系统简介

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。本设计主要是设计可视化水箱的控制系统，在研究设计过程中，PID控制策略不但使设计控制算法更加的方便，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，然后依据可视化的水箱控制模型以及受控过程属性来更好的设计出PID调节器，进而操控系统仿真。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。通过MATLAB来构建一个较为完善的液位控制体系，调节器使用PID控制，构建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，然后就参数变动对系统性能的影响进行一定的归纳总结。
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；

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的其中一个特点；第五，工具箱具有强大的功能。MATLAB涵盖核心部分以及多种可供大家选择的工具箱。其中，工具包又分成两种：一、学科性的工具包；二、功能性的工具包。功能性工具箱的主要功能是用来扩展MATLAB的文字处理、符号运算、可视化建模与仿真等；另外一些相对较专业性的工具箱，比如信号处理工具箱、控制工具箱、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部分特征：
1.被控目标的类型非常地多，多样化程度比较高；
2.受控目标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，由于控制目标的非线性特点，并且在多数情况下，其输入与输出也非常地繁杂，因而，当控制体系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
水箱的液位控制体系的示意图详见下图3-1，在手动控制的图示中，为控制水箱的液位使其保持不变，需要随时观察水箱液位的高度变动情况，以便更好的掌控不同液位水箱的净水量。第一步是眼睛观察好水箱的实际液位水平，然后传输到大脑；第二步是大脑对比人眼所观察到的不同液位高度，得出系统的偏差程度以及对应的方位，接下来发出相应的操控指令；最后，大脑控制手部去控制对应的进水阀门，从而将水箱的液体水位维持在一定的高度。在全部的过程中，眼睛、大脑和手所起的作用依次是检测、作出正确的判断以及执行相应的命令，三者分工协作共同完成测量、偏差计算、偏差纠正的工作，最终使水箱的水位维持在同一高度。

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的自动控制展示图3-1中，当系统受到一定程度的干扰之后，液体水位就会产生相应的变化，检测仪表仪器检测到液体水位具体水平，即测量值；液体水位测量变送器传输相应的信号至对应的控制器，和事先设置好的数值进行对比，然后获得偏差信号，再根据一定的数学法则开展相应的计算，与此同时输出相应的控制信号；当控制阀门接收到控制器的操控信号之后变更对应阀门的开合程度，从而调节水箱的进水量，进而让被控变量，也就是让水箱的液位恢复到事先设置好的数值中来，尽可能的减小系统扰动所带来的影响，使得水箱液位最终达到恒定。
3.2水箱液位控制系统原理框图

本论文对可视化水箱系统液位控制的设计是一个简单的控制系统，所谓简单的液位控制系统是这样的一个单闭环负反馈控制系统：它的主要构成是控制器、执行器、受控目标、检测变送单元，它们的数量都为一。简单控制系统由被控对象、检测设备、控制器以及执行器构成。虽然控制系统的受控目标、具体设备以及变量有所不一，但是都可用相同的流程图来表示，具体如下图3-2：

图3-2 简单控制系统常用的框图
根据图3-2这个简单控制系统经常使用的的框图来制作出来水箱液位控制系统的工作原理流程图，详见下图3-3：

图3-3 水箱液位控制系统原理框图
3.3水箱液位控制系统数学模型
系统原来的平衡状态在输入单位阶跃信号的作用下被打破，与此同时在外来信号的作用下，由非振荡稳态转变为新的稳定状态，具体的操控流程如下：
（1）确定输入输出变量
如下图3-4水箱液位过程图及其阶跃响应曲线所示，进料阀门1控制着流进水箱的流量 ；水箱的液位L以及出料阀门2的开合程度决定了流出水箱的流量。值得注意的是，液位L属于受控变量，在控制体系中，进料阀门1属于控制阀门，其控制的进料流量是过程的控制输入，出料流量属于外部干扰，

第4章 PID控制简介及其整定方法

4.1 系统主程序流程图的设计
4.1.1 PID控制系统原理图  
现代自动化控制技术是建立在反馈的基础上的。反馈的三大要素是，第一步进行测量，第二不是对比，最后是实施。测量针对的是变量，比较是根据测量量与期望值进行对比，执行是根据比较结果进行一系列操作，进而完成控制。在自动控制过程中依据反馈理论对系统做出正确的检测然后比较最后完成系统的纠正调节。PID控制即比例积分微分控制，在工业生产的控制过程中，几乎所有的控制回路都有PID的结构，而且在更高级的控制系统中也是PID控制为基础进行研究。
如图4-1所示为PID控制系统的原理图，是由PID控制器和控制对象构成的一个比较简便的负反馈控制体系。

图4-1 单位负反馈控制系统
PID控制器是一种会按照给定值r(t)和现实输出值c(t)形成一定偏差的线性控制器。

4.1.2 PID控制算法
图4-2是一种具有代表性的PID模拟控制的流程图，其中，sp(t)表示给定值和输入量，pv(t)表示反馈量，c(t)表示系统的输出流量，PID控制器输入与输出之间的关系可表述为：
（4.1）
也就是说，
其中，为PID的回路增益，表示微分时间常数；表示积分时间常数。在上述公式4.1中，其等号右边前三项依次为比例、积分和微分部分，它们和误差以及误差的积分、微分之间的关系为正比。如果想要得到一定精准稳定状态的精确度时，那么，可通过PI控制模式进行相应的控制，但若目标的惯性滞后相对较大，采用PID控制模式是最佳的一种选择。

图4-2模拟量闭环控制系统
为了便于电脑完成PID控制的运算公式，一定要将微分方程式（4.1）改为差分，并作以下近似：
（4.2）
（4.3）
其中，n表示控制周期的序号（n=0，1，2…），e(n-1)与e(n)分别为第(n-1)与第n控制周期得出的偏差, T表示控制周期。把公式（4.2）、（4.3）代进该式中，可得到一个差分方程 :
(4.4)
其中，M(n)表示第n时刻的控制量，若T与受控目标的时间常数都比较小，则这种相似是合理的。