基于matlab和simulink的可视化水箱系统控制计算机科学和技术专业.docx

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基于matlab和simulink的可视化水箱系统控制计算机科学和技术专业

课题基于Matlab和Simulink可视化水箱系统控制

插图清单

基于Matlab和Simulink的可视化水箱系统控制

摘要

随着工业生产的快速发展，工业上离不开可视化水箱的液面控制系统。

本设计主要是对可视化水箱系统控制进行设计，研究设计时，PID控制策略不仅便于设计控制算法同时又足以有效的满足设计需要，因此本篇研究选择了PID控制。

本论文目的是设计可视化水箱系统控制，设计时充分利用了自动控制原理，过程控制以实现对水箱液位的控制。

本设计主要内容有对水箱的实验曲线分析以及确定其特性，对MATLAB进行概括，其次了解过程控制的定义目的以及特点，然后根据可视化水箱控制模型和被控过程属性设计PID调节器从而控制系统仿真。

通过参数的不同设置得到不同的控制结果，证明提高系统性能的有效性最好的办法是加入串级控制。

用MATLAB建立液位控制系统，调节器采用PID控制，建立水箱液位控制系统的数学模型再设计出水箱的控制系统，选择合适的PID算法。

对所得到的仿真曲线进行分析，得出最优化的仿真参数及各个参数的控制性能，总结参数变化对系统性能的影响。

关键词：

可视化水箱系统控制；串级控制；过程控制；MATLAB仿真；PID控制；

Visual Control of Water Tank system based on Matlab and Simulink

Abstract

Withtherapiddevelopmentofindustrialproduction,theliquidlevelcontrolsystemofvisualwatertankisindispensableinindustry.Thisdesignismainlyforthevisualwatertanksystemcontroldesign,researchanddesign,PIDcontrolstrategyisnotonlyeasytodesigncontrolalgorithm,butalsoenoughtoeffectivelymeetthedesignneeds,sothisstudychosePIDcontrol.Thepurposeofthispaperistodesignavisualwatertanksystemcontrol,thedesignmakesfulluseoftheautomaticcontrolprinciple,processcontroltoachievethecontrolofwatertanklevel.Themaincontentofthisdesignistoanalyzetheexperimentalcurveofthewatertankanddetermineitscharacteristics,summarizeMATLAB,understandthedefinitionpurposeandcharacteristicsofprocesscontrol,andthendesignPIDregulatoraccordingtothevisualwatertankcontrolmodelandcontrolledprocessattributes,soastocontrolsystemsimulation.Itisprovedthatthebestwaytoimprovethesystemperformanceistoaddcascadecontrol.UsingMATLABtoestablishtheliquidlevelcontrolsystem,theregulatoradoptsPIDcontrol,establishesthemathematicalmodelofthewatertankliquidlevelcontrolsystem,designsthewatertankcontrolsystem,andselectstheappropriatePIDalgorithm.Throughtheanalysisofthesimulationcurve,theoptimalsimulationparametersandthecontrolperformanceofeachparameterareobtained,andtheinfluenceofparameterchangesonthesystemperformanceissummarized.

Keywords:

Visualwatertanksystemcontrol;Cascadecontrol;Processcontrol;TheMATLABsimulation;PIDcontrol;

第1章控制系统仿真描述

1.1 系统控制仿真

控制系统仿真是涉及到自动控制原理、过程控制理论与计算机控制技术的综合性学科，它是以计算机为工具，以控制系统的模型为基础，实际的控制系统用简单的数学模型来代替，对设计的控制系统进行研究的一种常用方法。

系统控制仿真有以下几个步骤：

（1）建立控制系统的数学模型

描述系统的输入变量、输出变量还有内部变量三者关系的数学表达式被称为控制系统的数学模型。

试验法和解析法是建立可视化水箱系统控制数学模型常用的方法，结构图、状态空间表达式、信号流程图、微分方程、传递函数、都是常见的数学模型。

（2）建立控制系统的仿真模型 

依据可视化水箱系统控制的数学模型把它变成可以对控制系统进行实验仿真的模型。

（3）进行系统仿真并分析仿真结果 

实验时Simulink集成环境是仿真工具，搭建可视化水的MATLAB仿真。

通过对水箱系统控制仿真的不断实验，对仿真模型还有实验参数进行不断调试，输出仿真结果并分析。

1.2 控制系统中MATLAB计算与仿真 

MATLAB的意思是矩阵实验室（矩阵工厂），多应用在数据分析，信号处理，控制系统等领域。

它有以下几个主要的特点：

第一，语言简洁明了，使用方便灵活。

MATLAB的库函数非常丰富，不仅仅有常用的基本库函数，还有功能丰富多样的专用库函数；第二，功能强大，实用范围广泛。

MATLAB除了有超强的数值计算能力以外，它还具有独特的专业水平符号计算；第三，图形功能强大。

MATLAB具有很多种图形函数，可以绘制出各种各样的仿真效果图。

MATLAB具有较强的图形界面编辑的能力，MATLAB数据还可以可视化；第四，有好的图形界面，用户使用方便。

有较好的用户界面以及帮助系统是MATLAB的特色之一；第五，工具箱功能强大。

MATLAB包含两个部分，核心部分和各种可选的工具箱。

工具包又分为功能性工具包和学科性工具包。

主要用来扩充MATLAB的文字处理、符号计算、可视化建模仿真等功能的是功能性工具包；专业性较强的工具包是控制工具包、信号处理工具包、MATLAB的可实现动态建模、仿通信工具包、针对过程控制系统的非线性等等都属于学科性工具包。

Simulink是MATLAB最重要的模块之一，它具有适应面广、流程和结构清晰、仿真精确等优点。

它为可视化水箱控制系统控制实验提供了一个动态系统建模、仿真以及综合分析的集成环境，基于以上的特点，在控制理论以及模拟信号处理、数字信号处理等复杂仿真设计中得到了广泛的应用。

第2章过程控制简介

2.1过程控制定义

在工业中以压力、液位、温度、压力、成分等一系列的工艺有关的参数为被控制变量的自动控制过程称过程控制。

过程控制也称实时控制，是按照实时采集的信号对被控对象进行控制调节。

过程控制是对过程控制系统进行综合分析的一个步骤，它属于自动控制原理学科的一个重要部分。

过程控制体现了生产过程自动化，在很多工业生产中会按一定的程序或者连续的进行生产控制。

2.2过程控制目的

工业生产中，对生产所需要的物料原材料或者条件等都需要有数量和数值上的要求，这些要求会决定产品的质量以及产量等。

对于不同的生产方式，由于各个生产过程不同需要对不同的量进行把控，且在一些特殊工艺要求上，对生产环境也需要严格的要求，甚至对于工业排放，其对环境十分有害，也要进行排放的一些处理和控制。

面对不同的控制过程，要求过程控制要灵活多变易于掌控。

在工业生产中过程控制一般需要做到以下几个方面的要求：

首先是对生产过程的安全和平稳进行把控，接着要使控制过程尽可能的满足计划的质量和数量，再接着要秉持节能节源的理念进行生产控制，最后应该要与环境友好发展，控制其对环境的危害。

因此作为现代化工业的标准，工业生产过程的自动化控制是降低消耗和成本。

2.3过程控制特点

本章先确定系统的总体结构,将其划分为功能模块并说明对应模块实现的功能,再阐述基本的技术原理。

在工业生产的过程中，一般需要保持一些参数不变或者按一定规律变化，这些参数除了外界条件的一些影响之外还会因为生产过程中的一些步骤而造成它们之间或产生影响，在这样复杂的条件下，我们可以总结过程控制的一些特点：

1.被控对象的种类很多，具有多样性；

2.被控对象由于控制系统需要响应时间可能存在滞后

3.控制对象的特性为非线性

4、控制系统会因为控制的参数或者条件而变得复杂

由对于控制系统来说，由于控制对象的非线性特征，而且其输入输出在很多情况下也十分复杂，所以当控制系统去根据特点设计的时候也各不相同，且要很具控制的对象进行方案的确定。

比如一些参数的计算和设定，或者控制系统的控制方法都需要根据推理计算，而且多方法同时进行的过程控制。

2.4过程控制发展与趋势

过程控制的发展离不开控制理论的发展。

过程控制技术的发展大致分为五个阶段：

一是人工控制阶段，二是模拟仪表控制系统，三是计算机集中监督控制系统，四是分散控制系统，五是现场总线控制系统。

过程控制由自动化技术也由模拟仪表向智能化仪表发展，分离设备到共享设备发展，计算机网络也经过现场的发展。

控制理论起源于社会实践和科学实践，与其他很多学科一样，从古至今都在不停的发展。

这体现了人类的智慧，和解决问题的思考能力。

这个由上世纪40年代形成的理论，在90年代就发展的十分超前，它影响着社会生活的每一个地方，对社会的发展有着重要意义。

第3章水箱液位控制系统原理

3.1人工控制和自动控制的比较

如图3-1为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为了让水箱的液位不变，我们需要时刻观察水箱液位的高度变化然后控制不同液位水箱的净水量。

首先，眼睛观察水箱液位的高低再送给大脑；其次，大脑将眼睛看到的液体水位高度与的进行比较，得到系统的偏差大小和方向，然后发出控制命令；最后，大脑控制手去改变进水阀的大小，使水箱液位保持在指定的高度上。

在整个过程中，眼、脑、手分别起了检测、判断和执行的作用，三个协调合作完成测量、求偏差、纠正偏差的工作过程，最终保持水箱液位的恒定。

人工控制自动控制

图3-1水箱液位控制系统示意图

如果采用检测仪表装置和自动控制装置，在水箱液位控制系统自动控制示意图3-1中，当系统受到了扰动的作用后，液位发生了变化，检测仪表测得液位的高低，即测量值；液位测量变送器送来的信号发送给控制器，将与设定值相比较得出偏差信号，再按其运算规律进行运算并且输出控制信号；控制阀接收到控制器的控制信号，再根据其大小改变阀门的开度，将对水箱的给水量进行调节，使被控变量即水箱液位回到设定值