程序仿真的系统结构如下
软件界面如下
第一张图为执行机构的输出u的变化曲线（第一个水箱的进水量）
第二张图为第一个水箱（上水箱）的水位变化曲线
第三张图为第二个水箱（下水箱）的水位变化曲线
控制面板如下
设定值默认为10
默认为自动控制，点击手动控制按钮后，控制对象的输入u不会自动变化。
手动控制切换自动控制未作无扰切换处理
输入有限幅0~20，有抗积分饱和处理
python版本3.4.3，matplotlib版本1.5.1，numpy版本1.11.0
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import time
import threading
import tkinter
method=1 #method为1时自动控制，为其他值时手动控制
sp=10 #设定值
T1=10 #第一个水箱的参数
T2=20 #第二个水箱的参数
k1=1.5 #第一个水箱的参数
k2=1.2 #第二个水箱的参数
deltat=0.05 #仿真的步距
showt=0.5 #显示的步距
#pid控制参数
kp=2
ki=0.05
kd=0
#输出限幅
umax=20
umin=0
#初始化
y1=0 #第一个水箱的初始水位
y2=0 #第二个水箱的初始水位
t=0 #运行的时间
i=0
u=1 #第一个水箱的进水量
#三个显示窗口的设置
p1=plt.subplot(3,1,1)
p1.set_title('inflow u')
p2=plt.subplot(3,1,2)
p2.set_title('water level y1')
p3=plt.subplot(3,1,3)
p3.set_title('water level y2')
plt.plot(0,0)
def loop():
global y1,y2,t,i,u,sp
Y1=[y1]
Y2=[y2]
T=[t]
U=[u]
xi=0
e0=0
while True:
i=i+1
t=t+deltat
#输出限幅
if u<umin:
u=umin
if u>umax:
u=umax
#控制对象仿真
y1=(k1*u-y1)/T1*deltat+y1
y2=(k2*y1-y2)/T2*deltat+y2
T+=[t]
Y1+=[y1] #记录下第一个水箱的历史水位
Y2+=[y2] #记录下第二个水箱的历史水位
U+=[u] #记录下历史输入
if showt/deltat<=i :
i=0
if method==1:
#pid控制算法
e=sp-y2
xp=kp*e
xi=xi+ki*e
xd=(e-e0)*kd/showt
e0=e
u=xp+xi+xd
#抗积分饱和
if xp+xi>umax:
xi=umax-xp
if xp+xi<umin:
xi=umin-xp
p1.plot(T,U)
p2.plot(T,Y1)
p3.plot(T,Y2)
p3.set_xlabel('y2=%.2f' %y2)
plt.draw()
time.sleep(showt)
def gui():
global entrysp,entryu
root=tkinter.Tk()
framesp=tkinter.Frame(root)
frameu=tkinter.Frame(root)
frameam=tkinter.Frame(root)
labelsp=tkinter.Label(framesp,text='设定值')
labelu=tkinter.Label(frameu,text='输入u ')
entrysp=tkinter.Entry(framesp)
entryu=tkinter.Entry(frameu)
buttonsp=tkinter.Button(framesp,text='更改',command=gui_sp)
buttonu=tkinter.Button(frameu,text='更改',command=gui_u)
buttonm2a=tkinter.Button(frameam,text='自动控制',command=gui_m2a)
buttona2m=tkinter.Button(frameam,text='手动控制',command=gui_a2m)
framesp.pack()
frameu.pack()
frameam.pack()
labelsp.pack(side='left')
entrysp.pack(side='left')
buttonsp.pack(side='left')
labelu.pack(side='left')
entryu.pack(side='left')
buttonu.pack(side='left')
buttonm2a.pack(side='left')
buttona2m.pack(side='left')
root.mainloop()
def gui_sp():
global sp
strsp=entrysp.get()
sp=float(strsp)
def gui_u():
global u
stru=entryu.get()
u=float(stru)
def gui_m2a():
global method
method=1
def gui_a2m():
global method
method=0
threading.Thread(target=loop,args=()).start()
threading.Thread(target=gui,args=()).start()
plt.show()