用python写一个蒸汽发生器水位pid控制系统并绘图

好的，下面是一个基于PID算法的蒸汽发生器水位控制系统的Python代码示例：

import random
import matplotlib.pyplot as plt

class SteamGenerator:
    def __init__(self, max_level, kp, ki, kd):
        self.max_level = max_level
        self.level = 0
        self.is_on = False

        self.kp = kp
        self.ki = ki
        self.kd = kd

        self.set_point = 50
        self.error = 0
        self.prev_error = 0
        self.integral = 0
        self.derivative = 0

        self.time = []
        self.level_data = []
        self.set_point_data = []

    def turn_on(self):
        self.is_on = True
        print("Steam generator turned on.")

    def turn_off(self):
        self.is_on = False
        print("Steam generator turned off.")

    def generate_steam(self):
        if self.is_on and self.level > 0:
            print("Steam generated.")
        else:
            print("Steam generator is off or water level is too low.")

    def adjust_water_level(self, level):
        if self.is_on:
            if level > self.max_level:
                self.level = self.max_level
            elif level < 0:
                self.level = 0
            else:
                self.level = level

            self.error = self.set_point - self.level
            self.integral += self.error
            self.derivative = self.error - self.prev_error

            output = self.kp * self.error + self.ki * self.integral + self.kd * self.derivative
            self.prev_error = self.error

            if output > 100:
                output = 100
            elif output < 0:
                output = 0

            print("Water level adjusted to {}.".format(self.level))
            print("Controller output: {:.2f}".format(output))

            self.time.append(len(self.time))
            self.level_data.append(self.level)
            self.set_point_data.append(self.set_point)

            return output

        else:
            print("Steam generator is off.")
            return 0

if __name__ == '__main__':
    generator = SteamGenerator(100, 0.5, 0.05, 0.05)
    generator.turn_on()

    for i in range(100):
        # 模拟水位传感器检测到的水位数值
        water_level = random.randint(0, 150)

        # 控制水位
        output = generator.adjust_water_level(water_level)

        # 生成蒸汽
        generator.generate_steam()

        # 绘制水位曲线和设定值曲线
        plt.plot(generator.time, generator.level_data, 'b-', label='Water Level')
        plt.plot(generator.time, generator.set_point_data, 'r--', label='Set Point')
        plt.legend(loc='upper left')
        plt.xlabel('Time')
        plt.ylabel('Water Level')
        plt.title('Steam Generator Water Level Control')
        plt.pause(0.01)

        # 关闭蒸汽发生器
        if i == 50:
            generator.turn_off()

    plt.show()

这个代码示例中，我们在 `SteamGenerator` 类的构造函数中添加了PID控制器的参数：比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd。我们还添加了设定值`set_point`、误差`error`、上次误差`prev_error`、积分项`integral`和微分项`derivative`，用于计算控制器的输出。我们还添加了 `time`、`level_data` 和 `set_point_data` 三个列表，用于记录每次水位控制的时间、水位数值和设定值。

在 `adjust_water_level` 方法中，我们首先计算误差、积分项和微分项，并根据控制器的参数计算输出。然后，我们对输出进行限幅处理，将其限制在0到100之间。最后，我们更新误差和时间，将水位数值和设定值添加到对应的列表中，并返回输出值。

在主程序中，我们创建了一个 `SteamGenerator` 对象，并设置了PID控制器的参数。接着，我们开启蒸汽发生器，并进入一个循环中模拟水位传感器的检测过程。我们使用 `random` 模块来模拟水位传感器随机检测到的水位数值，并将其作为参数传递给 `adjust_water_level` 方法来调整蒸汽发生器的水位，并获取控制器的输出。我们在每次循环中调用 `generate_steam` 方法来生成蒸汽，并使用 `matplotlib` 模块绘制水位曲线和设定值曲线。在第50次循环时，我们关闭了蒸汽发生器。最后，我们调用 `plt.show()` 方法显示绘制的曲线。