三容水箱液位控制完整系统的PID

目录

目录1

摘要3

第一章 概论5

1.1 课题来源5

1.2 水箱控制策略的研究6

1.3 本文研究课题6

第二章 三容水箱系统简介及数学模型8

2.1 三容水箱系统的总体结构及工作原理8

2.1.1 三容水箱试验系统的总体结构8

2.1.2 三容水箱试验台控制结构的组成9

2.1.3 单入单出一阶对象的结构10

2.2 三容水箱系统的特点10

2.3 实验建模法推导三容水箱系统的数学模型11

2.4 系统的性能分析13

2.5 本章小结15

第三章 基于三容水箱系统的PID控制算法研究16

3.1 PID控制原理简介16

3.2 基于Z-N的算法实现17

3.2.1 数字PID控制算法简介18

3.2.2 积分分离PID控制算法19

3.2.3 基于Z-N整定法的Kp、Ki、Kd控制参数整定20

3.3 基于遗传算法的PID控制的设计24

3.3.1 遗传算法简介24

3.3.2 基于遗传算法PID参数整定的算法设计26

3.4 适应度目标函数讨论33

3.5 基于自适应遗传算法改进的PID参数整定34

3.5.1 自适应遗传算法34

3.5.2 基于自适应遗传算法求解最优化模型36

3.6 基于自适应遗传算法的改进38

3.7 本章小结40

第四章 总结41

4.1 结论41

4.2 后续工作41

参考文献42

致谢43

附录1 常规遗传算法PID整定程序44

附录2 计算目标函数值的子程序chap5-3f.m48

附录3 基于自适应遗传算法的PID整定程序50

附录4 快速仿真曲线程序56

摘要

三容水箱系统是工业过程控制中许多被控对象的典型抽象模型，在非线性、大惯性过程控制研究应用中具有广泛代表性。近年来国内外许多学者对三容水箱系统的建模方法、控制算法及故障诊断等方面进行了探讨。进一步研究三容水箱系统的控制算法并构建现代实验教学系统，在工业控制领域和工程控制论教学中都具有较为重要的理论和实际应用价值。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。本文旨在充分发挥遗传算法的特点，提高PID控制系统设计和控制品质。首先采用实验建模法推导了三容水箱的数学模型，然后根据上述模型在三容水箱中应用了两种PID控制策略：基于自适应遗传算法的PID控制和基于自适应遗传算法的改进快速PID控制算法。对于两种PID控制策略来说，最关键的部分在于如何优化控制器参数，在文中采用了遗传算法这一新型的优化搜索方法，仿真研究结果表明，改进算法能够明显改善系统的动、静态性能，可获得较为理想的控制效果。

关键词 三容水箱系统；数学模型；自适应遗传算法；基于自适应遗传算法的改进快速PID控制算法

ABSTRACT

Three-tank system is a typical and nonobjective model of many objects in industrial process control,and the system is broadly representative in the research of non-linear and inertial process control.In recent years,many scholars in home and abroad have explored the mehhod of modeling,control algorithm and diagnosis of faults etc…It has true values of theoretics and pratical application in the field of industrial control and the teaching of Engineering Control Theory to further research on the control algorithm of three-tank system and the construction of experiment teaching system. PID controller is one of the earliest developed control strategy.PID controller has been applied on industrial control extensively because of its simple algorithm 、good ro