水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用

2、水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位（水位）進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定

3、、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。</p><p>　　水箱液位控制系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的平臺(tái)，可以方便地構(gòu)成一階系統(tǒng)對(duì)象（雙容水箱）和兩階系統(tǒng)對(duì)象（三容水箱）。用戶可通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。各種控制器的控制效果通過水位的變化直觀地反映出來，同時(shí)通過液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指

4、標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。開放的控制器平臺(tái)，便于用戶進(jìn)行自己的控制器設(shè)計(jì)，滿足創(chuàng)新研究的需要。</p><p>　　本人設(shè)計(jì)的水位控制系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、電動(dòng)機(jī)等配件構(gòu)成；操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，可擴(kuò)展行強(qiáng)，這種系統(tǒng)不僅適用于農(nóng)業(yè)和生活用水的控制，也適用于工業(yè)上的液位控制和馬桶的給水控制。</p><p><b>　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理</b></p>&

5、lt;p>　　1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　自動(dòng)控制原理是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。</p><p>　　（1）自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制對(duì)象和制動(dòng)控制設(shè)備組成。即由控制對(duì)象、傳感器、控制器和執(zhí)行器所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。下圖(1-1)

6、是一個(gè)典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能框圖。 </p><p>　　圖1-1液位控制系統(tǒng)功能框圖</p><p>　?。?）所謂控制對(duì)象是指所需控制的機(jī)器、設(shè)備、或生產(chǎn)過程。</p><p>　　（3）被控參數(shù)是所需控制和調(diào)節(jié)的物理量或狀態(tài)參數(shù)化，即控制對(duì)象的輸出信號(hào)，如房間溫度、水箱水位。</p><p>　?。?）被控參數(shù)的預(yù)定值（或理想值）

7、稱為給定值 （設(shè)定值）。給定值與被控參數(shù)的測(cè)量值之差稱為偏差。</p><p>　?。?）擾動(dòng)是指除給定輸入之外，對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)的總稱。</p><p>　　（6）傳感器是指把被控參數(shù)成比例地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌锢砹啃盘?hào)（如電阻、電勢(shì)、電流、氣壓、位移）的元件或儀表，如熱電阻、熱電偶等，如果傳感器所發(fā)出的信號(hào)與后面控制所要求的信號(hào)不一致時(shí)，則需要增加一個(gè)變送器，將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成后

8、面所要求的信號(hào)。</p><p>　?。?）控制器是指將傳感器送來的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果的偏差大小，</p><p>　　按照預(yù)定的控制規(guī)律輸出控制信號(hào)的原件或儀表。</p><p>　?。?）執(zhí)行器是動(dòng)力部件，它根據(jù)控制器送來的控制信號(hào)大小改變調(diào)節(jié)閥的開度，對(duì)控制對(duì)象施加控制作用，使被控參數(shù)保持在給定值。</p><p>　　

9、1.2 水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　水箱尺寸：長(zhǎng)×寬×高=25×20×40 </p><p>　　液位控制系統(tǒng)由被控水箱1、蓄水箱2</p><p>　　液位檢測(cè)儀表差壓變送器LT、控制器LC、執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）等組成。如圖(1-2)所示。</p><p>　　圖1-2水箱液位自動(dòng)控制

10、原理圖</p><p>　　1.3水箱液位控制系統(tǒng)的控制理論</p><p>　　1.3.1經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論</p><p>　　控制理論一般分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。</p><p>　　經(jīng)典控制理論最初稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，適用于較簡(jiǎn)單系統(tǒng)特定變量的調(diào)節(jié)。隨著后期現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)，故改稱為經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論以

11、傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具研究單輸入、單輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法。主要研究方法有時(shí)域分析法、根軌跡法和頻率特性法。　　</p><p>　　現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是空間技術(shù)和各類高速飛行器的發(fā)展，使各受控對(duì)象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，要求控制理論解決動(dòng)態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時(shí)變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。此外，對(duì)控制性能的要求也在逐步提高，很多情況下要求系統(tǒng)的某種性能是最

12、優(yōu)的，而且對(duì)環(huán)境的變化要有一定適應(yīng)能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無(wú)法解決的，這同時(shí)也為現(xiàn)代控制理論的形成創(chuàng)造了條件。</p><p>　　現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時(shí)域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的，它不用傳遞函數(shù)，而是用狀態(tài)向量方程作基本工具，從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)表達(dá)方式，因此原則上可以分析多輸入多輸出、非線形以及時(shí)變系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.2 反饋控制原理</p>&

13、lt;p>　　通常，我們把取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減，是產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。反饋控制就是采用負(fù)反饋并利用偏差進(jìn)行控制的過程，而且，由于引入被控量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合過程，因此反饋控制也稱閉環(huán)控制。</p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控對(duì)象施加的控制作用，是取自被控量的反饋信

14、息，用來不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，也可以要求按照某個(gè)給定規(guī)律運(yùn)行；而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于反饋控制原理組成的反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

15、，推動(dòng)了控制理論的發(fā)展，而自動(dòng)控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進(jìn)一步完善，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于科技、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。</p><p>　　近年來，控制科學(xué)的范圍還擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)領(lǐng)域，并為個(gè)學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作用，可以毫不夸張的講，自動(dòng)控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會(huì)的不可缺

16、少的組成部分。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程自動(dòng)化，從而提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，改善勞動(dòng)條件，而且在人類探索新能源，發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類社會(huì)文明等方面都具有十分重要的意義。</p><p><b>　　2 過程控制系統(tǒng)</b></p><p>　　2.1過程控制系統(tǒng)的定義與應(yīng)用</p><p>　　過程控制系統(tǒng)以

17、表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這里“過程”是指生產(chǎn)裝備或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、也為、成分、濃度等。通過對(duì)過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的參量增加、質(zhì)量提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。</p><p>　　過程控制在石油、化工、電力、冶金等部門有廣泛的應(yīng)用。

18、20世紀(jì)50年代，過程控制主要用于使生產(chǎn)過程中的一些參量保持不變，從而保證產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。60年代，隨著各種組合儀表和巡回檢測(cè)裝置的出現(xiàn)，過程控制已開始過渡到集中監(jiān)視、操作和控制。70年代，出現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動(dòng)化相結(jié)合的多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。80年代，過程控制系統(tǒng)開始與過程信息系統(tǒng)相結(jié)合，具有更多的功能。</p><p>　　2.2過程控制系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　隨著人

19、們物質(zhì)生活水平的提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量和功能也向更高的檔次發(fā)展，制造產(chǎn)品的工藝過程變得越來越復(fù)雜，為滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，以及安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，做為工業(yè)自動(dòng)化重要分支的過程控制的任務(wù)也愈來愈繁重。 </p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)控制中,過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì)30 年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控

20、制時(shí)期內(nèi)，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。幾十年來，工業(yè)過程控制取得了驚人的發(fā)展，無(wú)論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過程改造中，過程控制技術(shù)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。 </p><p>　　目前，過程控制正朝高級(jí)階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化

21、、智能化方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。 </p><p>　　本期中國(guó)重型機(jī)械研究院自動(dòng)化研究所米進(jìn)周和高朝波撰寫的《連鑄過程控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用》詳細(xì)闡述了作為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化管理重要組成部分的連鑄過程控制系統(tǒng)，集成了先進(jìn)的工藝數(shù)學(xué)模型

22、和控制技術(shù)，使鑄坯質(zhì)量得到極大提高、生產(chǎn)管理更加方便，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)展前景十分廣闊。 </p><p>　　除此之外，還有關(guān)于回轉(zhuǎn)窯PLC控制系統(tǒng)、煤礦礦車刷洗系統(tǒng)、煙機(jī)電控系統(tǒng)等過程控制系統(tǒng)的介紹以饗讀者。 </p><p>　　2.3過程控制系統(tǒng)建模概念及基本方法</p><p>　　第一點(diǎn)要確定明確的輸入量與輸出量；第二點(diǎn)要有先驗(yàn)知識(shí)；第三點(diǎn)要有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

23、。 過程控制系統(tǒng)建模的兩種基本方法</p><p>　　1、機(jī)理法建模 用機(jī)理建模法就是根據(jù)生產(chǎn)中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，如物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動(dòng)量平衡方程以及反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反映等基本規(guī)律的方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性非常等，從中獲得所需要的數(shù)學(xué)模型。 </p><p>　　2、測(cè)試法建模 測(cè)試法一般只用于建立輸入——輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)

24、過程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。</p><p>　　3系統(tǒng)控制要求及指標(biāo)</p><p>　　3.1水箱液位控制系統(tǒng)的指標(biāo)</p><p>　　液位L=30cm(可任意設(shè)置)</p><p>　　穩(wěn)態(tài)誤差ess（余差）≤±5mm</p><p>　　過度時(shí)間ts≤4分鐘</p&

25、gt;<p><b>　　衰減比n＞4:1</b></p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過度到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動(dòng)作用又重新平衡后，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差記作 ess（Steady-State Errors）</p><p>　　在規(guī)定條件下激勵(lì)時(shí)，在繼電器的組成和形式相同的觸點(diǎn)中、動(dòng)作最快的觸點(diǎn)的最小動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作最慢的觸

26、點(diǎn)的最大動(dòng)作時(shí)間之差叫過渡時(shí)間。</p><p>　　衰減比n是衡量過度過程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它是指過度過程曲線第一個(gè)波峰值與同相位第二個(gè)波峰值之比。</p><p>　　3.2對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　(1) 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)的被控制量偏離了原來的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)撤離后，經(jīng)

27、過若干時(shí)間，系統(tǒng)若仍能返回到原來的平衡狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。</p><p>　　(2) 準(zhǔn)確性：由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)控制精度的重要標(biāo)志。給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示穩(wěn)態(tài)精度也越高。</p><p>　　(3)快速性：控制系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)

28、的響應(yīng)具有一定的快速性，對(duì)于某些系統(tǒng)來說，這是一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時(shí)間﹑調(diào)整時(shí)間和峰值時(shí)間來表示。</p><p>　　自動(dòng)控制的基本要求是它的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指自動(dòng)控制系統(tǒng)在外界干擾作用下，過度過程能否達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的性能，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度用衰減比n或衰減率來衡量。</p><p>　　用衰減比n判斷控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定及克服干擾恢復(fù)平衡的快

29、慢程度。N＜1時(shí)，系統(tǒng)為發(fā)散震蕩，不穩(wěn)定；n=1時(shí)，系統(tǒng)為等副震蕩，也不穩(wěn)定;n＞1時(shí)，系統(tǒng)為衰減震蕩，是穩(wěn)定過程。N太大，系統(tǒng)不靈敏，所以系統(tǒng)要工作在正常狀態(tài)下，一般n=4～10時(shí)。</p><p>　　3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式</p><p>　　3.3.1 開環(huán)控制方式</p><p>　　開環(huán)控制方式是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有方向

30、聯(lián)系的控制過程，按照這種防止組成的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。開環(huán)控制系統(tǒng)可以按給定量控制方式組成，也可以按擾動(dòng)控制方式組成。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序控制機(jī)床。 </p><p>　　圖3-1 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)）</p><p>　　系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對(duì)應(yīng)，但是不具有修正由于

31、擾動(dòng)而出現(xiàn)的被控制量希望值與實(shí)際值之間誤差的能力。</p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，工作穩(wěn)定。但開環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控制量的誤差、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化以及外來未知干擾都會(huì)影響系統(tǒng)精度的。</p><p>　　3.3.2 反饋控制方式</p><p>　　反饋控制方式又稱閉環(huán)控制方式是按偏差進(jìn)行控制得當(dāng)，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差

32、時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于一致。可以說，按反饋控制方式組成的反饋控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也比較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的控制方式，自動(dòng)控制理論主要的研究對(duì)象就是用這種控制方式組成的系統(tǒng)。</p><p>　　系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反

33、饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)?！伴]環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p小系統(tǒng)誤差。</p><p>　　圖3-2微型計(jì)算機(jī)機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）</p><p>　　在圖中，引入了反饋測(cè)量元件，閉環(huán)控制系統(tǒng)由于有“反饋”作用的存在，具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏差的能力，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，所以其控制效果好，精度高。閉環(huán)控制系統(tǒng)不足之處，除了結(jié)

34、構(gòu)復(fù)雜，成本較高外，一個(gè)主要的問題是由于反饋的存在，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)“振蕩”。</p><p>　　3.3.3 復(fù)合控制方式</p><p>　　復(fù)合控制是閉環(huán)控制和開環(huán)控制相結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)控制等基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾信號(hào)的補(bǔ)償控制，以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 </p><p>　　圖3-3復(fù)合控制系統(tǒng)框圖</p><p>

35、　　增加干擾信號(hào)的補(bǔ)償控制作用，可以在干擾對(duì)被控量產(chǎn)生不利影響所同時(shí)及時(shí)提供控制作用以抵消此不利影響。純閉環(huán)控制則要等待該不利影響反映到被控信號(hào)之后才引起控制作用，對(duì)干擾的反應(yīng)較慢。兩者的結(jié)合既能得到高精度控制，又能提高抗干擾能力。</p><p>　　3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類</p><p>　　3.4.1按輸入量變化的規(guī)律分類</p><p>　　恒值控制系統(tǒng)

36、——系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。 隨動(dòng)系統(tǒng)——輸入量是變化著，并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。 程序控制系統(tǒng)——輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量迅速、準(zhǔn)確的加以復(fù)現(xiàn)。</p><p>　　3.4.2按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類 連續(xù)控制系統(tǒng)——各元件的輸入量與輸出量都是連續(xù)量或模擬量。 通常用微分方程來描述。 離

37、散控制系統(tǒng)——系統(tǒng)中有的信號(hào)是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。通常用差分方程來描述。</p><p>　　3.4.3按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類</p><p>　　線性系統(tǒng)——系統(tǒng)全部由線性元件組成，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來描述。 重要特性：可應(yīng)用疊加原理。</p><p>　　非線性系統(tǒng)——系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的，

38、這類系統(tǒng)就成為非線性控制系統(tǒng)，這時(shí)要用非線性微分（或差分）方程描述其特性。</p><p>　　3.4.4按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化情況分類</p><p>　　定常系統(tǒng)——系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化，它用定常微分方程來描述。</p><p>　　時(shí)變系統(tǒng)——系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間T的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而改變。</p><p><b>

39、;　　4 對(duì)象特征的求取</b></p><p>　　在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在靜態(tài)條件下，描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有分析法和實(shí)驗(yàn)法兩種。分析法是對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分

40、析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律分別列寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。電學(xué)中有基爾霍夫定律，力學(xué)中有牛頓定律，熱力學(xué)中熱力學(xué)定律等。實(shí)驗(yàn)法是人為地給系統(tǒng)施加某種測(cè)量信號(hào)，紀(jì)錄其輸出相應(yīng)。</p><p>　　4.1理論分析計(jì)算法</p><p>　　液位高度L為輸出變量，入水流量Q1為輸入量。</p><p>　　由物料平衡原理 &l

41、t;/p><p><b>　　A:水箱截面積 </b></p><p>　　增量式： （1）</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　定義： R液阻 </p><p>　　可

42、求得： </p><p>　　拉氏變換： AsL(s)+L(s)/R=Q1(S) </p><p>　　傳遞函數(shù)： </p><p>　　K ：放大倍數(shù)＝R 時(shí)間常數(shù) ：T＝RA</p><p><b>　　4.2實(shí)驗(yàn)測(cè)定法</b></p>

43、;<p>　　4.2.1 數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)法測(cè)定的主要方法</p><p>　　實(shí)驗(yàn)測(cè)定法一般只用于建立對(duì)象或系統(tǒng)的輸入-輸出模型。這種模型根據(jù)對(duì)象輸入和輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的，其特點(diǎn)是完全從外特征上測(cè)試和描述被測(cè)研究對(duì)象或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，可以不究其內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)理。在建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程中，其工作主要是確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。然而，許多工業(yè)對(duì)象結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工藝過程復(fù)雜，使得按對(duì)象內(nèi)部

44、發(fā)生的物理、化學(xué)過程確定對(duì)象及系統(tǒng)的微分方程十分困難。此外，應(yīng)用分析法確定被控對(duì)象及其控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，常采用一些假設(shè)和近似，對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象，其錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用可能會(huì)對(duì)近似確定的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生估計(jì)不到的影響。因此，即使在已用分析法得到數(shù)學(xué)模型的情況下，仍希望通過使用測(cè)定法加以驗(yàn)證。對(duì)于正常運(yùn)行中的控制系統(tǒng)或?qū)ο?，用?shí)驗(yàn)法測(cè)定其動(dòng)態(tài)特性時(shí)，對(duì)正常運(yùn)行中的控制系統(tǒng)或?qū)ο?，用?shí)驗(yàn)法測(cè)定其動(dòng)態(tài)特征時(shí)，對(duì)正常生產(chǎn)會(huì)有些影響，所得結(jié)果頗為粗略

45、，但仍不失為理解對(duì)象或系統(tǒng)的簡(jiǎn)易途徑，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較廣。</p><p>　　被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)特征，只有當(dāng)它們處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來，在穩(wěn)定狀態(tài)下是無(wú)法體現(xiàn)的。因此，為了獲取動(dòng)態(tài)特征，表現(xiàn)使被研究的過程處于被激勵(lì)的狀態(tài)。根據(jù)加入的激勵(lì)信號(hào)和結(jié)果的分析方法不同，測(cè)試動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)方法也不相同，主義有以下幾種：</p><p>　　(1)時(shí)域測(cè)定法：時(shí)域測(cè)定的主要過程是對(duì)于被測(cè)系統(tǒng)

46、或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動(dòng)輸入信號(hào)，而在輸出端測(cè)繪其輸出隨實(shí)間變化的響應(yīng)曲線；或者施加脈沖輸入，測(cè)繪輸出的脈沖曲線，再對(duì)響應(yīng)曲線的結(jié)果進(jìn)行分析，確定被研究對(duì)象的傳遞函數(shù)。時(shí)域測(cè)定法所采用的測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)試工作量小，因而應(yīng)用廣泛，但其測(cè)試精度不高。</p><p>　　(2)頻域測(cè)定法：頻域測(cè)定法的主要過程是對(duì)被研究對(duì)象施加不同頻率的正弦波，測(cè)出輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的幅值比和相位差，從而獲得被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο蟮念l域

47、特性。這種方法在原理和數(shù)據(jù)處理方面都比較簡(jiǎn)單，測(cè)試精度比時(shí)域法高，但需要采用專門的超低頻域測(cè)試設(shè)備，測(cè)試工作量較大。</p><p>　　(3)統(tǒng)計(jì)相關(guān)測(cè)定法：統(tǒng)計(jì)相關(guān)測(cè)定法的主要過程是對(duì)被研究施加某種隨機(jī)信號(hào)，根據(jù)被測(cè)對(duì)象各參數(shù)的變化，采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)法確定被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)特性。這種方法可以在被測(cè)系統(tǒng)或生產(chǎn)過程正常狀態(tài)下進(jìn)行在線辨識(shí)。測(cè)試結(jié)果精度較高，但要求采集大量測(cè)試數(shù)據(jù)，并需要相關(guān)儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處

48、理。</p><p>　　4.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)分析</p><p><b>　　初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：</b></p><p>　　DTL=3.5mA Q2=0.65kg/mm L1=15.7cm</p><p>　　輸入階躍變化則 DTL=5mA </p><p>　　響應(yīng)曲線如下（圖4-1

49、）：</p><p><b>　　圖4-1 響應(yīng)曲線</b></p><p><b>　　測(cè)得數(shù)據(jù)如下：</b></p><p>　　L2=25cm Q2=0.91kg/min Q2max=1.5kg/min</p><p>　　L=30cm Q=1.1kg/min<

50、/p><p><b>　　可求得：</b></p><p>　　T=AR=0.2×0.25×0.362=18分鐘</p><p>　　對(duì)象特性傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　5 傳遞函數(shù)的求取</b></p><p>　　5.1傳遞函數(shù)的概念與定義&

51、lt;/p><p>　　所謂傳遞函數(shù)即線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換式與輸入量的拉氏變換式之比。</p><p>　　設(shè)線性定常系統(tǒng)的微分方程一般式為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中為系統(tǒng)輸出量，為系統(tǒng)輸入量，，，…，及，，…，均為由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的實(shí)常數(shù)。</p&

52、gt;<p>　　設(shè)初始條件為零，對(duì)式（1）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得</p><p><b>　　則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　令 </b></p><p><b>　　式（2）

53、可表示為</b></p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　若在式（2）中，令，則有 </p><p>　　即為系統(tǒng)的放大系數(shù)。從微分方程（1）看，相當(dāng)于所有導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零，方程變?yōu)殪o態(tài)方程，恰好為輸出、輸入的靜態(tài)比值。</p><p>　　傳遞函數(shù)是在初始條件為零（稱零初始條件）時(shí)定義的

54、。控制系統(tǒng)的零初始條件有兩方面含義：一是指輸入作用是在以后才作用于系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)輸入量及其各階導(dǎo)數(shù)在時(shí)的值為零；二是指輸入作用加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)是“相對(duì)靜止”的。因此，系統(tǒng)輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)在時(shí)的值也為零。實(shí)際的工程控制系統(tǒng)多屬此類情況，這時(shí)，傳遞函數(shù)一般都可以完全表征線性定常系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　必須指出，用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，也有一定局限性。首先，對(duì)于非零初始條件，傳遞函數(shù)便不能完全

55、描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。因?yàn)閭鬟f函數(shù)只反映零初始條件下，輸入作用對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，對(duì)于非零初始條件的系統(tǒng)，只有同時(shí)考慮由非零初始條件對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，才能對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有完全的了解。其次，傳遞函數(shù)只是通過系統(tǒng)的輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系來描述系統(tǒng)，亦即為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的外部描述，而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部其它變量的情況卻不完全知道，甚至完全不知道。當(dāng)然，現(xiàn)代控制理論采用狀態(tài)空間法描述系統(tǒng)，可以克服傳遞函數(shù)的這一缺點(diǎn)。盡管如此，傳遞函數(shù)作為經(jīng)典控制理論的基

56、礎(chǔ)，仍是十分重要的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　5.2傳遞函數(shù)的基本性質(zhì)</p><p>　　從線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)的定義式（2）可知，傳遞函數(shù)具有以下性質(zhì)。</p><p>　?。?）傳遞函數(shù)是復(fù)變量的有理真分式，而且所有系數(shù)均為實(shí)數(shù)，通常分子多項(xiàng)式的次數(shù)低于（或等于）分母多項(xiàng)式的次數(shù)，即≤。這是因?yàn)橄到y(tǒng)必然具有慣性，且能源又是有限的緣故。</p>

57、<p>　?。?）傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)和元件的結(jié)構(gòu)參量，與外作用形式無(wú)關(guān)。</p><p>　?。?）將式（2）改寫成如下所謂“典型環(huán)節(jié)”的形式</p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　數(shù)學(xué)上的每一個(gè)因子都對(duì)應(yīng)著物理上的一個(gè)環(huán)節(jié)，我們稱之為典型環(huán)節(jié)。</p><p>　　其中：

58、放大(比例)環(huán)節(jié)</p><p><b>　　積分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　慣性環(huán)節(jié)或非周期環(huán)節(jié)</p><p><b>　　振蕩環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　一階微分環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　二階

59、微分環(huán)節(jié)</b></p><p>　　我們所研究的自動(dòng)控制系統(tǒng),都可以看成由這些典型環(huán)節(jié)組合而成.</p><p>　　(4)一定的傳遞函數(shù)有一定的零、極點(diǎn)分布圖與之對(duì)應(yīng)。將式（2）寫成如下零、極點(diǎn)形式</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中為傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式等于零的根，稱為傳

60、遞函數(shù)的零點(diǎn)為傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式等于零的根，稱為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。把傳遞函數(shù)的零點(diǎn)和極點(diǎn)同時(shí)表示在復(fù)平面上的圖形，就叫做傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分布圖。圖（4-1）</p><p>　　表示了傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分布情況，圖中零點(diǎn)用“0”表示，極點(diǎn)用“×”表示。</p><p>　　式（5）中常數(shù)“”稱為傳遞函數(shù)的根軌跡增益。與之間的關(guān)系為</p><p><

61、b>　　（5）</b></p><p>　?。?）傳遞函數(shù)的拉氏反變換，即為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。所謂脈沖響應(yīng)，是指系統(tǒng)在單位脈沖函數(shù)輸入下的響應(yīng)，也稱為脈沖過渡函數(shù)。因?yàn)閱挝幻}沖的拉氏變換式等于1，因此</p><p>　　顯然，系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)與系統(tǒng)傳遞函數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可以用來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如圖（4-2）所示。</p><p>　?。?）若

62、令（即，其中），這是傳遞函數(shù)的一種特殊形式，=，稱為頻率特性。是用頻率法研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。顯然，頻率特性也是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的又一種數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　圖5-1 的零、極點(diǎn)分布圖 圖5-2 脈沖響應(yīng)</p><p>　　5.3 傳遞函數(shù)的應(yīng)用</p><p>　　傳遞函數(shù)主要應(yīng)用在三個(gè)方面。 </p><p&

63、gt;　　1、確定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。對(duì)于傳遞函數(shù)G（s）已知的系統(tǒng)，在輸入作用u（s）給定后，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)y（s)可直接由G（s）U（s）運(yùn)用拉普拉斯反變換方法來定出。 </p><p>　　2、分析系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)輸出響應(yīng)的影響。對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，運(yùn)用根軌跡法可方便地分析系統(tǒng)開環(huán)增益的變化對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)、零點(diǎn)位置的影響，從而可進(jìn)一步估計(jì)對(duì)輸出響應(yīng)的影響。 </p><p>　　3、用于

64、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。直接由系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 采用根軌跡法。根據(jù)頻率響應(yīng)來設(shè)計(jì)時(shí)，采用頻率響應(yīng)法。</p><p><b>　　6 控制方案確定</b></p><p><b>　　6.1理論確定</b></p><p>　　如(5-1)中圖示，系統(tǒng)中信號(hào)沿箭頭方向前進(jìn)，最后又回到系統(tǒng)原來的起點(diǎn)，形成一個(gè)閉合回路，這

65、種系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。在此閉環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號(hào)是被控參數(shù)，它通過傳感器（測(cè)量元件）這個(gè)環(huán)節(jié)再返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進(jìn)行比較，這種將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回到輸入端的過程叫做反饋。被控參數(shù)的測(cè)量值稱為反饋信號(hào)。反饋信號(hào)使系統(tǒng)原來的輸入信號(hào)減弱的為負(fù)反饋；反之為正反饋。正、負(fù)分別用“+”和“-”表示，用“⊙”代表比較器。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)的被控參數(shù)受干擾而上升（或下降）時(shí)，我們希望通過控制使其盡快地

66、回到給定值。如果采用正反饋，由于反饋的增強(qiáng)輸入信號(hào)的控制，結(jié)果只能使被控制參數(shù)越升越高（或月降越低），使偏差越來越大。這在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是不能允許的。一般采用負(fù)反饋。</p><p>　　6.2閉環(huán)系統(tǒng)原理方框圖與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　6.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制</p><p>　　控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是有許多對(duì)信號(hào)進(jìn)行單向運(yùn)算的方框和一些信號(hào)流向線

67、組成，它包含四中基本單元：</p><p>　　信號(hào)線 信號(hào)線是帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的流向，在直線旁標(biāo)記的時(shí)間函數(shù)或象函數(shù)。</p><p>　　引出點(diǎn)（或測(cè)量點(diǎn)） 引出點(diǎn)表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置，從同一位置引出的信號(hào)在數(shù)值和性質(zhì)方面完全相同。</p><p>　　比較點(diǎn)（或綜合點(diǎn)） 比較點(diǎn)表示對(duì)兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，“＋”號(hào)表示相加，“-”號(hào)表示相減

68、，“+”號(hào)可省略不寫。</p><p>　　方框（或環(huán)節(jié)） 方框表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換，方框中寫入元部件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。顯然，方框的輸出變量等于方框的輸入變量與傳遞函數(shù)的乘積，即 C（s）=G（s）U（s）</p><p>　　因此，方框可視作單向運(yùn)算的算子。</p><p>　　在繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖時(shí)，首先要考慮負(fù)載效應(yīng)分別列寫系

69、統(tǒng)各元部件的微分方程或傳遞函數(shù)，并將他們用方框表示；然后，根據(jù)各元部件的信號(hào)流向，用信號(hào)線依次將各方框連接便得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。依次，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)質(zhì)上系統(tǒng)原理圖與數(shù)學(xué)方程兩者的結(jié)合，既補(bǔ)充了原理圖所缺少的定量描述，又避免了純數(shù)學(xué)的抽象運(yùn)算。從結(jié)構(gòu)圖上可以用方框進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，也可以直觀了解各元部件的相互關(guān)系及其在系統(tǒng)中所起到的作用；更重要的是，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以方便地求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。所以，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也是控制系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)模型。</p

70、><p>　　6.2.2系統(tǒng)原理方框圖與簡(jiǎn)化</p><p>　　選擇單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)即可滿足控制要求方框圖如下：</p><p>　　圖6-1 液位控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)誤差的。當(dāng)輸出量偏離期望值時(shí)，這個(gè)偏差將被檢測(cè)出來，對(duì)控制作用產(chǎn)生影響，從而使系統(tǒng)具有自動(dòng)修正被控制量偏離的能力，減

71、小系統(tǒng)誤差，較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的功能。</p><p>　　一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖，器方框間的連接必然是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但方框間的基本連接方式只有串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接三種。因此，結(jié)構(gòu)圖簡(jiǎn)化的一般方法是移動(dòng)引出點(diǎn)或比較點(diǎn)，交換比較點(diǎn)，進(jìn)行方框運(yùn)算將串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接的方框合并。在簡(jiǎn)化過程中應(yīng)遵循變換前后變量關(guān)系保持等效的原則，具體而言，就是變換前后前向通路中傳遞函數(shù)的乘積應(yīng)保持不變，回路中傳遞函數(shù)的乘積應(yīng)保持不變。<

72、;/p><p><b>　　7 儀表選擇及應(yīng)用</b></p><p>　　7.1調(diào)節(jié)器 DTL—321 </p><p>　　選擇DDZ—Ⅱ(電動(dòng)單元組合儀表)信號(hào)為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)0～10mA(DC) 。近年來隨著化工生產(chǎn)的迅速發(fā)展，計(jì)量控制工作亦日新月異，集散系統(tǒng)的應(yīng)用已成為生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一。然而，DDZ—Ⅱ電動(dòng)單元組合儀表的使用目前在

73、企業(yè)中仍占有一定的比例，而其檢定工作尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)程可循，為此，我們組織編寫了這套檢定規(guī)程，旨在為化工行業(yè)的企、事業(yè)單位檢定DDZ—Ⅱ，電動(dòng)單元組合儀表提供計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)依據(jù)。</p><p>　　將生產(chǎn)過程參數(shù)的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，得出偏差后根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)推動(dòng)執(zhí)行器消除偏差量，使該參數(shù)保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器叫調(diào)節(jié)器。 </p><p>　　圖7-1

74、調(diào)節(jié)器DTL-321</p><p>　　DTL一321調(diào)節(jié)器目前在石油化工企業(yè)中用得比較廣泛,該調(diào)節(jié)器采用了上下限限幅電路（PTD調(diào)節(jié)電路）：</p><p>　　P=1～200% Ti=0～200s Td=0～300s</p><p>　　調(diào)節(jié)器的組成和調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方法DDZ-Ⅱ型調(diào)節(jié)器是 DDZ-Ⅱ型電動(dòng)單元組合儀表中的一個(gè)主要單元。調(diào)節(jié)器接受

75、變送單元輸出的0～10mA 直流電流信號(hào)(即被調(diào)量信號(hào)),將此信號(hào)與設(shè)定值相比較而得到偏差信號(hào),然后按偏差的大小和變化情況,進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算,給出調(diào)節(jié)信號(hào),去控制執(zhí)行器的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。PID控制器（比例-積分-微分控制器），有比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。</p><p>　　PID 控制器是一

76、個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。</p><

77、;p><b>　　比例控制（P）</b></p><p>　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 </p><p><b>　　積分控制（I）</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸

78、入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以

79、使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p><b>　　微分控制（D）</b></p><p>　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì) 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的

80、辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。</p>

81、<p>　　7.2伺服放大器、調(diào)節(jié)閥</p><p>　　伺服放大器也叫伺服驅(qū)動(dòng)器，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器伺服放大器。一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端。</p><p>　　圖7-2 ZPE—1 電動(dòng)伺服放大器； ZAZ電動(dòng)調(diào)節(jié)閥</p><p><b>　　——

82、</b></p><p>　　ZPE型電動(dòng)伺服放大器是DKJ型、DKZ型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輔助單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通行該單元接受調(diào)節(jié)器（或計(jì)算機(jī)）的調(diào)節(jié)信號(hào)，（4-20mA或0-10mA）并受該單元的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按調(diào)節(jié)信號(hào)的大小，調(diào)整輸出軸的轉(zhuǎn)角或位移，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器位移與信號(hào)成比例的目的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置ZPE伺服放大器后，可以廣泛應(yīng)用于電站、冶金、石化、輕工等行業(yè)的過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p>&l

83、t;p>　　調(diào)節(jié)閥（control valve），又名控制閥，在工業(yè)自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域中，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)的最終控制元件。一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。如果按行程特點(diǎn)，調(diào)節(jié)閥可分為直行程和角行程；按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力，可以分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥三種；按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。調(diào)節(jié)閥適用于空氣、水、蒸汽、各種腐

84、蝕性介質(zhì)、泥漿、油品等介質(zhì)。</p><p>　　ZAZ(P/N/M)型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由招待機(jī)械與各品種的閥體(單座閥、雙座閥、套筒閥)組配而成，而具備了各種閥的特點(diǎn)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以單相交流220V電源為動(dòng)力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0-10mA-DC或4-20mA-DC，自動(dòng)地控制閥門開度，達(dá)到對(duì)工藝流量、壓力、溫度、液位等參數(shù)的自動(dòng)控制，是生產(chǎn)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)的重要組成之一，該產(chǎn)品具有動(dòng)作靈敏、能源取用方便、信號(hào)傳輸迅速等特

85、點(diǎn)。廣泛用于電力冶金、輕工、食品、石油、化工等工業(yè)的自動(dòng)控制中。</p><p>　　7.3差壓變送器 DBC—433 </p><p>　　差壓變送器是引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)的新型變送器，關(guān)鍵原材料，元器件和零部件均源自進(jìn)口，整機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格組裝和測(cè)試，該產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)原理先進(jìn)、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。差壓變送器是測(cè)量工藝管道或罐體中介質(zhì)的壓力差，并且通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、開方將測(cè)量的

86、差壓值轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出。</p><p>　　圖7-3差壓變送器DBC-433</p><p>　　用以連續(xù)測(cè)量壓差以及開口容器或受壓器的液位，它與節(jié)流裝置及開方器相配也可以測(cè)液體、氣體蒸汽的流量。儀表與相應(yīng)的隔離設(shè)備配合使用時(shí)，擴(kuò)大其使用范圍，如測(cè)量粘度大、易結(jié)晶。溫度較高的介質(zhì)等。 </p><p>　　8 系統(tǒng)的工作原理及方框圖</p>&

87、lt;p>　　8.1液位控制系統(tǒng)工作原理　 經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)試，使系統(tǒng)的參數(shù)保持在一定的數(shù)值，當(dāng)控制閥門保持一定的開啟度，使水箱中的進(jìn)水量Q1與出水量Q2相等，從而使水位保持在希望的高度上?！　‘?dāng)流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱中液位也會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)裝置測(cè)量值的變化，再有控制器和執(zhí)行器的共同作用，使水箱水位保持在預(yù)定值?！　∪绠?dāng)液面上升時(shí)，變送器的測(cè)量值升高，比較器得出的偏差傳送帶控制器，控制器按照預(yù)定的控制規(guī)律，使執(zhí)行

88、器減小閥門的開啟度，使進(jìn)水量Q1小于出水量Q2，從而使水位下降，檢測(cè)壓力也隨之下降，直到壓力回到給定的位置。系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定的高度?！　》粗?，若水箱的液位下降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大閥門的開啟度，加大進(jìn)水量，使液位上升到給定的高度。</p><p>　　8.2 液位控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　方框圖，是把系統(tǒng)各部分，包括被控對(duì)象，控制裝置信號(hào)用方框表示，而各信號(hào)寫在

89、信號(hào)線上，一般以方框的左邊為輸入，右邊為輸出構(gòu)成的；其實(shí)在控制里面還有結(jié)構(gòu)圖，與方框圖的區(qū)別，可以理解成，把方框圖中各方框里面的部分用傳遞函數(shù)表示而已！</p><p>　　圖8-1 液位控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　9系統(tǒng)性能分析與調(diào)節(jié)器參數(shù)整定</p><p><b>　　9.1性能分析</b></p><p&g

90、t;　　控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的一種度量，通常稱為穩(wěn)態(tài)性能。</p><p>　　液位系統(tǒng)的輸入信號(hào)，即主要擾動(dòng)為用水量Q2的變化，取正常用水量Q2有20%的變化為輸入信號(hào)。</p><p>　　未校正時(shí)其穩(wěn)定誤差，可由終值定理求出：</p><p><b>　　不滿足余差要求。</b></p><p>　

91、　過渡時(shí)間ts約為時(shí)間常數(shù)T的3——4倍：</p><p>　　Ts=(3——4)×18=(54——72)分鐘＞ts=4分鐘不滿足要求，必須加入校正，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 </p><p>　　9.2調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 </p><p>　　調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定：就是在一個(gè)已經(jīng)調(diào)校好的控制系統(tǒng)中，去選擇和設(shè)置合適的調(diào)節(jié)器的比例度、

92、積分時(shí)間和微分時(shí)間，使調(diào)節(jié)器與過程的特性相適應(yīng)，來改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，獲取最佳控制效果。如圖（8-1）調(diào)節(jié)器的方框圖，根據(jù)此圖我們可以了解調(diào)節(jié)器的工作原理。</p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)，只需比例調(diào)節(jié)即可</p><p>　　干擾作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　校正后時(shí)間常數(shù)：</b></p><

93、;p>　　一般ts=(3——4) 現(xiàn)要求ts≤4分 取ts=4 </p><p>　　必須： 解得:</p><p><b>　　由穩(wěn)態(tài)誤差公式：</b></p><p><b>　　二者取較大者：即</b></p><p>　

94、　即調(diào)節(jié)器比例度：P≤0.08=8%</p><p>　　圖9-1 DTL-321調(diào)節(jié)器方框圖</p><p>　　10 水箱液位系統(tǒng)的應(yīng)用</p><p>　　10．1液位系統(tǒng)的接線圖：</p><p>　　圖10-1 液位系統(tǒng)接線圖</p><p>　　10.2水箱液位系統(tǒng)的調(diào)試</p><p&

95、gt;　　經(jīng)過我們小組的共同努力，最終終于完成了水箱液位系統(tǒng)的制作，在接下來的時(shí)間里，我們針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，</p><p>　　10.3調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及其解決方案</p><p>　　在測(cè)試的過程中，發(fā)現(xiàn)水箱液位的靈敏度出現(xiàn)了問題。測(cè)量的準(zhǔn)確度出現(xiàn)了偏差，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，是液位計(jì)的安裝位置無(wú)法確保信號(hào)的傳輸。</p><p>　　最后我們采用了新的實(shí)

96、施方案，從根本上解決了在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題。使得水箱液位控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度提升了一個(gè)新的高度。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　在這次設(shè)計(jì)的制作過程中，我們查閱了大量有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)的書籍，了解了自動(dòng)控制的基本原理和目前國(guó)內(nèi)外研究的水平。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了一定的了解。并根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出了水箱液位控制系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，

97、初步得出了該系統(tǒng)的液位控制規(guī)律，繼而對(duì)系統(tǒng)的其他性能進(jìn)行分析，使這個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水箱液位控制的系統(tǒng)。在做得過程中肯定會(huì)遇到問題，有一定的不足，在短期內(nèi)無(wú)法完成對(duì)水位的控制，還有很多誤差等等。</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　本次論文的寫作是在高老師的指導(dǎo)下進(jìn)行的。針對(duì)在寫作過程中遇到許多的難題，包括技術(shù)上和理論中難以理解的部分

98、，高老師都給認(rèn)真的解釋，為此，向高老師表示最衷心的謝意。</p><p>　　我們小組在設(shè)計(jì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，互相配合，相互協(xié)作，學(xué)會(huì)去發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。遇到不明白的問題都積極的去詢問老師，或者去找尋相關(guān)的資料。從中感受到了團(tuán)結(jié)合作的力量，每一個(gè)人在我們的設(shè)計(jì)過程中，都擔(dān)當(dāng)了非常重要的角色。也要感謝在制作過程中給予我們幫助的院級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和同學(xué)們。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我

99、們有機(jī)會(huì)把我們的課堂理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中，貼近生活，實(shí)現(xiàn)我們的人生價(jià)值。并且通過對(duì)知識(shí)的綜合利用，加入個(gè)人的分析和比較，加深了了我們對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。</p><p>　　從這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的制作過程中，讓我深切的領(lǐng)會(huì)到想要在激烈的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)自己的一塊領(lǐng)地，必須要把自己的閃光點(diǎn)，發(fā)揮出來，并不斷的改正自己的缺點(diǎn)，完善自己的能力，以更好的一面去面對(duì)社會(huì)。在以后的學(xué)習(xí)工作過程中，我會(huì)虛心的接受師傅們對(duì)我的教

100、導(dǎo)，好好的工作，發(fā)揚(yáng)我們學(xué)校吃苦耐勞的精神，做有一個(gè)合格的濱海畢業(yè)生。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張根寶. 工業(yè)自動(dòng)化儀表與過程控制[M].西北工業(yè)出版社,2008年出版.</p><p>　　[2] 蔣大明. 自動(dòng)控制原理[M].清華大學(xué)出版社,2003年出版.</p><p

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