基于PID的简单水温控制系统设计

摘要 本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统，在设计中，充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。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，采用MATLAB仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。 关键词：液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；计算机过程控制系统 目录1? 绪论??? 41.1? 课题设计的意义??? 41.2? 课题设计的背景??? 41.2.1? PID简介??? 41.2.2? Matlab/Simulink 简介??? 51.3小结??? 52建立系统数学模型??? 52.1数学建模的基本概念??? 52.2数学建模的过程??? 52.3双容水箱数学模型的建立??? 62.3.1单容水箱数学模型的建立??? 62.3.2双容水箱数学模型的建立??? 72.4确定被控参数及控制变量??? 82.5方案论证??? 82.5.1串级控制系统方案论证??? 82.5.2主、副回路的设计??? 82.5.3仪表做控制器方案论证??? 92.6小结??? 93调节器设计??? 93.1? 双容水箱对象特性测试??? 93.2? 被控对象建模??? 103.3调节器设计原理??? 103.4 调节器设计的内容与步骤??? 113.4.1、比例（P）调节器控制??? 113.4.2、比例积分调节器（PI）控制??? 113.4.3、比例积分微分调节器（PID）控制??? 113.4.4、用临界比例度法整定调节器的参数??? 123.4.5、用衰减曲线法整定调节器的参数??? 123.5 小结??? 134阶跃响应曲线法模型??? 134.1上水箱阶跃响应参数??? 134.2下水箱阶跃响应参数??? 134.3求取上水箱模型传递函数??? 144.4下水箱模型??? 165. 系统控制方案设计与仿真??? 185.1 PID控制原理??? 195.2系统控制方案设计??? 195.3控制系统仿真??? 205.3.1.阶跃响应性能??? 205.3.2.抗扰动能力??? 22致谢??? 24参考文献??? 24 v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 1? 绪论 1.1? 课题设计的意义 在人们的生产及生活中经常涉及到液位和流量的控制问题，比如居民生活用水的供应、溶液过滤、污水处理、化工生产等多种行业的生产加工过程就通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需维持一定的高度，从而需设计合适的控制器来自动调整蓄液池进出流量，来保持蓄液池内液位正常水平以保证产品的质量和生产效益。其实不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中的一个重要参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制、能收到很好的生产效果。水箱液位控制系统的设计应用非常地广泛，可以通过一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 1.2? 课题设计的背景 本课题主要涉及到PID、Matlab/Simulink这两个方面的应用。以下详细介绍这两个方面。 1.2.1? PID简介 PID控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输入与输出误差信号成比例关系，调节器立即产生控制作用减小偏差[1]。 PID控制是在比例控制的基础上加上积分控制，其控制器的输入与输出信号在积分的作用下成正比关系，加上积分环节后，可以消除静差，提高系统的无差度[1]。 根据系统的误差而进行的比例、积分和微分计算来得出控制量进行控制的方式，称为PID控制器。也就是在比例积分控制方式下，加入微分控制，系统的输入与输出信号的微分成正比例关系，因此在以上基础上减小调节时间。