经过反复筛选，最终确定值为，值取之间基本能达到最好的效果。水位变化为到，到，到，到，截图如下到到到到到到到到到到到分析将上述实验过程的数据列成表格如下，数据从左至右为调整水位的动态过程，例如第行，当水位位于时，设定目标值，水位最高超调到达，然后回落至附近。参数超调点超调点超调点超调点可见，虽然在稳态时的性能已经能达到要求，但是系统的动态特性却不尽如人意，尤其是在水位大范围变动时，超调严重。参数的调节方法已经达到较好，说明问题可能出在算法自身或者是驱动器的可利用调节范围上面。通过这两种方式，有可能使动态性能达到最佳化。算法的研究与改进算法的选择算法多种多样，不同的算法对应解决不同的问题，应用于不同的领域。在对水箱的控制过程中，水位从高水位回落时，原始的运算控制量会呈现线性趋势即偏差存在的时间越长，控制量就越发加大，水位回落过程中，控制量会出现负值，而实验的所有数据转换都进行了归化处理，即保证对应有效的控制电压，所以当水位回落至要求的高度时，控制量开始从负值增加，而从负值增加到的这段时间属于无效控制，即饱和的现象。从的控制性质来看，这种问题是由于控制中积分环节的积累作用导致的。偏差存在时间越长，积分积累的作用就越明显，进入饱和状态的时间也越长，从而导致系统控制性能恶化。这种现象又称为积分饱和现象。当明确了控制性能上的问题之后，随即进行了算法的改进。抗积分饱和的算法有很多种，如积分分离，积分反馈，变速积分，梯形积分等等。后来从应用上考虑，选择了积分分离和积分反馈两种算法进行实验。积分分离算法的实验算法介绍所谓切除没有作用的电机运转死区种意义上类似于积分的饱和区，可以从硬件上优化控制的效果，使系统控制更加灵敏。测定电机运转临界点的实验实验思路利用编写个程序，使电机电压从开始提升，电机临界出水点时记录相应进制数据，最后换算为实际电压。实验方法编程将电压上升时间分割为个增加点，每加利用西门子提供的表格已后台编程读取数据库数据，再由绘制出驱动器特性曲线，进而找到临界运转点，从而调整原程序。实验结果电机驱动特性图上升电机驱动特性图下降通过实验中取得的电机临界数据，可以得到大概的临界启动值为，即。程序改进在中详细的叙述了编程的思路和原理，整个数据的对应关系如下图运算值模块区间限制数字量控制电压为了达到切除死区的效果，改变模块的区间值即可实现，即将的区间改为到。因为各个部分都是线性对应关系，所以根据已经算出来的启动点，利用简单的比例关系即可得到所需要调整的数值。具体过程如下设对应换算得到根据线性对应关系可以计算得到经过这样的修改，运算值传送到的时候就对应到了，使得可控有效区间达到最大化，切除无效死区。改进后的对应关系如下最小值最大值入出控制电压可见，控制电压的区间变为到，舍去了到的不可控区间，提高了系统的反应速度。最佳化方案实验结果参数选择，，，，模块截图实验效果图使用了最终版本的监控界面，调节监控体化，稍加美观修饰水位初始值为。可见动态效果非常好，稳态效果也不错。水位初始值为由实际硬件所限不能到达，只能接近水位初始值为水位初始值为水位初始值为积分分离，就是在被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分的作用使系统的稳定性降低，超调量增大。当被控量接近目标值时，从新引入积分控制，以便消除稳态误差。搭建的仿真模块如下图仿真模块说明中间部分如介绍，即为搭建的模块，其关键是利用模块，当第二通路的值大于设定值时，接通第通路，即去掉了积分作用。当第二通路小于设定值时，接通第三通路从新引入积分作用。实验结果进行了几组实验，部分截图如下可见动态效果得到明显改善，但是对于有些位置的控制很难保证，若过晚的引入积分作用，因为只有比例作用的存在，使系统稳定在稳态误差位置不再变化，或者比例作用过强而进入振荡状态。而过早的引入积分作用，又会使饱和作用抑制的不够完全，恶化系统的动态性能。平衡点的选取很难把握，所以最终放弃了这种算法。积分反馈算法的实验算法介绍所谓积分反馈，就是对积分本身引入反馈，使的运算过程能够快速脱离饱和区甚至是不进入饱和状态。进入饱和区越深，反馈作用越明显，形成种弹性控制效果，保证系统的快速反应能力。而在非饱和区运行时，积分反馈效果为，即为般控制。搭建的仿真模块如下图仿真模块说明积分的反馈量来自于限幅模块将运算结果归到之间，小于时输出，大于时输出的两端，将他们的差值进行定的增益后反馈给积分环节，从而达到抗积分饱和的效果。在文献中，积分反馈的增益称为，即为四个参数的控制。同时，在水位较低的区间，积分积累的时间较短水位上升快，应选用较小的积分反馈的增益，避免过快的退出满运行状态，使调节时间增大。而在水位较高的区间，积分积累的时间较长水位上升慢，应选用较大的积分反馈的增益，避免积分退出饱和区过慢，产生大的超调，调节时间增长。根据这思路，对上述的模块进行微小的改进，重新搭建的模块如下图所示通过引入个复合开关模块实现要求，模块是由第二通道作为选择开关，当满足的内部设置条件时，开关接通通道不满足条件时开关则接通三通道。如图所示，条件即为二通道的输入大于，也就是实时水位大于。经过在线调整之后，得出的效果较好的控制参数如下实验结果进行了几组实验，部分截图如下利用积分反馈的方法达到了相当好的控制效果，动态性能改善显著。驱动器特性研究及控制改进问题简述与改进思路在上文中提到过，控制量的输出为，系统的有效输出电压为，理论上有效的控制范围即为。但是电机实际运转起来的临界控制电压并不是，并且不同的驱动器又有着不同的控制效果，导致电机的临界启动点各不相同。针对这个问题，如果可以找到驱动器驱动电机运转的临界点，并以此通过程按钮，新建仿真界面，在模块库中找到，将模块拉入界面中。模块说明建立通讯的组态模块，设置服务器的相关选项，模块搭建时不参与连线。读取变量模块，用于从读取水位数据。写变量模块，用于将运算值传送回并以此控制电机的运转。双击模块，在弹出的对话框中，单击按钮，在弹出的对话框中选择按钮，再单击按钮，找到，单击。单击按钮，即可与相连接。双击模块，在弹出的对话框中选择服务器，修改采样时间为，之后单击，在相应菜单中即可找到中关于水位的内部变量，选中即可。这步实质上就是和关于相应变量进行对接的过程。如下图所示选择服务器，添加变量，修改采样时间双击模块，与模块的修改方式相同，选择服务器，添加变量，修改该采样时间，使控制输出量与电机驱动变量实现对接。选择服务器，添加变量，修改采样时间在完成了通讯的基本准备后，只需要搭建起控制部分的模型就可以了。根据自动控制原理的基本知识，对于单个输入，单个输出的系统，搭建其闭环反馈控制模型如下目标水位与实际水位的差值构成输入，经过控制器之后输出，通过限幅模块给电机从而调整水位达到目标值。由于运算的数值没有个固定的范围，所以通过限幅模块将输出归化为，当运算值小于时均输出，大于时均输出与构成个实际上存在的反馈环，实现系统的闭环控制。本系统最后的算法并不是简单的普通控制，关于算法的研究在第三部分进行详细的说明。算法及参数整定的研究与实验控制原理与参数整定方法控制简介在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称控制，又称调节。控制器问世至今已有近年历史，它以其结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型与传递函数时，亦或控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用控制技术最为方便。即当我们不完全了解个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合控制技术。控制原理控制，实际中也有和控制。控制器就是根据系统的误差，左右，存在稳态误差。水位稳定在左右，亦存在稳态误差，但比时稳态误差要小。水位值在目标值附近震荡，说明过大会导致严重超调，且无法进入稳态。震荡进步严重。实验结论可见，在只有比例作用时，系统存在稳态误差，而随着比例作用的增强，系统会出现严重超调甚至是震荡，所以单独的比例控制很难保证系统的控制效果，需要加入其他的控制方式。积分环节算法选择自带普通实验方法通过的不同大小来反映其对系统的影响实验取样值分别取，起始水位，水位目标实验截图加入定的积分作用后，稳态误差消除，系统反应较好，没有过大超调。增大积分作用，系统反应速度减慢峰值达到，调节时间增长。系统反应速度进步减慢峰值达到，调节时间非常长。实验结论由实验可以看出，积分环节可以有效的消除稳态误差，但是当积分环节的作用过强时，系统响应速度会变慢，调节时间过长，这显然是不符合要求的。所以需要利用比例环节和积分环节的配合，来达到系统所要求的目标，个水箱环节用比例与积分的作用就可以达到比较满意的控制效果。微分环节算法选择自带普通实验方法通过的不同大小来反映其对系统的影响实验取样值分别取，起始水位，水位目标实验截图在只有比例和积分的作用时，系统没有过大的超调，但是调节时间较长。实验结论由实验可以看出，微分项对系统的动态性能有修正的作用，可以使系统提前对误差作出反应，避免出现较大的超调。但是当微分作用过强时会影响积分的作用时间，使系统离目标水位还有定距离的时候就开始减缓上水速度，影响工作效率。实际调节时，微分仅用来进行微调整，不作为主要的控制手段。对控制系统参数的整定整定思路与具体方法思路在明确了各个参数的实际作用后，按照先后最后的般顺序进行整定。由于系统本身的数学模型并不知道，所以采用工程整定的方式，系统保持运行状态，在线整定。具体方法确