【正文】 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；第三點(diǎn)要有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 3 系統(tǒng)控制要求及 指標(biāo) 水箱液 位控制系統(tǒng)的指標(biāo) 液位 L=30cm(可任意設(shè)置 ) 穩(wěn)態(tài)誤差 ess（余差）≤177。 對自動(dòng)控制 系統(tǒng)的基本要求 (1) 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求。 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。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。 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)。 圖 31 微型計(jì)算機(jī)控制機(jī)床（開環(huán)系統(tǒng)） 系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對應(yīng)，但是不具有修正由于擾動(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?？梢哉f，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)對被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)。 復(fù)合控制方式 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。兩者的結(jié)合既能得到高精度控制，又能提高抗干擾能力。 按系統(tǒng)傳輸信號對時(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。 按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類 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。 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。 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。 理論分析計(jì)算法 液位高度 L為輸出變量， 入水流量 Q1 為輸入量。然而，許多工業(yè)對象結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工藝過程復(fù)雜，使得按對象內(nèi)部發(fā)生的物理、化學(xué)過程確定對象及系統(tǒng)的微分方程十分困難。 被測系統(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)下是無法體現(xiàn)的。 (2)頻域測定法：頻域測定法的主要過程是對被研究對象施加不同頻率的正弦波，測出輸入信號與輸出信號之間的幅值比和相位差，從而獲得被測系統(tǒng)或?qū)ο蟮念l域特性。測試結(jié)果精度較高，但要求采集大量測試數(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)算和處理。從微分方程（ 1）看， 0?s 相當(dāng)于所有導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零，方程變?yōu)殪o態(tài)方程，00ab 恰好為輸出、輸入的靜態(tài)比值。因此，系統(tǒng)輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)在 0?t 時(shí)的值也為零。因?yàn)閭鬟f函數(shù)只反映零初始條件下，輸入作用對系統(tǒng)輸出的影響，對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系統(tǒng)輸出的影響，才能對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有完全的了解。 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)。 （ 3）將式（ 2）改寫成如下所謂“典型環(huán)節(jié)”的形式 ? ???? ???????????1 2211 122221221)12()1()12()1()()()(ninjjjjivmllllmkksTsTsTssssKsNsMsG????? （ 4） 數(shù)學(xué)上的每一個(gè)因子都對應(yīng)著物理上的一個(gè)環(huán)節(jié)，我們稱之為典型環(huán)節(jié)。圖（ 41） 表示了傳遞函數(shù))12)(3( 2)( 2 ??? ?? sss ssG的零、極點(diǎn)分布情況，圖中零點(diǎn)用“ 0”表示，極點(diǎn)用“”表示。因?yàn)閱挝幻}沖的拉氏變換式等于 1，因此 11( ) [ ( ) ] [ ( ) ]k t C s G s???? 顯然，系統(tǒng)的脈沖響應(yīng) )(tk 與系統(tǒng)傳遞函數(shù) )(sG 有單值對應(yīng)關(guān)系，故可以 用來描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如圖 （ 42） 所示。 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 18 圖 51 )12)(3( 2)( 2 ??? ?? sss ssG的零、極點(diǎn)分布圖 圖 52 脈沖響應(yīng) 傳遞函數(shù)的應(yīng)用 傳遞函數(shù)主要應(yīng)用在三個(gè)方面。對于 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)對輸出響應(yīng)的影響。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 19 6 控制方案確定 理論確定 如 (51)中 圖示，系統(tǒng)中信號沿箭頭方向前進(jìn)，最后又回到系統(tǒng)原來的起點(diǎn)，形成一個(gè)閉合回路，這種系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。正、負(fù)分別用 “ +”和“ ”表示，用“⊙”代表比較器。一般采用負(fù)反饋 。 方框（或環(huán)節(jié)） 方框表示對信號進(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) 。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)。 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。 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。調(diào)節(jié)器接受變送單元輸出的 0～ 10mA 直流電流信號 (即被調(diào)量信號 ),將此信號與設(shè)定值相比較而得到偏差信號 ,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 ,去控制執(zhí)行器的動(dòng)作 ,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。 比例控制 （ P） 比例控制是一種最簡單的控制方式。對一個(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)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。解決的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。 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。一般由 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 和閥門組成。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 010mADC 或 420mADC，自動(dòng)地控制閥門開度，達(dá)到對工藝流量、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、信號傳輸迅速等特點(diǎn)。 圖 73差壓變送器 DBC433 用以連續(xù)測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液體、氣體蒸汽的流量。 當(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，通過檢測裝置測量值的變化，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。 液位控制系統(tǒng)的方框圖 方框圖，是把系統(tǒng)各部分，包括被控對象，控制裝置信號用方框表示，而各信號寫在信號線上，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！ 圖 81 液位控制系統(tǒng)的方框圖 水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 26 9 系統(tǒng)性能分析與調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 性能分析 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。 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 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、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 。?? K pT青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 27 一般 ts=(3—— 4) 現(xiàn)要求 ts≤ 4分 取 ts=4 必須： 解得 : 由穩(wěn)態(tài)誤差公式： 二者取較大者：即 即調(diào)節(jié)器比例度： P≤ =8% 圖 91 DTL321調(diào)節(jié)器方框圖 39。T 184 ??? Kp?kpmmmKepss ?????????kp水 箱 液 位 控 制 系 統(tǒng) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 28 10 水箱液位系統(tǒng)的應(yīng)用 10． 1 液位系統(tǒng)的接線圖： 圖 101 液 位系統(tǒng)接線圖 水箱液位系統(tǒng)的調(diào)試 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，我們針對這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試， 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及其解決方案 在測試的過程中，發(fā)現(xiàn)水箱液位的靈敏度出現(xiàn)了問題。 青 島 濱 海 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 29 總 結(jié) 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內(nèi)外研究的水平。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)無法完成對水位的控制，還有很多誤差等等。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。并且通過對知識的綜合利用，加入個(gè)人的分析和比較，加深了了我們對理論知識的理解和運(yùn)用