滯后 51.3.2用于克服被控過程的純滯后 61.3.3用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動 61.3.4用于克服被控過程的非線性 61.4過程控制系統的MATLAB計算與仿真 61.4.1控制系統計算機仿真 61.4.2控制系統的MATLAB計算與仿真 7第二章PID控制簡介及整定方法 102.1PID控制簡介 102.2PID參數整定方法 13第三章多容液位控制系統的建模 183.1過程建模的方法 183.1.1機理法 183.1.2.測試法 193.1.3階躍響應法 193.2有相互影響的雙容建模 203.3無相互影響的多容過程 22第四章多容液位控制系統的仿真 254.1被控對象的仿真模型 254.2單回路控制系統的仿真 254.3串級控制系統的仿真 31第五章總結和展望 39致謝 40參考文獻 41附錄 42前言隨著工業生產的飛速發展，液位過程控制的應用十分普遍，所以為了保證生產的正常進行，生產工藝要求儲槽內的液位常常需要維持在某個設定值上，或只允許在某一小范圍內變化。與此同時，為確保生產過程的安全，還要絕對保證液體不產生溢出。所以人們對控制系統的控制精度、響應速度、系統穩定性與適應能力的要求越來越高。而實際工業生產過程中的被控對象往往具有非線性、時延的特點，應用常規的控制手段難以達到理想的控制效果，研究對非線性、時延對象的先進控制策略，提高系統的控制水平，具有重要的實際意義。每一個先進、實用的控制算法的出現都對工業生產具有巨大的推動作用。本文所提及的雙容水箱液位控制系統是參考了國內外實驗裝置并充分考慮性能價格比的基礎上，自行設計的一種可以模擬多種對象特性的實驗裝置。雙容水箱雖然結構簡單，但卻是最基本的過程空竹系統。即使在復雜、高水平的過程控制系統中，這類系統仍占大多數（約占工業控制系統的70%以上）。復雜過程控制系統也是在簡單控制系統的基礎上構成的，即便是一些高級過程控制系統，也往往是將這類系統作為最低層的控制系統。因此，學習和掌握簡單控制系統的分析與設計方法既具有廣泛的實用價值，又是學習和掌握其他各類復雜控制系統的基礎。因此工業上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數學模型，具有很強的代表性，有較強的工業背景，對雙容水箱數學模型的建立是非常有意義的。同時，雙容水箱的數學建模以及控制策略的研究對工業生產中液位控制系統的研究有指導意義。第一章串級控制系統及仿真概述1.1串級控制系統簡介串級控制系統是指把兩只調節器串聯起來工作，其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統。1.1.1基本概念及組成結構串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動【1】。1.1.2串級控制系統的工作過程當擾動發生時，破壞了穩定狀態，調節器進行工作。根據擾動施加點的位置不同，分種情況進行分析：(1)擾動作用于副回路(2)擾動作用于主過程(3)擾動同時作用于副回路和主過程分析可以看到：在串級控制系統中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節器具有“粗調”的作用，主調節器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。1.1.3系統特點及分析(1)改善了過程的動態特性，提高了系統控制質量。(2)能迅速克服進入副回路的二次擾動。(3)提高了系統的工作頻率。(4)對負荷變化的適應性較強1.1.4工程應用場合(1)應用于容量滯后較大的過程(2)應用于純時延較大的過程(3)應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程(4)應用于參數互相關聯的過程(5)應用于非線性過程1.1.5系統設計(1)主參數的選擇和主回路的設計(2)副參數的選擇和副回路的設計(3)控制系統控制參數的選擇(4)串級控制系統主、副調節器控制規律的選擇(5)串級控制系統主、副調節器正、反作用方式的確定1.2串級控制系統的設計1.2.1主回路的設計串級控制系統的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統設計原則進行。這里主要解決串級控制系統中兩個回路的協調工作問題。主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題。1.2.2副回路的設計由于副回路是隨動系統，對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調節對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。歸納如下。(1)在設計中要將主要擾動包括在副回路中。(2)將更多的擾動包括在副回路中。(3)副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。(4)要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。(5)在需要以流量實現精確跟蹤時，可選流量為副被控量。在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發揮，因此，在實際系統的設計中要兼顧(2)和(3)的綜合。【2】1.2.3主、副回路的匹配(1)主、副回路中包含的擾動數量、時間常數的匹配設計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾動數量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數就越大，副回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在副回路中，主調節器也就失去了控制作用。原則上，在設計中要保證主、副回路擾動數量、時間常數之比值在3～10之間。比值過高，即副回路的時間常數較主回路的時間常數小得太多，副回路反應靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數量過少，對于改善系統的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數接近主回路的時間常數，甚至大于主回路的時間常數，副回路雖然對改善被控過程的動態特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴重時會出現主、副回路“共振”現象，系統不能正常工作。(2)主、副調節器的控制規律的匹配、選擇在串級控制系統中，主、副調節器的作用是不同的。主調節器是定值控制，副調節器是隨動控制。系統對二個回路的要求有所不同。主回路一般要求無差，主調節器的控制規律應選取PI或PID控制規律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取P控制規律而不引入I或D控制。如果引入I控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入D控制，因為副回路采用P控制已經起到了快速控制作用，引入D控制會使調節閥的動作過大，不利于整個系統的控制。(3)主、副調節器正反作用方式的確定一個過程控制系統正常工作必須保證采用的反饋是負反饋。串級控制系統有兩個回路，主、副調節器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋。確定過程是首先判定為保證內環是負反饋副調節器應選用那種作用方式，然后再確定主調節器的作用方式。【3】1.3串級控制系統的工業應用1.3.1用于克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求。利用串級控制系統存在二次回路而改善過程動態特性，提高系統工作頻率，合理構造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構造二次回路時，應該選擇一個滯后較小的副回路，保證快速動作的副回路。1.3.2用于克服被控過程的純滯后被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統的動態特性，使控制系統不能滿足生產工藝的要求。使用串級控制系統，在距離調節閥較近、純滯后較小的位置構成副回路，把主要擾動包含在副回路中，提高副回路對系統的控制能力，可以減小純滯后對主被控量的影響。改善控制系統的控制質量。1.3.3用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動串級控制系統的副回路對于回路內的擾動具有很強的抑制能力。只要在設計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在副回路中，即可以大大削弱其對主被控量的影響。1.3.4用于克服被控過程的非線性在過程控制中，一般的被控過程都存在著一定的非線性。這會導致當負載變化時整個系統的特性發生變化，影響控制系統的動態特性。單回路系統往往不能滿足生產工藝的要求，由于串級控制系統的副回路是隨動控制系統，具有一定的自適應性，在一定程度上可以補償非線性對系統動態特性的影響。1.4過程控制系統的MATLAB計算與仿真1.4.1控制系統計算機仿真控制系統的計算機仿真是一門涉及控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性學科，它的產生及發展差不多是與計算機的發明和法陣同步進行的。控制系統的計算機仿真就是以控制系統的模型為基礎，采用教學模型代替實際的控制系統，以計算機為工具，對控制系統進行試驗和研究的一種方法。控制系統計算機仿真的過程包含如下步驟：(1)建立控制系統的數學模型系統的數學模型是指描述系統的輸入、輸出變量以及內部變量之間的數學表達式。系統數學模型的建立可采用解析法和試驗法，常見的數學模型有微分方程、傳遞函數、結構圖、狀態空間表達式。(2)建立控制系統的仿真模型根據控制系統的數學模型轉換成能夠對系統進行仿真的模型。(3)編制控制系統的仿真軟件采用各種各樣的計算機語言（Basic、FORTRAN、C等語言）編制控制系統的仿真程序，或直接利用一些仿真語言。(4)進行系統仿真試驗并輸出仿真結果通過對仿真模型對試驗參數的修改，進行系統仿真試驗，輸出仿真結果。如果應用MATLAB的Toolbox及Simulink集成環境作為仿真工具，則構成了MATLAB仿真。【4】1.4.2控制系統的MATLAB計算與仿真MATLAB是矩陣實驗室(Matrixlaboratory)之意。MATLAB具有以下主要特點：(1)功能強大，實用范圍廣MATLAB除具備卓越的數值計算能力外，它還提供了專業水平的符號計算。差不多所有科學研究與工程技術應用所需要的計算，MATLAB均可完成。(2)語言簡潔緊湊，使用方便靈活MATLAB提供的庫函數及其豐富，既有常用的基本庫函數，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫函數。MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數避開了復雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數的可靠性。(3)有好的圖形界面，用戶使用方便MATLAB具有有好的用戶界面與方便的幫助系統。MATLAB的函數命令眾多，功能各異，但MATLAB得聯機幫助功能使用戶既可用help命令查詢某個函數的功能及使用，又可由MATLAB圖形界面下的help菜單來查詢，為用戶提供了學習它的便捷之路。MATLAB是演算紙式的科學過程計算語言，使用MATLAB編程運算與人的科學思路和表達方式相吻合，猶如在演算紙上運算并求運算結果，使用十分方便。(4)圖形功能強大MATLAB里提供了多種圖形函數，可以繪制出豐富多彩的圖形。MATLAB數據的可視化非常簡單，MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。(5)功能強大的工具箱MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。當前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括擁有數百個內部函數主包和三十多種工具包（Toolbox）。工具包又可以分為功能性工具包和學科性工具包：功能性工具包用來擴充MATLAB的符號計算、可視化建模仿真、文字處理及實時控制等功能；學科性工具包是專業性比較強的工具包，控制工具包、信號處理工具包、通信工具包等都屬于此類。針對過程控制系統的非線性、快時變、復雜多變量和環境擾動等特點及MATLAB的可實現動態建模、仿真與分析等優點，采用MATLAB的Toolbox與Simulink仿真工具，為過程控制系統設計與參數整定的計算和仿真提供了一個強有力的工具，使過程控制系統的設計與整定發生了革命性的變化。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。(1)Simulink的功能：Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。Simulink是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。(2)Simulink的特點：a.豐富的可擴充的預定義模塊庫。b.交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖c.以設計功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理。d.通過ModelExplorer導航、創建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼。e.提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。f.使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統執行中調用MATLAB算法。g.使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。h.圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為。【5】第二章PID控制簡介及整定方法2.1PID控制簡介1.PID控制原理當今的自動控制技術絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執行。測量關心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調節控制系統的響應。反饋理論及其在自動控制中應用的關鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統的糾正與調節。【6】在過去的十幾年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發展的今天，在工業過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。常規PID控制系統原理如圖1.1所示。這是一個典型的單位負反饋控制系統，它由PID控制器和被控對象組成。圖1.1PID控制系統原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值e(t)構成偏差e(t)=r(t)-c(t)將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。其控制規律為SKIPIF1<0傳遞函數為：G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+SKIPIF1<0+Tds]=Kp+KtSKIPIF1<0+Kds式中Kp為比例系數，Td為微分時間常數；Kt=Kp/Tt為積分常數，Kd=KpTd為微分系數。PID控制器各校正環節的作用如下:(1)比例環節。即時成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減小偏差。當偏差。e(t)=0時，控制作用也為0。因此，比例控制是基于偏差進行調節的，即有差調節。系統的響應速度和調節精度取決于比例系數Kp。Kp越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統不穩定。Kp取值過小，則會降低調節精度，使響應速度緩慢，從而延長調節時間，使系統靜態、動態特性變壞。(2)積分環節。能對偏差進行記憶，主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Tt。Tt越小，積分作用越強，系統的穩態誤差消除越快，但Tt過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若Tt過大，將使系統穩態誤差難以消除，影響系統的調節精度。(3)微分環節。能反映偏差的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間，實現了對偏差變化進行提前預報。但Td過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節時間，而且會降低系統的抗干擾性能。【7】(4)比例積分環節PI控制器可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。PI控制器在與被控對象串聯時，相當于在系統中增加了一個位于原點的開環極點，同時也增加了一個位于s左半平面的開環零點。位于遠點的極點可以提高系統的型別，以消除或減小系統的穩態誤差，改善系統的穩態性能；而增加的負實部零點則可減小系統的阻尼程度，緩和PI控制器極點對系統穩態性及動態過程產生的不利影響。在實際工程中，PI控制器通常用來改變系統的穩態性能。(5)比例微分環節自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至出現不穩定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環節）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制誤差的作用等于零，甚至為負值，從而避免被控量的嚴重超調。因此對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。(6)比例積分微分環節PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應，是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制。從頻域角度看，PID控制通過積分作用于系統的低頻段，以提高系統的穩態性能，而微分作用于系統的中頻段，以改善系統的動態性能。所以從時間的角度講，比例作用是針對系統當前偏差進行控制，積分作用則針對系統偏差的歷史，而微分作用則反映了系統偏差的變化趨勢，這三者的組合是“過去、現在、未來”的完美結合。2.PID控制的特點事實表明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質。概括地講，PD控制的優點主要體現在以下兩個方面:(1)原理簡單、結構簡明、實現方便，是一種能夠滿足大多實際需要的基本控制器;(2)控制器適用于多種不同的對象，算法在結構上具有較強魯棒性。確切地說，在很多情況下其控制品質對被控對象的結構或參數攝動不敏感。但從另一方面來講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面:(1)算法結構的簡單性決定了PID控制比較適用于SISO最小相位系統，在處理大時滯、開環不穩定過程等難控對象時，需要通過多個PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果;(2)算法結構的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環系統的少數主要零極點;閉環特性從根本上只是基于動態特性的低階近似假定的;(3)出于同樣的原因，決定了單一PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求。【8】2.2PID參數整定方法自Ziegler和Nichols提出PID參數整定方法起，隨著各種技術和理論的發展，PID參數整定的方法越來越多。1.傳統整定方法(1)Ziegler-Nichols經驗公式(Z-N公式法)。該方法先求取系統的開環階躍響應曲線，根據對象的純遲延時間、時間常數和放大系數，按Ziegler-Nichols經驗公式計算PID參數。此方法簡單易行，但參數需要進一步調整，一般用于手工計算和設置控制器初值。(2)穩定邊界法(臨界比例度法)。該方法需要做穩定邊界實驗，在閉環系統中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經驗公式確定PID參數。由于不易使系統發生穩定的臨界振蕩或不允許系統離線進行參數整定，臨界參數的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實現穩定閉環振蕩，又不需離線進行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對一階慣性加純遲延的對象，時間常數T較大時，整定費時;對干擾多且頻繁的系統，要求振蕩幅值足夠大。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環系統中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現4:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。然后按照經驗公式確定PID參數。傳統的PID參數整定主要是一些手動整定方法，階躍響應是其整定PID參數的主要依據。這種方法僅根據系統的動態響應來整定控制器的參數，具有物理意義明確的優點，可以以較少的試驗工作量和簡便的計算，得出控制器參數，因而在生產現場得到了廣泛應用。事實上，因其簡單實用，在目前的許多企業中，傳統的PID參數整定方法仍在大量應用，尤其是在單回路系統中。但運用該方法得到的控制器參數比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數的優化遠遠不夠;同時，對于一些系統，由于控制對象的復雜性、變化性，難以運用傳統方法進行整定。1984年，著名瑞典自動控制學者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數自動整定技術，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環振蕩，對過程施加周期性方波，根據極限環的特征確定過程的基本性質，經簡單計算即可得出動態過程數學模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計值，再利用Z-N經驗公式或其它經驗公式即可計算出PID的參數。從根本上說，這仍然是根據過程響應來整定參數，是傳統整定方法的延續，得到的結果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標。【1】(4)積分項改進的數字PID控制在一般的PID控制中，當存在較大的擾動和大幅度給定值變化時，此時有較大的偏差，由于系統的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會導致超大的超調和長時間的調節時間。特別是對于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現象更為嚴重。實際中常采取積分分離措施，即當偏差較大時，不施加積分控制；當偏差較小時，才施加積分控制。即：a.當SKIPIF1<0時，采用PD控制；b.當SKIPIF1<0時，采用PID控制。其中，SKIPIF1<0為積分分離值，它可根據具體對象及系統設計要求來確定。實際中SKIPIF1<0的值要選的合適，若SKIPIF1<0值過大，則達不到積分分離的目的；若SKIPIF1<0值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區，只進行PD控制，將會出現殘差。SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0積分分離時，取SKIPIF1<0常見的積分項改進的數字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區的算法。(5)數字變PID控制對于波動范圍大、變化迅速的系統，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因為普通PID的控制系統其P、I、D三個參數在整定時對當時的被調參量可能是合適的，但是被調參量時刻都在變化并且有時可能波動范圍很大。此時如果再用以前已整定好的PID參數來控制此時的被調參量，控制效果肯定不理想。根據被調參數的波動情況由控制系統自動選擇P、I、D控制參數的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數，各套參數分別適用于不同的波動范圍，由程序根據當時波動范圍自動選擇相應的PID參數。I積分時間在PID控制系統中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統中的作用越強，I的各個分段值應根據對PID控制系統的被調參量的波動范圍確定。同時分段設定高值與分段設定低值的大小也應根據PID控制系統的要求而定。【2】2.最優整定方法隨著計算機技術和最優控制理論的發展，PID參數的整定方法發生了很大的變化，出現了一些基于計算機的PID參數最優整定方法。最優控制理論的應用，加上計算機的高速運算能力，賦予了PID參數優化這樣的多變量最優化問題新的生命力，PID控制器的最優化整定方法是針對特定的系統建立數學模型，運用諸如最速下降法等各種數值解法按照一定的性能指標進行優化。常用的性能指標除ISE，IAE，ISTE，ITAE，IST2E等指標外，還有改進ITAE指標，對階躍響應過程中不同響應階段區別對待，不同階段的偏差賦予不同的權重，以獲得更佳的控制品質;加權二次型性能言指標，主要用于多變量系統的最優化。目前還有一種基于偏差積分指標最小準則的工程實用參數整定法，它根據被控對象的開環階躍響應曲線，求取被控對象的等效純遲延時間、時間常數和放大系數，得到等效過程模型，由此模型按最優化方法計算得出一系列參數。實際工程應用時，只需根據實際過程特性，帶入經驗公式即可計算最優PID參數。相對傳統整定方法來說，數值最優化方法有著明顯的優越性，優化的結果比較精確，控制效果比較好。但運用數值最優化方法必須建立較精確的數學模型，且對模型的要求比較嚴格，一般要求在解空間連續可導;此外，從某種意義上說，數值解析最優化方法只是一種局部尋優的方法，易陷入局部最小;而且某種數值解法通常只對某一類問題適用，對于不同的系統，需要根據系統的特性選擇合適的方法。3.智能整定方法近年來，隨著智能控制理論的發展，專家系統、模糊控制以及神經網絡日益受到控制界的重視，出現了一些智能優化手段，主要有如下幾種:（1）專家智能型PID參數自整定技術。該自整定技術在線觀察系統動態響應，可識別過程的響應參數，并由此確定PID控制器參數。識別過程利用了閉環回路中存在的干擾，無需對被控對象做階躍擾動試驗。通過對干擾響應的觀察，實現對過程的識別，然后由專家系統對PID參數進行相應的調整。專家系統的核心就是知識庫，控制器參數的調整完全依賴于專家的經驗，無需過程對象模型，但不同的專家整定參數的經驗不同，因而針對相同的過程會出現不同的整定參數。此外，由于缺少特定過程的先驗知識，投運初期，會有一個比較長的自整定過程才能達到穩定。（2）基于模糊推理的PID自整定。該技術的實質在于運用模糊理論和方法將操作人員或專家的整定經驗和技術知識總結成為模糊規則模型，形成微機的查詢表格及解析式，根據系統的實際響應情況，運用模糊推理來實現對PID參數的調整。這種控制器不依賴于特定的過程，因而魯棒性很強。該方法根據對象的動態響應在給定的PID參數附近對控制器進行調整，屬于一種局部尋優方案，而且預給定的PID參數必須具有一定品質。(3)基于遺傳算法的PID參數整定。最常見的是標準遺傳算法SGA。優化PID控制器時，將控制器參數按二進制或其它形式編碼，按Kp、TI和TD拼接成一條染色體個體，然后隨機生成一組個體，稱為群體。它以個體的適應度判斷個體的優劣，適應度函數一般基于系統動態響應的性能指標，常為各種積分型指標的某種函數。依據個體的適應度按概率從當前群體中選擇個體進行交叉、變異產生下一代群體。個體的適應度越高，其被選擇的概率越大，然后再對下一代群體進行評價，優勝劣汰。因為在運用遺傳算法對PID參數尋優的個體評價過程中，許多個體所對應的參數都可能使實際過程系統失控，這在應用中是不能接受的，因此一般采用的是基于模型的PID控制器參數優化，對過程不產生任何影響;同時優化是基于模型，對模型響應的評價大大加快，可以在較短的時間里得到最優化結果。遺傳算法操作的是解空間的一組個體，而非單個解，因而可以有效地減小局部收斂的危險。此外，遺傳算法采用純數值計算方法和隨機進行策略，無需模型梯度信息，使得問題的處理更具靈活性、適應性、全局性和魯棒性。從理論上來看，它能有效地攻克十分困難的優化問題。對于控制系統的設計與優化，它不僅能提高控制系統的品質，而且能降低設計的難度，因此有著廣闊的應用前景。盡管遺傳算法在優化問題上表現出巨大的優越性，但由于其本身還存在著一些問題，如理論上還不完善、收斂性問題、未成熟收斂(早熟)、局部搜索能力差等，遺傳算法的應用受到了一定的限制，因此，目前使用較多的是各種改進的遺傳算法。此外，還有其它的一些策略有助于改進遺傳算法的收斂性。【9】第三章多容液位控制系統的建模3.1過程建模的方法從控制的角度來看，過程的靜態數學模型是系統方案和控制算法設計的重要基礎之一，然而，在不少情況下必須同時掌握過程的動態特性，需要把靜態模型和動態模型結合起來。模型的建立方法可分為機理建模方法和測試建模方法，下面分別進行闡述。3.1.1機理法用機理法建模就是根據過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程，例如物質平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程，反映流體流動、傳熱、傳質、化學反應等基本規律的運動方程，物性參數方程和某些設備的特性方程等，從中獲得所需的數學模型。機理法建模也稱為過程動態學方法，它的特點是把研究的過程視為一個透明的匣子，因此建立的模型也稱為“白箱模型”。機理法建模的主要步驟如下：(1)根據過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程；(2)消去中間變量，建立狀態變量、控制變量和輸出變量之間的關系；(3)在工作點附近對方程進行增量化，建立增量化方程；(4)在共作點處進行線性化處理，簡化過程特征；(5)列出狀態方程和輸出方程。機理建模法的首要條件是需要過程的先驗知識，并且可以比較確切地對過程加以數學描述。用機理法建模時，有時也會出現模型中有些參數難以確定的情況，這時可用實驗數據或實測工業數據來確定這些參數。【15】3.1.2.測試法測試法建模通常只用于建立輸入/輸出模型。它根據過程的輸入和輸出的實測數進行某種數學運算后得到模型，主要特點是把被研究的過程視為一個黑匣子，完全從外特性上描述它的動態性質，也稱為“黑箱模型”。復雜過程一般都采用測試法建模。測試法建模又可分為經典辨識法和系統辨識法兩大類；(1)經典辨識法不考慮測試數據中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數據進行比較簡單的數學處理，計算工作量一般較小。經典辨識法包括時域法、頻域法和相關分析法。采用經典辨識法，直接獲得的是非參數模型，一般是時間或頻率為自變量的試驗曲線或數據集。用階躍函數、脈沖函數、正弦波函數或隨機函數作用于過程，直接得到的是階躍響應、脈沖響應、頻率響應、相關函數或譜密度，他們都是圖形或數據集。對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結構，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應用。對非線性模型，可以直接作為辨識結果，即直接用階躍響應或脈沖響應作為對象模型；有時還需要將圖形或數據集轉化為傳遞函數或其他形式的參數模型。(2)系統辨識法其特點是可以清除測試數據中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測試數據，計算機是不可缺少的工具。它所涉及的內容很豐富，已形成一個專門的學科分支。系統辨識方法不需要過程的先驗知識。【10】3.1.3階躍響應法階躍響應法建模是實際中常用的方法，其方法是獲取系統的階躍響應。基本步驟是：首先通過手動操作使過程共作所需測試的穩態條件下，穩定運行一段時間后，快速改變過程的輸入量，并用紀錄儀或數據采集系統同時記錄過程輸入和輸出的變化曲線，經過一段時間后，過程進入新的穩態，試驗結束得到的記錄曲線就是過程的階躍響應。多容過程是指有多個貯蓄容量的過程，多容過程可分為有相互影響的多容過程和無相互影響的多容過程。雙容過程是最簡單的多容過程，本設計以雙容過程為例，分析多容過程的數學建模。【14】3.2有相互影響的雙容建模圖3.1的雙容器之間有一串聯在一起的管路，管路的流量Q1不僅與容器1的液位h1有關，也與容器2的液位h2有關。所以不僅容器1的液位會影響容器2的液位，容器2的液位也會影響容器1的液位，兩容器相互影響。圖3.1有相互影響的雙容液位過程兩容器的液位和流出量之間都為非線性關系，有：SKIPIF1<0（3-1）其中，a1和a2分別為容器1、容器2的比例系數，與手動閥門開度有關；若設容器1、容器2相應的線性化水阻分別為R1何R2SKIPIF1<0(3-2)則有：SKIPIF1<0(3-3)SKIPIF1<0(3-4)如此有過程的數學描述：SKIPIF1<0(3-5)SKIPIF1<0(3-6)令SKIPIF1<0,SKIPIF1<0,經整理有：SKIPIF1<0(3-7)SKIPIF1<0(3-8)得出SKIPIF1<0與SKIPIF1<0得關系如下：SKIPIF1<0(3-9)對式（2-35）求導，再代入式（2-36）有：SKIPIF1<0(3-10)類似方法可推出SKIPIF1<0與SKIPIF1<0的關系。最后導出容器1、容器2的過程傳遞函數SKIPIF1<0、SKIPIF1<0分別為：SKIPIF1<0(3-11)SKIPIF1<0(3-12)可見兩個環節都是二階的。式（2-39）也可以寫成：SKIPIF1<0(3-13)其中，SKIPIF1<0,SKIPIF1<0。從上述分析可知，該過程是一個典型的二階環節，其動態特性取決于自振蕩頻率SKIPIF1<0和阻尼系數SKIPIF1<0。當SKIPIF1<0SKIPIF1<01時，系統特性為過阻尼特性，變化較為緩和；當SKIPIF1<0時，過程特性為衰減振蕩，SKIPIF1<0越小則衰減的越慢，而振蕩頻率與自振蕩頻率SKIPIF1<0有關;當SKIPIF1<0=0時，系統特性呈等幅振蕩，此時振蕩頻率為SKIPIF1<0。【13】3.3無相互影響的多容過程無相互影響的雙容液位過程如圖3.2所示。圖3.2無相互影響的雙容液位過程與圖3.1相比，圖3.2的雙容器之間沒有串聯的管路，兩容器的流出閥均為手動閥門，流量SKIPIF1<0只與容器1的液位SKIPIF1<0有關，與容器2的液位SKIPIF1<0無關。容器2的液位也不會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有非線性方程：SKIPIF1<0(3-14)SKIPIF1<0(3-15)過程的原始數據模型為：SKIPIF1<0(3-16)令容器1、容器2相應的線性水阻分別為SKIPIF1<0和SKIPIF1<0：SKIPIF1<0(3-17)SKIPIF1<0(3-18)其中SKIPIF1<0為容器1的初始液位，SKIPIF1<0為容器2的初始液位。則有過程傳遞函數：SKIPIF1<0(3-19)SKIPIF1<0(3-20)而由式（2-41）可以退出：SKIPIF1<0(3-21)因此有：SKIPIF1<0(3-22)令時間常數SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，綜合式（2-46）和式（2-49），最終可得該過程的傳遞函數為：SKIPIF1<0(3-23)可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數相當于兩個容器分別獨立時的傳遞函數相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統過程傳遞函數為：SKIPIF1<0(3-24)由上述分析可知，該過程傳遞函數為二階慣性環節，相當于兩個具有穩定趨勢的一階自平衡系統的串聯，因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中時間常數的大小決定了系統反應的快慢，時間常數越小，系統對輸入的反應越快，反之，若時間常數較大（即容器面積較大），則反應較慢。由于該過程為兩個一階環節的串聯，過程等效時間常數SKIPIF1<0，故總體反應要較單一的一階環節慢的多。因此通常可用一階慣性環節加純滯后來近似無相互影響的多容系統。【1】第四章多容液位控制系統的仿真4.1被控對象的仿真模型單回路控制系統結構簡單、投資少、即使成熟、操作維護也比較方便，在生產過程控制中得到廣泛應用。為了設計好一個單回路控制系統，并使控制系統的動態和靜態性能指標均達到要求值，就必須很好地了解具體的生產工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類型和控制器的參數等。串級控制系統必須合理地進行設計，才能使串級控制系統的優越性得到充分的發揮。串級控制系統的設計包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規律設計和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。串級控制系統對進入副回路的二次干擾具有很強的克服能力。為此，再設計系統時應把變化劇烈、幅值大的干擾包括在副回路中，并且把副回路放大系數整定的應大些，會使干擾在影響到主變量之前經副回路的超前、快速、有力地抑制將干擾對系統的影響降到最低。【12】在雙容控制系統中，主被控對象的數學模型為SKIPIF1<0，副被控對象的數學模型為SKIPIF1<0，控制器采用PI控制規律對系統進行仿真研究。控制器參數整定到最佳值SKIPIF1<0時，得出單回路控制系統在一階擾動、二階擾動和一階、二階擾動同時作用情況下的仿真波形圖，串級控制系統在一階擾動、二階擾動和一階、二階擾動同時作用情況下的仿真波形圖。通過分析和比較單回路和串級也為控制系統的仿真波形圖，可以看出單回路液位控制系統和串級液位控制系統的差異，具體仿真過程如下所述。4.2單回路控制系統的仿真單回路控制系統在設定值為1300時的階躍響應曲線如圖4.1.1所示。SKIPIF1<0。(a)(b)圖4.1單回路控制系統階躍響應曲線(a)仿真框圖(b)單回路控制系統階躍響應曲線對于單回路系統，在系統穩定運行大約900s后，突加幅值為設定值40%的二次階躍擾動信號，系統的響應曲線如圖4.2.1，此時系統的調節時間大約730s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.2單回路系統二次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動信號同時作用下的輸出曲線同樣對于單回路系統，在系統穩定運行大約900s后，圖加幅值為設定值40%的一次階躍擾動信號，系統的響應曲線如圖4.3.1，此時系統的調節時間大約為530s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.3單回路系統一次干擾作用下的仿真框圖(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動值同時作用下的輸出曲線同樣對于單回路系統，在系統穩定運行大約900s后，同時突加幅值為設定值40%的一次和二次階躍擾動信號，系統響應曲線如圖4.4.1，此時系統的調節時間大約為530s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.4單回路系統一次和二次干擾作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動值同時作用下的輸出曲線4.3串級控制系統的仿真副控制器選擇P作用，主控制器選擇PID作用，整定串級控制器的參數為最佳值，同樣是40%的設定值設定值擾動。SKIPIF1<0(a)(b)圖4.5串級控制系統的階躍響應曲線(a)串級控制系統的仿真框圖(b)串級控制系統的階躍響應曲線對于串級控制系統，在系統穩定運行大約900s后，圖加幅值為設定值40%的二次階躍擾動信號，系統的響應曲線如圖4.7所示，此時系統的調節時間大約為330s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.6串級控制系統二次干擾作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動同時作用下的輸出曲線對于串級控制系統，在系統穩定運行大約900s后，突加幅值為設定值40%的一次階躍擾動信號，系統的響應曲線如圖4.8所示，此時系統的調節時間大約為260s。SKIPIF1<0(a)(b)(c)圖4.7串級控制系統一次干擾作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動同時作用下的輸出曲線對于串級控制系統，在系統穩定運行大約900s后，突加幅值為設定值40%的一次和二次階躍擾動信號，系統的響應曲線如圖4.9所示，此時系統的調節時間大約為280s。(a)(b)(c)圖4.9串級控制系統一次和二次干擾同時作用下的響應曲線(a)仿真框圖(b)擾動信號單獨作用下的輸出曲線(c)設定值和擾動同時作用下的輸出曲線從上面的仿真曲線可以看出，串級控制系統比單回路控制系統具有更好的控制效果。第五章總結和展望經過三個月的時間，我的論文終于完成了，回想起這三個月的艱辛，讓我覺得很值得。剛開始拿到論文時間，我對題目還不是很明白，就想通過上網查資料，希望能找到一篇一模一樣的論文，可還是沒找到，就在這找資料的過程中，我明白了很多東西，我看了很多篇相關論文，從中知道了題目的意思，和論文寫作思路。我做的是多容液位控制，是以串級的雙容液位控制過程來做的，在做論文的過程中用到了MATLAB的仿真，數學建模和PID控制，數學模型的建立和PID控制是本論文的基礎，如果沒有這兩個部分，我就沒辦法去做仿真。問題出現最多的就是仿真過程，剛開始仿真的時候，我以為建立模型然后就能達到預期的結果，沒想到我參數沒有調節好，以致我在仿真的這個地方用了很長時間，最后還是在老師和同學的幫助下完成的。所有的工作做完以后就是論文的定稿了，由于我以前做的東西很散，所以整理起來不是很容易，不過最后還是整理出來了，看著我自己做出來的論文，我覺得工作已經完成了，便發給老師看初稿，結果說我內容作的太單調，仿真方法單一，于是我又開始了修改的工作。單一是因為我只有串級控制，所以我又做了一個單回路控制過程，又來比較兩者的優越，通過仿真結果得出的波形，來說明問題，而不是通過單一的文字描述來說理。然后又對用到過的軟件做了一些簡介。經過再三修改，論文終于完成了，也通過了老師的認可，論文終于定稿了。論文寫作的過程雖然很累，但努力終歸得到了收獲，自己覺得很自豪，回首走過的路，覺得現在心中平靜多了。研究展望本文對多容液位的研究只不過是基本雙容液位的基礎之上，所涉及的也不過是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒有涉及。在控制方面可以選擇更加好的PID控制以提高控制精度。致謝本文是在馮翼老師精心指導和大力支持下完成的。馮翼老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、兢兢業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業設計過程中我也學到了許多了關于液位PID控制方面的知識，實驗技能有了很大的提高。本論文的完成也離不開其他各位老師、同學和朋友的關心與幫助。再次感謝馮以老師在論文開題、初稿、預答辯期間所提出的寶貴意見，感謝伍陽同學對我仿真過程的幫助，感謝303宿舍全體同學對我的鼓勵和支持。還要感謝同門的師兄師妹們，在涉及過程中給我以許多建議和幫助。回想整個論文的寫作過程，雖有不易，卻讓我除卻浮躁，經歷了思考和啟示，也更加深切地體會了法學的精髓和意義，因此倍感珍惜。

在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!參考文獻【1】過程控制與自動化儀表[M],機械工業出版社,潘永湘楊延西趙躍編著【2】過程控制系統的MATLAB仿真[M],機械工業出版社,劉文定王東林編著【3】過程控制與Simulink應用[M],電子工業出版社,王正林郭陽寬編著【4】MATLAB及其在理工課程中的應用指南[M],西電出版社出版,陳懷琛編著【5】三容水箱的建模及基于T-S模型的模糊PID控制[J]，控制理論與控制工程，趙科，內蒙古工業大學碩士學位論文【6】魯棒控制及其在三容系統中的應用[D]，張博，吉林大學碩士學位論文【7】三容水箱液位控制系統的研究[D]，蔡喜翠，哈爾濱工業大學碩士學位論文【8】基于遺傳算法的系統建模與PID控制方法研究[D]，徐春梅，武漢大學碩士學位論文【9】基于智能儀表的串聯雙容水箱液位控制系統的設計，朱廣吳君曉，河南機電高等專科學校學報【10】基于動態矩陣的液位控制系統，陳榮保，李勁松【11】三容水箱液位控制系統，李偉，黑龍江科技學院學報【12】彷人多模態雙容水箱控制系統研究[J]，王武蔡子亮張元敏，許昌學院電氣與信息工程學院【13】容器液位控制系統的設計[J],高紅陳旭王永鋒，化學工業與工程【14】雙容液位控制系統的動態解耦控制[J]，羅雄麟宋浩許峰，化工自動化及儀表中國石油大學【15】階躍響應模型在三容水箱中的預測控制[J]，杜志偉陳輝尹力，林業勞動安全附錄ThesignificanceofPIDcontrolThecurrentlevelofindustrialautomationindustriestomeasurethelevelofmodernizationhasbecomeanimportantsymbol.Meanwhile,thecontrolalsoexperiencedthedevelopmentofthetheoryofclassicalcontroltheory,moderncontroltheoryandintelligentcontroltheoryofthreestages.Intelligentcontrolisatypicalexampleoffuzzyautomaticwashingmachine.Open-loopcontrolsystemcanbedividedintocontrolsystemsandclosed-loopcontrolsystem.Acontrolsystemincludingcontroller,sensors,transmitters,actuators,inputandoutputinterfaces.Controller'soutputthroughtheoutputinterface,theimplementingagency,addedtothechargedsystem;controlsystem,theamountcharged,throughsensors,transmitters,senttothecontrollerthroughtheinputinterface.Differentcontrolsystems,sensors,transmitters,actuatorsarenotthesame.Suchaspressurecontrolsystempressuresensortobeused.Electricheatingcontrolsystemsensorisatemperaturesensor.Atpresent,PIDcontrolandcontrollerorintelligentPIDcontroller(instrument)hasalotofproductshavebeenintheengineeringpracticehasbeenwidelyapplied,thereisawiderangeofPIDcontrollers,themajorcompanieshavedevelopedPIDparameterself-tuningcapabilitiesofintelligentcontroller(intelligentregulator),whichautomaticallyadjuststhePIDcontrollerparametersareadjustedthroughtheintelligentorself-correction,adaptivealgorithmstoachieve.PIDcontrolareachievedusingpressure,temperature,flow,liquidlevelcontroller,PIDcontrolcanachieveprogrammablecontroller(PLC),alsoallowsPIDcontrolofPCsystems,etc..ProgrammableLogicController(PLC)istousetheclosed-loopPIDcontrolmoduletoachievecontrol,programmablelogiccontroller(PLC)canbeconnecteddirectlywithControlNet,suchasRockwell'sPLC-5andsoon.PIDcontrolfunctionalsoallowsthecontroller,suchasRockwell'sLogixproductline,whichcanbeconnecteddirectlywithControlNet,usethenetworktoachieveitsremotecontrolfunctions.1,theopen-loopcontrolsystemOpen-loopcontrolsystem(open-loopcontrolsystem)ischargedwiththeobjectoutput(controlledvariables)onthecontroller(controller)didnotaffecttheoutput.Inthiscontrolsystem,notdependentontheamountwillbechargedagainstsendingitbacktoformanyclosedloops.2,closedloopcontrolsystemClosedloopcontrolsystem(closed-loopcontrolsystem)ischaracterizedbythesystemcontrolobjectoutput(controlledvariables)willaffectthecontrolleragainsttheoutputsentbacktoformoneormoreclosedloop.Closed-loopcontrolsystemhaspositivefeedbackandnegativefeedback,ifthefeedbacksignalandsystemforagivenvalueofsignalcontrast,isknownasnegativefeedback(NegativeFeedback),ifthesamepolarityiscalledpositivefeedback,thegeneralclosed-loopnegativefeedbackcontrolsystemsareused,alsoknownasnegativefeedbackcontrolsystem.Manyexamplesofclosedloopcontrolsystem.Suchpersonisanegativefeedbackloopcontrolsystem,theeyeisthesensor,asfeedback,thehumansystemthroughconstantcorrectiontoalltherightmoveslast.Iftherearenoeyes,nofeedbackloop,willbecomeanopen-loopcontrolsystem.Othercases,whenatrulyautomaticwashingmachineshavetocontinuouslycheckwhetherclotheswashed,andcutoffthepowerautomaticallyaftercleaning,itisaclosedloopcontrolsystem.3,stepresponseStepresponseisastepinput(stepfunction)addedtothesystem,thesystemoutputs.Steady-stateerroristheresponseofthesystemintosteadystate,thesystem'sexpectedoutputandactualoutputofthedifference.Controlsystemperformancecanbestable,accurate,fastandthreewordstodescribe.Stabilityisthestabilityofthesystem(stability),asystemtoworkproperly,firstofallmustbestable,fromthestepresponseappearstobethatconvergence;quasi-controlsystemreferstotheaccuracy,controlprecision,usuallystablestateerrorto(Steady-stateerror)description,itsaidthesystemoutputandtheexpectedsteady-statevalueofthedifference;fastercontrolsystemresponseisfast,usuallytherisetimetoquantify.4,PIDcontrolprinciplesandcharacteristicsInengineeringpractice,themostwidelyusedregulatorcontrollawisproportional,integral,differentialcontrol,referredtoasPIDcontrol,alsoknownasPIDregulator.PIDcontrollerhasbeendevelopedfornearly70years,itisitssimplestructure,stable,reliable,easytoadjustandbecomeoneofthemaintechniquesofindustrialcontrol.Whenthestructureandparametersoftheobjectandcannotfullygrasp,orlackofaccuratemathematicalmodels,controltheoryisdifficulttouseothertechnologies,thesystemcontrollerstructureandparametersmustrelyonexperienceandon-sitecommissioningtodetermine,whenappliedPIDcontroltechniqueismoreconvenient.Thatis,whenwedonotfullyunderstandasystemandthecontrolledobject,orcannotbeaneffectivemeansofmeasurementtoobtainsystemparameters,themostsuitablePIDcontroltechnology.PIDcontrol,inpracticetherearePIandPDcontrol.PIDcontrolleristheerroraccordingtothesystem,usingproportional,integral,differentialcalculationofthevolumecontroltocontrol.Proportion(P)controlProportionalcontrolisthemostsimplecontrolmethod.Thecontroller'soutputandtheinputerrorsignalproportional.Whenonlyaproportionalcontrolsystemoutputwhenthereissteady-stateerror(Steady-stateerror).Integral(I)controlInintegralcontrol,thecontroller'soutputandtheinputerrorsignalproportionaltotheintegral.Anautomaticcontrolsystemintothesteadystateifthereissteady-stateerror,claimedthatthiscontrolsystemiscalledasteady-stateerrororpoorsystem(SystemwithSteady-stateError).Inordertoeliminatesteadystateerror,thecontrollermustintroducethe"integralterm."Integraltermoftheerrordependsonthetimeintegral,astimeincreases,integraltermwillincrease.Thus,eveniftheerrorisverysmall,integraltermwillincreaseovertimetoincreaseitspromotionofthecontrolleroutputincreasestofurtherreducethesteady-stateerror,untilzero.Therefore,theratioof+integral(PI)controllerallowsthesystemtoentersteadystateofnosteadystateerror.Differential(D)controlInthedifferentialcontrol,thecontrollero