计算机控制课设MATLAB实现锅炉汽包水位控制系统的仿真

### MATLAB 实现锅炉汽包水位控制系统的仿真

#### 创建模型结构
为了模拟锅炉汽包水位控制系统，在MATLAB/Simulink环境中构建动态系统模型是常见做法。Simulink提供了图形化界面来搭建复杂的控制系统，使得设计者可以直观地连接各个模块并定义参数。

% 打开新的Simulink模型窗口
new_system('BoilerWaterLevelControl');
open_system('BoilerWaterLevelControl')

#### 定义物理过程方程
对于锅炉中的水位变化可以用一阶线性微分方程表示：

\[ \frac{dL}{dt} = K_f (F_{in}- F_{out}) - K_d L \]

其中 \( L(t) \) 表示时间 t 的液面高度；\( F_{in}(t), F_{out}(t)\) 分别代表流入量和流出量；而 \(K_f\) 和 \(K_d\) 则分别是流量系数与排水阻力因子[^1]。

#### 设计控制器算法
PID 控制器因其简单有效被广泛应用于工业自动化领域内作为反馈调节机制的一部分。这里采用标准 PID 形式:

\[ u(t)=K_p e(t)+\int_0^te(\tau)d\tau+\frac{{de}}{{dt}} \]

通过调整比例增益 \(K_p\)、积分时间和微分作用强度三个主要参数可优化性能表现[^2]。

#### 编写S函数实现自定义逻辑
如果现有库无法满足特定需求，则可以通过编写 S 函数来自定义组件行为。下面是一个简单的例子展示了如何创建一个用于计算给定输入信号导数的子系统。

#define S_FUNCTION_NAME derivative_calculator
#define S_FUNCTION_LEVEL 2

#include "simstruc.h"

static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S){
    ssSetNumSFcnParams(S, 1);
    if (!ssSetNumInputPorts(S, 1)) return;
    if (!ssSetNumOutputPorts(S, 1)) return;
}

// ...其他必要的初始化设置...

static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid){
    InputRealPtrsType uPtrs = ssGetInputPortSignalPtrs(S,0);
    real_T* y=ssGetOutputPortSignal(S,0);

    /* 计算输出 */
    double prev_input=*uPtrs; // 获取当前时刻输入值
    static double last_input=0.0; // 上次保存的状态变量
    double delta_t=(double)(mxGetTs(S)); // 时间步长
    
    *y=(prev_input-last_input)/delta_t;

    last_input=prev_input;
}

上述C++代码片段实现了基本的一阶差分运算功能，并将其封装成可以在 Simulink 中调用的形式[^3]。