自动控制课程设计--双容水箱液位串级控制
双容水箱液位流量串级控制系统设计
目录1.设计题目 (2)2.设计任务 (2)3.设计任务分析 (2)4.设计内容 (5)5.设计总结 (13)6.参考文献 (14)双容水箱液位控制系统设计1.设计题目双容水箱液位控制系统设计2.设计任务如图1所示的两个大容量水箱。
要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。
试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。
水箱2图1 系统示意图3.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。
在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1),副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。
检测对象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位传感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量传感器）。
控制器：PID；执行器：控制阀；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声。
为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。
当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。
该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当水箱2有干扰时，此干扰经过控制通路传递到水箱2，会有很大的延迟，进而是控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。
双容水箱串级控制系统设计
双容水箱串级控制系统设计设计总说明液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题, 例如在饮料、食品加工、溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。
双容水箱串级控制在工业过程控制中应用非常广泛。
在水箱水位的控制中，液体首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。
本次设计采用串级控制，可以有效调节过程动态性能，大大克服系统的容积延迟。
采用PID控制器对模型进行整定以达到理想的控制效果。
选用PLC作为现场的控制设备,用于数据采集和控制，通过组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。
关键词：双容水箱，PID,串级控制，组态王，PLCOuble Let Tank Cascade Control System DesignDesign DescriptionLiquid level control problem is a kind of common industrial production process, For example in beverage, food processing, chemical production, the solution of the production process were industry needs to properly control level.Cascade double-capacity water tank in industrial process control is used widely. In the control of water tank, the advanced water tank, who first and then through the second tank, compared with a tank, due to the increased a tank, is the response time is more backward step, that is, causing the delay in volume of the process is difficult to control.This design uses cascade control, can regulate the process effectively, greatly overcome system dynamic performance of volume. Adopts PID controller in order to achieve the ideal of setting control effect to model. Choose a scene of PLC control device for data acquisition and control, Through the kingview software for setting process and the curve of the real-time monitoring, until it reaches the main circuitd and the vice loop optimal setting parameters.Key words: Double-capacity Water Tank, PID, cascade control, kingview, PLC目录1绪论 (1)1.1PLC技术 (1)1.2组态技术 (3)1.3 PID算法 (3)2设计背景 (5)2.1设计内容及原理 (5)2.2系统软硬件组成 (5)2.2.1硬件组成 (5)2.2.2软件组成 (5)3串级控制系统介绍 (6)3.1串级控制系统的定义及组成 (6)3.2串级控制系统的设计思路 (6)3.3串级控制系统的参数整定 (7)3.4串级控制系统的工业应用 (8)4西门子s7-200系列PLC介绍 (10)4.1西门子s7-200系列PLC简介 (10)4.2西门子s7-200系列PLC的组成 (10)5组态软件介绍 (12)5.1组态的基本概念 (12)5.1.1组态的含义 (12)5.1.2数据采集的方式 (12)5.1.3脚本的功能 (12)5.1.4组态软件的开放性 (13)5.1.5组态软件的可扩展性 (13)5.1.6组态软件的控制功能 (13)5.2.组态软件特点 (13)5.3系统的设计与实现 (14)6系统设计 (15)6.1对象选择及其工作原理 (15)6.2调节器的选择及其正反作用的确定 (15)6.3传感器、变送器、执行器的选择 (16)6.4系统的参数整定 (16)6.5 S7-200系列PLC的CPU模块选择 (17)6.6设备清单 (17)7 PLC设计流程 (19)7.1系统设计基本步骤 (19)7.2系统设计流程图 (19)8组态王的设计 (21)8.1组态王的制作的基本过程 (21)8.2组态王画面的制作 (23)9系统调试 (27)9.1组态软件调试 (27)9.2整体调试 (27)总结 (28)致谢 (29)附录双容水箱串级控制程序 (31)1绪论液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过滤、工生产等多种行业的生产加工过程当中都需要对液位进行适当的控制。
双容水箱液位流量串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计一、系统结构1.水箱：系统中最重要的元件之一，用于存储和供应水资源。
2.控制阀：用于调节水箱出口的流量，根据传感器检测到的液位信号来控制阀门的开度。
3.液位传感器：用于检测水箱内部的液位变化，并将其转换为电信号供控制系统使用。
4.流量传感器：用于检测水箱出口的流量，并将其转换为电信号供控制系统使用。
5.控制器：整个系统的核心部分，根据传感器采集到的液位和流量信号，通过控制阀门的开度来调节水箱的液位和流量。
二、系统设计1.控制策略的选择：双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略一般选择PID控制算法。
PID控制器可根据传感器采集到的控制量和设定值之间的误差来调节阀门的开度，实现液位和流量的闭环控制。
2.系统参数的确定：首先需要确定水箱的容积和液位范围，以便合理地选择传感器的量程。
然后需要根据水箱的工作条件和流量要求来确定控制阀的参数，如最大流量、最小可调节流量等。
3.传感器的选择与安装：根据系统的要求和工作环境的特点，选择适合的液位传感器和流量传感器，并将其正确安装在水箱中。
液位传感器一般安装在水箱的顶部，流量传感器安装在水箱的出口处。
4.控制器的设计与配置：根据系统需求和控制策略的选择，选择适合的PID控制器，并按照系统参数进行配置。
控制器应具备良好的控制性能和稳定性，能够根据传感器采集到的信号及时调节阀门的开度。
5.控制策略的调整与优化：系统设计完成后，需要通过实际的试验和调整来优化控制策略，提高系统的控制性能。
可以通过调整PID控制器的参数来实现系统的稳定运行和准确控制。
6.故障检测与保护措施：在设计系统时，应考虑到可能发生的故障，如传感器故障、控制阀失效等，并设计相应的故障检测和保护措施，以确保系统的安全可靠运行。
三、系统应用总结：双容水箱液位流量串级控制系统是一种重要的控制系统，在工业生产中起到关键作用。
其设计需要根据实际需求和系统参数进行合理设置，并通过优化控制策略来实现系统的稳定运行和优质控制效果。
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
在双容水箱液位串级控制系统中，通常有两个水箱，分别称为主水箱
和副水箱。
主水箱通常是较大的水箱，副水箱是较小的水箱。
系统的目标
是保持主水箱和副水箱的液位稳定在设定值附近。
系统的控制过程可以分为以下几个步骤：
1.流程测量：系统通过测量主水箱和副水箱的液位，获取当前的液位
信号。
2.控制计算：根据测量值和设定值，计算需要调节的阀门开度。
3.阀门控制：根据计算结果，控制阀门的开度，调节水的流入和流出
速度，以实现液位的控制。
4.反馈调整：根据阀门控制后的效果，不断调整阀门开度，使液位稳
定在设定值附近。
在实际的设计中，双容水箱液位串级控制系统通常采用PID控制器来
实现。
PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
比
例部分根据偏差的大小进行调整，积分部分根据偏差的持续时间进行调整，微分部分根据偏差的变化速率进行调整。
通过不断调整PID参数，实现系
统的稳定性和响应速度的平衡。
另外，在实际的设计中，还需要考虑到系统的动态响应、稳定性、静
差和抗干扰性等因素。
可以采用仿真软件进行系统的建模和分析，优化系
统的设计参数。
总之，双容水箱液位串级控制系统作为一种常见的控制系统，在工业、农业和民用领域有着广泛的应用。
通过合理设计和调节控制参数，可以实
现液位的稳定控制，提高系统的稳定性和安全性。
同时，与实际的实验和仿真相结合，可以进一步优化系统的设计和控制策略。
双容水箱液位串级控制系统设计
双容水箱液位串级控制系统设计
设计一个双容水箱液位串级控制系统需要考虑以下几个方面：水箱容量、水泵的流量、液位传感器的安装位置以及液位控制算法的选择。
首先，需要确定主水箱和辅助水箱的容量。
容量的选择应该根据实际
需求和使用场景来决定。
主水箱通常较大，以保证在较长时间内可以提供
稳定的水源。
辅助水箱的容量通常较小，主要用于补充主水箱的水源。
其次，确定水泵的流量。
水泵的流量应该能够满足系统的需求。
水泵
的选择应该考虑到系统的最大需求量以及水泵的工作效率等因素。
然后，需要确定液位传感器的安装位置。
液位传感器通常安装在水箱内，并通过传感器来检测水位的变化。
液位传感器的选择应该考虑到传感
器的精度、可靠性以及适应环境的能力。
最后，需要选择合适的液位控制算法。
常用的液位控制算法包括比例
控制、PID控制等。
液位控制算法的选择应该根据系统的需求、控制精度
以及系统的动态特性来决定。
在系统的实现过程中，还需要考虑到管道的设计、水泵的控制与保护、液位反馈的处理以及系统的安全性等方面。
总之，双容水箱液位串级控制系统的设计需要综合考虑水箱容量、水
泵流量、液位传感器安装位置以及液位控制算法的选择。
通过合理设计和
配置，可以实现水箱液位的稳定控制，满足实际需求。
双容水箱液位串级控制系统的设计
目录摘要 (1)Abstract: (2)1 概述 (3)1.1 过程控制介绍 (3)1.2 液位串级控制系统介绍 (4)1.3 MATLAB软件介绍 (4)1.4 MCGS组态软件介绍 (5)2 被控对象建模 (7)2.1 水箱模型分析 (7)2.2 阶跃响应曲线法建立模型 (7)3 系统控制方案设计与仿真 (13)3.1 PID控制原理 (13)3.2 系统控制方案设计 (15)3.2 控制系统仿真 (16)4 建立仪表过程控制系统 (20)4.1 过程仪表介绍 (20)4.2 仪表过程控制系统的组建 (21)4.3 仪表过程控制系统调试运行 (24)5 建立计算机过程控制系统 (26)5.1 计算机过程控制系统硬件设计 (26)5.2 MCGS软件工程组态 (28)5.3 计算机过程控制系统调试运行 (38)6 结论 (40)谢词 (41)参考文献 (42)................双容水箱液位串级控制系统的设计摘要：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，采用动态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控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统Abstract:The purpose of this thesis is to design the liquid level's concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicatortechnique ﹑the computer technique﹑the communication technique and the automaticcontrol technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid.First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use theexperimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Designthe concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyzethe capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator processcontrol system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator.Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue ofthe data collection module ﹑MCGS soft and digital PID controller，accomplish controlsystem experiment and analyze the outcome.Keywords:liquid level model PID control indicator process control system computer process control systemzzzzzzzzzzzzzzzzz双容水箱液位串级控制系统的设计1 概述1.1过程控制介绍1．工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计
双容水箱液位串级控制系统_毕业设计1. 设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2. 设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。
试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。
1图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1） 已知上下水箱的传递函数分别为：111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+，22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+。
要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。
在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q ；被控量：下水箱液位；控制对象特性： 111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+（下水箱传递函数）。
DCS课程设计水箱液位串级控制解析
目录1 题目背景与意义 01.1 题目背景 01.2 课题意义 02 设计题目简介 (1)2.1设计内容和规定 (1)2.2 集散控制系统基本构成 (1)2.3 设计原理及分析 (4)3 系统设计方案 (7)3.1双容水箱控制 (8)3.2串级控制 (8)4 系统硬件设计 (10)4.1数据采集模块 (10)4.1.1 模拟量输入模块 (10)4.1.2 模拟量输出模块 (11)4.2仪表和执行机构选型 (13)4.3系统连线 (13)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (13)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (14)5 系统软件设计 (15)5.1组态画面旳设计 (13)5.2通讯设置 (15)6 系统仿真调试 (17)7 结论 (16)参照文献........................................... 错误!未定义书签。
71 题目背景与意义1.1 题目背景集散控制系统（Distributed control system）, 是以多种微处理机为基础运用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象旳调整、监视管理旳控制技术。
其特点是以分散旳控制适应分散旳控制对象, 以集中旳监视和操作到达掌握全局旳目旳。
系统具有较高旳稳定性、可靠性和可扩展性。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制, 所有信息通过通信网络由上位管理计算机监控, 实现最优化控制, 整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制旳长处, 克服了常规仪表功能单一, 人-机联络差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中旳缺陷, 既实现了在管理、操作和显示三方面集中, 又实现了在功能、负荷和危险性三方面旳分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要旳作用。
伴随工业自动化水平旳不停提高, 计算机旳广泛运用, 人们对工业自动化旳规定也越来越高。
而DCS又有延续性和可扩充性, 易学易用性和通用性, 使得DCS得到长足旳发展。
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自动控制课程设计课程名称：双容水箱液位串级控制学院：机电与汽车工程学院专业：电气工程与自动化学号： 631224060430姓名：颜馨指导老师：李斌、张霞2014/12/300摘要 (2)1引言 (2)2对象分析和液位控制系统的建立 (2)2.1水箱模型分析 (2)2.2阶跃响应曲线法建立模型 (3)2.3控制系统选择 (3)2.3.1控制系统性能指标【2】 (3)2.3.2方案设计 (4)2.4串级控制系统设计 (4)2.4.1被控参数的选择 (4)2.4.2控制参数的选择 (5)2.4.3主副回路设计 (5)2.4.4控制器的选择 (5)3 PID控制算法 (6)3.1 PID算法 (6)3.2 PID控制器各校正环节的作用 (6)4 系统仿真 (7)4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 (7)4.2.1 PID初步调整 (10)4.2.2 PID不同参数响应曲线 (12)4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 (17)5加有干扰信号的系统参数调整 (20)6心得体会 (22)7参考文献 (22)液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。
针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，利用Matlab 仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。
关键词：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink1引言面液位控制可用于生产生活的各方面。
如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。
因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。
本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。
选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。
2对象分析和液位控制系统的建立2.1水箱模型分析现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。
图1 双容水箱液位控制示意图系统主要由调节器LC1、副调节器LC2、调节阀、上水箱、下水箱、压传感器LT1和LT2等组成。
利用水泵将储水槽中的水输出，通过电动调节阀调节上水位进水流量，使下水箱液位保持恒定。
2.2阶跃响应曲线法建立模型阶跃响应是指输入变量的变化引起的系统时间响应，可测定系统的阶跃响应，从而拟合系统传递函数。
系统通过泵供水，首先手动调节阀开度，改变水箱液位给定量，相当于施加了输入量的阶跃变化，从而得到响应曲线。
即上水箱的传递函数为：【1】s e s s G 51108519.0)(-+= （2-1） 下水箱的传递函数为： s e s s G 101100461.0)(-+=（2-2）图2水箱模型测定原理图2.3控制系统选择2.3.1控制系统性能指标【2】（1）静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被测参数稳态值之差；（2）衰减率：闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。
为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0.75-0.9；（3）超调量：输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性；（4）调节时间：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%-+5%范围所需的时间。
2.3.2方案设计由于实验用水箱外部干扰较多，且波动也较明显，干扰变化剧烈，所以本设计采用串级控制方案。
串级控制可获得中间变量，并且可组成副反馈回路，这样可以对影响中间变量的干扰进行提前调节，对从副回路进入的干扰有较强的调节能力，改善系统的动态特性，还能减小系统的时间常数，对操作情况有较强的适应能力，从而使整个系统的控制效果得到改善，采用液位-液位串级控制系统【3】设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每个回路又有自己的调节器和控制对象。
主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。
副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。
主调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数c2。
通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统，将使系统的输出响应在稳态时，系统的被控制量等于给定量，实现无差调节，并且使系统具有良好的动态性能，较快的响应速度。
当有扰动f1(t)作用于副对象时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路的各种二次扰动，当扰动f2(t)作用于主对象时，由于副回路的存在也应使系统的响应加快，使主回路控制加强。
图3 串级控制系统框图2.4串级控制系统设计2.4.1被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数。
在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。
如果调节欠妥，会造成整个系统控制设计的失败，且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括值读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。
2.4.2控制参数的选择从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。
调节这两个量都可以改变液位的高低。
但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。
所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。
2.4.3主副回路设计为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。
副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。
主副回路时间常数之比应在3到10之间，以使副回路既能反映灵敏，又能显著改善过程特性。
下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱。
2.4.4控制器的选择根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律，为了实现液位串级控制，使用双闭环结构，主调节器选择比例积分微分控制规律（PID)，对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率（PI)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系统。
3 PID 控制算法稳定性好、安全可靠、调整方便，是目前采用最多的控制方法之一。
PID 控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
其算法为：【4】PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值)(t r 与实际值)(t y 构成控制偏差：)()()(t y t r t e -=PID 控制规律为：dtt de K dt t e T K t e K t m P tI P P )()()()(0τ++=⎰ PID 控制器的传递函数为： s K sK K s s T K s E s M s G D I P I P c ++=++==1)11()()()(τ 式中，P K 为比例系数，I T 为积分常数，τ为微分时间常数，I P I T K K =为积分系数，τP D K K =为微分系数。
3.2 PID 控制器各校正环节的作用(1)比例控制（P ）：比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制的输出与偏差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
(2)积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与偏差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中步序引入“积分项”。
积分项对误差的累积取决于时间的积分。
随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。
比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
(3)微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例+微分的控制器，就能提前抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量严重超调。
只有三者协调作用，才能达到满意的控制效果。
因此，参数整定至关重要。
4 系统仿真通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟系统的响应曲线，以控制框图代替了程序的编写，只需要选择合适仿真设备，添加传递函数，设置仿真参数。
下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串级系统的设计方案是否合理。
4.1未校正系统的稳定性4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线根据未校正系统的开环传递函数可以画出系统的结构图。
系统结构图如图5所示。
我们也用MATLAB中的工具SIMULINK画出系统的结构图，同时仿真得到响应的阶跃响应曲线。
未校正系统的阶跃响应曲线如图6所示。
图5未校正系统结构图图6未校正系统的阶跃响应曲线从图 6未加校正双容水箱水位控制系统阶跃响应曲线可以看出系统不稳定。
4.1.2 绘制Bode、Nyquist图编写程序：n1=0.519;d1=[108 1];g1=tf(n1,d1,'inputdelay',5);%上水箱开环传递函数g01=feedback(g1,1);%上水箱闭环传递函数n2=0.461;d2=[100 1];g2=tf(n2,d2,'inputdelay',10);%下水箱传递函数gc=g01*g2%串级控制系统开环传递函数figure(1)bode(gc)%bode图figure(2)nyquist(gc)figure(3)step(feedback(gc,1))%单位负反馈系统阶跃响应-250-200-150-100-50Ma g n i t ud e (dB)1010101010-2.9491-1.4746P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/s)图7未校正的Nyquist DiagramReal AxisI m a g i n a r yA x is 系统的Bode 图图8 未校正系统的Nyquist 图Step Response Time (seconds)A m p l i t u d e0.020.040.060.080.10.120.14System: untitled1Rise time (seconds): 234System: untitled1Settling time (seconds): 405System: untitled1P eak amplitude: 0.136Overshoot (%): 0.0359At time (seconds): 676System: untitled1Final value: 0.136图9 未校正系统的单位阶跃响应曲线由图7、8、9也可以看出系统处于非稳定状态。