自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)---多水箱單回路控制+解耦控制

1、<p>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：多水箱單回路控制+解耦控制</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　液位控制系統(tǒng)是以某被控對(duì)象(本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)水箱)的液位為被控參數(shù)，通過(guò)控制器的控制與調(diào)節(jié)作用使該參數(shù)維持在期望值，并滿足一定的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)精度的控制系統(tǒng)。</p>

2、<p>　　本次設(shè)計(jì)主要包括多水箱單回路控制系統(tǒng)和解耦控制系統(tǒng)。</p><p>　　解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四水箱兩輸入兩輸出的液位控制系統(tǒng)，兩輸入為兩個(gè)進(jìn)水閥的流量，兩輸出為兩個(gè)下水箱的液位高度，耦合為兩個(gè)輸出都分別受兩個(gè)輸入影響。本文建立基于Simulink耦合控制對(duì)象的數(shù)學(xué)仿真模型，利用節(jié)約響應(yīng)曲線法進(jìn)行控制對(duì)象的參數(shù)辨識(shí)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)回路添加解耦控制器最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液位分別受兩個(gè)流量輸入的一對(duì)一的控制并

3、能分別達(dá)到期望值，并滿足一定的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于模擬實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的非線性、多變量、時(shí)變、耦合等復(fù)雜對(duì)象特性。本文建立了該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型并對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，進(jìn)行了耦合控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì), 實(shí)踐了前饋補(bǔ)償法解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)想的效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：四水箱系統(tǒng)解耦控制

4、，Simulink仿真，節(jié)約響應(yīng)曲線法，前饋補(bǔ)償解耦</p><p>　　目 錄</p><p>　　1.概述- 1 -</p><p>　　2.課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求- 2 -</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)任務(wù)- 2 -</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)要求- 2 -</p>

5、<p>　　2.2.1控制系統(tǒng)可行性分析- 2 -</p><p>　　2.2.2控制原理分析與設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>　　2.2.3控制系統(tǒng)設(shè)備選型- 3 -</p><p>　　2.2.4控制系統(tǒng)檢測(cè)控制原理圖- 3 -</p><p>　　2.2.5控制系統(tǒng)接線圖- 3 -</p>

6、<p>　　3.控制系統(tǒng)可行性分析- 3 -</p><p>　　3.1國(guó)內(nèi)外控制水平發(fā)展及現(xiàn)狀- 3 -</p><p>　　3.2過(guò)程控制難點(diǎn)及目前解決程度- 5 -</p><p>　　3.2.1傳統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)及目前解決程度- 5 -</p><p>　　3.2.2自適應(yīng)解耦的難點(diǎn)及目前解決程度-

7、5 -</p><p>　　3.2.3魯棒控制的難點(diǎn)及目前解決程度- 5 -</p><p>　　3.2.4智能解耦控制的難點(diǎn)及目前解決程度- 5 -</p><p>　　3.3模擬采用控制方案的特點(diǎn)及概述等內(nèi)容- 5 -</p><p>　　4.控制原理分析與設(shè)計(jì)- 6 -</p><p>　　4.1

8、過(guò)程描述- 6 -</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)原理圖及工作原理- 7 -</p><p>　　4.1.2結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明- 8 -</p><p>　　4.2系統(tǒng)的仿真模型- 8 -</p><p>　　4.2.1單水箱數(shù)學(xué)模型建立及仿真- 8 -</p><p>　　4.2.2四水箱數(shù)學(xué)模

9、型建立及仿真- 9 -</p><p>　　4.3模型參數(shù)辨識(shí)- 11 -</p><p>　　4.3.1關(guān)聯(lián)分析- 11 -</p><p>　　4.3.2參數(shù)選擇- 11 -</p><p>　　4.3.3參數(shù)驗(yàn)證- 15 -</p><p>　　4.4解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 17 -</p

10、><p>　　4.4.1控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)- 17 -</p><p>　　4.4.2控制器PID參數(shù)整定- 19 -</p><p>　　4.4.3控制器仿真實(shí)現(xiàn)- 20 -</p><p>　　5控制系統(tǒng)設(shè)備選型- 22 -</p><p>　　5.1電磁流量計(jì)選型- 22 -</p>

11、<p>　　5.2渦輪流量計(jì)選型- 22 -</p><p>　　5.3壓力液位傳感器選型- 22 -</p><p>　　5.4變頻器選型- 23 -</p><p>　　6結(jié)論- 24 -</p><p>　　7使用儀器設(shè)備清單- 24 -</p><p>　　7.1電磁流量計(jì)-

12、24 -</p><p>　　7.2渦輪流量計(jì)- 26 -</p><p>　　7.3壓力液位傳感器- 26 -</p><p>　　7.4電動(dòng)調(diào)節(jié)閥- 28 -</p><p>　　7.5變頻器- 29 -</p><p>　　7.6水泵- 30 -</p><p>　　8

13、收獲、體會(huì)和建議- 30 -</p><p>　　9參考文獻(xiàn)- 31 -</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，不斷出現(xiàn)一些較復(fù)雜的設(shè)備或裝置，這些設(shè)備或裝置的本身所要求的被控制參數(shù)往往較多，因此，必須設(shè)置多個(gè)控制回路對(duì)該種設(shè)備進(jìn)行控制。由于控制回路的增加，往往會(huì)在它們之間造成相互影響的耦合

14、作用，也即系統(tǒng)中每一個(gè)控制回路的輸入信號(hào)對(duì)所有回路的輸出都會(huì)有影響，而每一個(gè)回路的輸出又會(huì)受到所有輸入的作用。要想一個(gè)輸入只去控制一個(gè)輸出幾乎不可能，這就構(gòu)成了“耦合”系統(tǒng)。由于耦合關(guān)系，往往使系統(tǒng)難于控制、性能很差。</p><p>　　所謂解耦控制系統(tǒng)，就是采用某種結(jié)構(gòu)，尋找合適的控制規(guī)律來(lái)消除系統(tǒng)種各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，使每一個(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，每一個(gè)輸出又只受到一個(gè)控制的作用。解耦控制是多

15、變量系統(tǒng)控制的有效手段。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)針對(duì)典型的多容單回路系統(tǒng)擬采用常規(guī)的PID控制，通過(guò)PLC與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。應(yīng)用機(jī)理分析法對(duì)四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，建立四水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用矩陣分析理論分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性和能觀測(cè)性，應(yīng)用基于前饋補(bǔ)償?shù)娜怦罘椒@著地提高了多變量關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制性能。</p><p>　　圖1-1 實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)控制對(duì)象的階躍

16、響應(yīng)曲線</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是以專業(yè)課程為依托，針對(duì)特定設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)學(xué)生進(jìn)行完整的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練的教學(xué)環(huán)節(jié)。使學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程了解和掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、步驟、規(guī)范和方法等。為將教材中的理論和實(shí)際自動(dòng)化工程提供結(jié)合

17、的機(jī)會(huì)，加深學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的理論知識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)是以自動(dòng)化《過(guò)程控制系統(tǒng)》課程為背景，充分利用過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，針對(duì)液位、溫度等過(guò)程控制中非常普遍的控制對(duì)象（被控參數(shù)）進(jìn)行控制系統(tǒng)接線圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人情況進(jìn)行各自特色的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b>&l

18、t;/p><p><b>　　控制系統(tǒng)可行性分析</b></p><p>　　在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初， 都應(yīng)該進(jìn)行背景調(diào)查。調(diào)查主要內(nèi)容包括:</p><p>　　國(guó)內(nèi)外控制水平發(fā)展及現(xiàn)狀;</p><p>　　過(guò)程控制難點(diǎn)及目前解決程度;</p><p>　　擬采用控制方案的特點(diǎn)及概述等內(nèi)容;</

19、p><p>　　設(shè)備投資概算和效益分析。(本設(shè)計(jì)省略，但在正式的可行性報(bào)告中非常重要)</p><p>　　最終得出控制系統(tǒng)可行的結(jié)論， 給以下設(shè)計(jì)提供肯定的支持。</p><p>　　根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，系統(tǒng)并無(wú)太多難點(diǎn)，很多方案都是可行的，只需要根據(jù)查找到的參考資料進(jìn)行一下概述性的描述即可。</p><p><b>　　控制原理分析與設(shè)

20、計(jì)</b></p><p>　　得到可行結(jié)論后，開(kāi)始對(duì)控制系統(tǒng)原理方案進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面內(nèi)容:</p><p>　　過(guò)程描述——對(duì)過(guò)程運(yùn)行情況、操作方法進(jìn)行介紹;</p><p>　　檢測(cè)參數(shù)選擇和控制參數(shù)選擇， 并簡(jiǎn)要分析選擇原因;</p><p>　　繪制控制系統(tǒng)檢測(cè)控制原理圖和系統(tǒng)方框圖

21、。</p><p>　　根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)， 參考實(shí)例，對(duì)爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)具體設(shè)備數(shù)量、原理選擇可以不局限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)更合理的系統(tǒng)。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)設(shè)備選型</b></p><p>　　控制原理方案確定后，就是設(shè)備選型工作。根據(jù)系統(tǒng)需求確定設(shè)備數(shù)量和功能等要求，在多種設(shè)備中選擇性能最適合

22、設(shè)計(jì)需要的儀表設(shè)備型號(hào)。選擇好設(shè)備型號(hào)后，根據(jù)設(shè)備隨機(jī)說(shuō)明書(shū)和端子說(shuō)明，進(jìn)行接線圖的繪制和施工圖設(shè)計(jì)(本次設(shè)計(jì)不包括施工圖內(nèi)容，只進(jìn)行接線圖設(shè)計(jì))。</p><p>　　本節(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)前需要查詢大量?jī)x表設(shè)備資料， 根據(jù)系統(tǒng)需要選擇自己認(rèn)為最合適的設(shè)備，再進(jìn)行接線圖設(shè)計(jì)。希望同學(xué)能夠利用所學(xué)知識(shí)和可獲得的資料，設(shè)計(jì)、選擇與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同的特色方案，并進(jìn)行比較分析。對(duì)有特色方案將在評(píng)分時(shí)考慮加分。</p&g

23、t;<p>　　在實(shí)際工程中，除儀表設(shè)備選型外，還有系統(tǒng)軟件的選型工作。本次設(shè)計(jì)如果不進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以不包括該項(xiàng)內(nèi)容。</p><p>　　控制系統(tǒng)檢測(cè)控制原理圖</p><p>　　繪制控制系統(tǒng)原理圖包括兩個(gè)內(nèi)容:</p><p>　　控制系統(tǒng)檢測(cè)控制原理圖;</p><p><b>　　控制系統(tǒng)方框圖。</b

24、></p><p>　　檢測(cè)控制原理繪圖規(guī)范參考《自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容》附錄A，B。控制系統(tǒng)方框圖繪制方法和規(guī)范見(jiàn)《過(guò)程控制》教材相關(guān)內(nèi)容。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)接線圖</b></p><p>　　檢測(cè)控制接線圖繪圖規(guī)范參考《自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容》附錄C。參考實(shí)例， 采用呼應(yīng)法繪制各個(gè)設(shè)備的接線圖。</p&g

25、t;<p><b>　　控制系統(tǒng)可行性分析</b></p><p>　　國(guó)內(nèi)外控制水平發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)思想在控制學(xué)科發(fā)展初期就已經(jīng)形成。在現(xiàn)代控制理論的框架內(nèi)，這個(gè)問(wèn)題由Morgan 在1964 年正式提出。隨著被控系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,被控對(duì)象存在著更多難以控制的因素，如不確定性、多外擾、非線性、滯后、非最小相位特性等，使

26、得工程對(duì)耦合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)難度也越來(lái)越大。解耦問(wèn)題成為學(xué)術(shù)上與工程上一大難題，所以一直以來(lái)理論與工程界將其作為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題研究。</p><p>　　解耦控制現(xiàn)在發(fā)展出多種控制方法，其中應(yīng)用最為廣泛的有以下幾種：</p><p><b>　　傳統(tǒng)解耦控制方法</b></p><p>　　傳統(tǒng)解耦方法以現(xiàn)代頻域法為代表,也包括時(shí)

27、域方法，主要適用于確定性線性MIMO 系統(tǒng)。包括對(duì)角矩陣法、相對(duì)增益分析法、特征曲線分析法、狀態(tài)變量法、逆奈氏陣列法( INA) 等。實(shí)現(xiàn)解耦控制的思想是通過(guò)解耦補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，使解耦補(bǔ)償器與被控對(duì)象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為對(duì)角陣，從而把一個(gè)由耦合影響的多變量系統(tǒng)化為多個(gè)無(wú)耦合的單變量系統(tǒng)。</p><p><b>　　自適應(yīng)解耦控制方法</b></p><p>

28、　　對(duì)于MIMO 不確定性問(wèn)題,多變量自適應(yīng)解耦控制的研究為這類問(wèn)題的解決提出了可行性方法。多變量自適應(yīng)解耦控制方法是將被控對(duì)象的解耦、控制和辨識(shí)結(jié)合起來(lái),可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)未知或時(shí)變系統(tǒng)的在線精確解耦控制。自適應(yīng)解耦的方法將耦合項(xiàng)作為可測(cè)干擾，采用自校正前饋控制的方法[1]，對(duì)耦合進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)償。對(duì)最小相位系統(tǒng)[2]，采用最小方差控制律可以抑制交連，對(duì)非最小相位系統(tǒng)，可以采用廣義最小方差控制律[3]。只要最優(yōu)預(yù)報(bào)和性能指標(biāo)函數(shù)中含有耦合項(xiàng)

29、，就可以達(dá)到消除耦合的目的。多變量自適應(yīng)解耦控制目前已廣泛用于工業(yè)界，取得了良好的效果。</p><p><b>　　魯棒控制</b></p><p>　　多變量魯棒解耦理論是魯棒控制理論的一個(gè)方向,其實(shí)質(zhì)是通過(guò)設(shè)計(jì)魯棒預(yù)補(bǔ)償器，使攝動(dòng)系統(tǒng)為魯棒對(duì)角優(yōu)勢(shì)，從而將多變量系統(tǒng)化為若干單變量系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)。目前，魯棒解耦已逐步由理論研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究，并得到了很好的應(yīng)用效果，有著

30、廣泛的前景。</p><p><b>　　智能解耦控制</b></p><p>　　由于它在解決非線性方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使它在非線性系統(tǒng)解耦控制方面得到了廣泛的關(guān)注。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線性和非線性系統(tǒng)在線精確解耦，解決了傳統(tǒng)解耦方法不易實(shí)現(xiàn)精確解耦的問(wèn)題。</p><p>　?、倌：怦羁刂啤≈饕袃纱箢惙椒ǎ阂活愂侵苯咏怦罘椒ǎ瑢?duì)控制對(duì)象進(jìn)行解耦，然

31、后針對(duì)解耦而成的各單變量過(guò)程進(jìn)行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另一類是間接解耦方法，是通過(guò)對(duì)多變量模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊子空間的分解實(shí)現(xiàn)解耦。直接解耦法是國(guó)內(nèi)外研究較多的一種解耦方法。</p><p>　?、谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制　由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在指定的緊集上以任意精度逼進(jìn)任意解析非線性函數(shù)，而且具有學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，使它能夠處理系統(tǒng)的非線性特性，同時(shí)又有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為了實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)控制的有力工具。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦

32、已初步在工業(yè)控制中應(yīng)用,并取得了好的控制效果。</p><p>　　過(guò)程控制難點(diǎn)及目前解決程度</p><p>　　傳統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)及目前解決程度</p><p>　　在傳統(tǒng)解耦設(shè)計(jì)方法中，補(bǔ)償陣嚴(yán)重依賴于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，而被控過(guò)程通常是時(shí)變和非線性的。因此一個(gè)線性的、定常的解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在被控過(guò)程發(fā)生工作點(diǎn)變化時(shí)，由于不具有適應(yīng)性，很難保證控制品質(zhì)，甚至

33、導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外，由于被控過(guò)程往往具有純延遲和單位圓外的零點(diǎn)，因此完全解耦補(bǔ)償陣存在著可實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。在工程中，完全解耦長(zhǎng)期被棄置不用，代之以解耦系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，從而產(chǎn)生部分解耦、單向解耦的方法。</p><p>　　自適應(yīng)解耦的難點(diǎn)及目前解決程度</p><p>　　自適應(yīng)解耦雖在一定程度上解決了系統(tǒng)不確定性問(wèn)題，但是其本質(zhì)要求在線辨識(shí)對(duì)象模型，所以算法復(fù)雜，計(jì)算量大，且它對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)建模和

34、擾動(dòng)的適應(yīng)能力差，系統(tǒng)的魯棒性問(wèn)題尚有待進(jìn)一步解決，而且實(shí)際工業(yè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性往往比所建模型復(fù)雜得多，因此其應(yīng)用范圍受到了一定限制。</p><p>　　魯棒控制的難點(diǎn)及目前解決程度</p><p>　　解耦控制器對(duì)系統(tǒng)的不確定性往往比較敏感，迄今所做的魯棒解耦只是針對(duì)特定系統(tǒng)討論特殊的解耦設(shè)計(jì)方法，以減少解耦控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的敏感性，但沒(méi)有系統(tǒng)地解決一般不確定系統(tǒng)的魯棒解耦問(wèn)題。<

35、/p><p>　　智能解耦控制的難點(diǎn)及目前解決程度</p><p>　　直接解耦法缺點(diǎn)是仍然要求已知一組多維模糊控制規(guī)則，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大困難。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)有著自身無(wú)法解決的問(wèn)題，而且非線性對(duì)象不像線性對(duì)象那樣容易分解和交換，因此非線性解耦理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合較為困難，難以找到通用的解耦條件判據(jù)。所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦理論發(fā)展較為緩慢，更多的解耦策略都帶有嘗試性。只能依靠仿真來(lái)佐證,只有少數(shù)情

36、況下，對(duì)某一特定類別的系統(tǒng)可以進(jìn)行可解耦性分析。</p><p>　　模擬采用控制方案的特點(diǎn)及概述等內(nèi)容</p><p>　　該控制系統(tǒng)解耦采用的是前饋補(bǔ)償法解耦。前饋補(bǔ)償是基于不變性原理的一種解耦方法，它是解耦網(wǎng)絡(luò)模型支路大為減少、易于計(jì)算，是工業(yè)上應(yīng)用最普遍的解耦設(shè)計(jì)法。</p><p>　　前饋補(bǔ)償是一種很有效的抗擾動(dòng)控制方法。在多變量系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)合理的變量配

37、對(duì)選擇后，其他變量對(duì)該通道來(lái)說(shuō)都相當(dāng)于擾動(dòng)，因此前饋補(bǔ)償法同樣適用于多變量解耦系統(tǒng)。下圖給出了一個(gè)雙變量系統(tǒng)利用前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦的系統(tǒng)框圖。</p><p>　　圖3-1 雙變量系統(tǒng)利用前饋補(bǔ)償法進(jìn)行解耦的系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖中，若無(wú)解耦網(wǎng)絡(luò)F(s)的存在，則Mc1不但影響到C1，同時(shí)還會(huì)影響到C2，同樣的Mc2對(duì)C1也存在著影響。利用不變性原理來(lái)消除這種耦合影響，</

38、p><p><b>　　令：</b></p><p>　　C11+C12=0(M2≠0時(shí))</p><p>　　C21+C22=0(M1≠0時(shí))</p><p>　　因而有 G12(s)+F2(s)G11(s)=0</p><p>　　G21(s)+F1(s)G22(s)=0</p>

39、;<p>　　從而得出解耦網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為</p><p>　　F2(s)=－G12(s)/G11(s)</p><p>　　F1(s)=－G21(s)/G22(s)</p><p>　　顯然，經(jīng)前饋補(bǔ)償后，圖中的解耦系統(tǒng)將變?yōu)閮蓚€(gè)單回路控制系統(tǒng)。比較對(duì)角矩陣解耦與前饋補(bǔ)償解耦法，可見(jiàn)它們具有相同的解耦效果，但應(yīng)用前饋補(bǔ)償法解耦，所需的解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

40、且解耦模型階次低，因而易于實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　控制原理分析與設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　過(guò)程描述</b></p><p>　　系統(tǒng)原理圖及工作原理</p><p>　　四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制對(duì)象、檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3 部分組成:</p><p>

41、;　　控制對(duì)象包括4 個(gè)水箱的液位和2 個(gè)管路的流量;</p><p>　　檢測(cè)設(shè)備包括電磁/ 渦輪流量計(jì)和壓力傳感器;</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括變頻器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。</p><p>　　圖4-1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4-1 所示, 它有兩路流量可調(diào)節(jié)的管路，主管路采用固定轉(zhuǎn)速的普通水泵，由電動(dòng)調(diào)

42、節(jié)閥對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié); 副管路由變頻器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)以控制流量。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是兩個(gè)雙容水箱系統(tǒng)的簡(jiǎn)單相連，卻顯示了豐富的多變量特性，系統(tǒng)的輸入為兩個(gè)管路的控制信號(hào)u1 和u2，輸出為兩個(gè)下水箱的液位h1 和h2。主管路泵把水從貯水箱送入水箱3，水箱3自動(dòng)的把水排到低位的水箱1和水箱2；副管路泵把水從貯水箱送入水箱4，水箱4自動(dòng)的把水排到低位的水箱2和水箱1；水箱1和2的液位h1和h2是可以測(cè)量的。</p><p&g

43、t;　　這樣若想增加水箱1的液位，控制u1是水箱3的進(jìn)水流量Q1增加，則水箱1的進(jìn)水流量也增加，水箱1的液位上升。同時(shí)，水箱2的進(jìn)水流量也增加了，其液位也會(huì)變化。同理，若想增加水箱2的液位時(shí)，水箱1的液位也會(huì)隨之變化。這就構(gòu)成了耦合系統(tǒng)。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)框圖及說(shuō)明</b></p><p>　　由以上分析可以構(gòu)造出如圖4-2所示的系統(tǒng)方框圖。圖4-2

44、中，Gij為廣義對(duì)象通道的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)的輸入為兩個(gè)管路的控制信號(hào)u1 和u2，輸出為兩個(gè)下水箱的液位h1 和h2。</p><p>　　圖4-2四水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　系統(tǒng)的仿真模型</b></p><p>　　單水箱數(shù)學(xué)模型建立及仿真</p><p>　　給定電壓作用于水泵，水以與給定電壓成

45、正比的流速在上方流入水箱，如圖4-3[4]設(shè)給定電壓為V，則流速為bV；水在出水管流出水箱，根據(jù)伯努利法則流速與水位高度H的二次根成正比設(shè)為a 。流出流量的二次根的存在使控制對(duì)象呈現(xiàn)非線性。</p><p>　　圖4-3單水箱數(shù)學(xué)模型圖</p><p>　　則對(duì)于單水箱，滿足物料平衡關(guān)系[5]:</p><p><b>　　(4-1)</b>

46、</p><p>　　式(4-1)中，A為水箱面積，H為水箱的液位，Qin=bV為水箱的進(jìn)水流量，Qout= a 為水箱的出水流量。</p><p>　　搭建Simulink模塊進(jìn)行仿真，如圖4-4所示。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b><

47、/p><p>　　圖4-4單水箱Simulink仿真</p><p>　　四水箱數(shù)學(xué)模型建立及仿真</p><p>　　根據(jù)以上分析建立四水箱數(shù)學(xué)方程如下式：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　K13為流量Q1的分流系數(shù)；K24為流量Q2的分流系數(shù)；K31和K32為水

48、箱3流出流量的分流系數(shù)，且K31+ K32 1；K 41和K 42為水箱4 流出流量的分流系數(shù)，且K41+K42 1。由此可見(jiàn), 只要簡(jiǎn)單地改變各分流閥門(mén)的開(kāi)度, 此四水箱對(duì)象系統(tǒng)的模型隨之改變。</p><p>　　四水箱Simulink仿真如圖4-5所示：</p><p>　　(a)各水箱之間的數(shù)學(xué)關(guān)系</p><p>　　(b)水箱4的Simulink仿真模

49、型</p><p>　　(c)水箱2的Simulink仿真模型</p><p>　　(d)水箱3的Simulink仿真模型</p><p>　　(e)水箱1的Simulink仿真模型</p><p>　　圖4-5四水箱Simulink仿真</p><p><b>　　模型參數(shù)辨識(shí)</b></

50、p><p><b>　　關(guān)聯(lián)分析</b></p><p>　　系統(tǒng)辨識(shí)的方法是獲取對(duì)象系統(tǒng)特征的一種有效方法, 它是在輸入和輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上, 從一組給定的模型類中, 確定一個(gè)與所觀測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型。由圖4-2四水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，可以將水箱對(duì)象看成一階純滯后過(guò)程，即：</p><p><b>　　(4-3)</b></

51、p><p>　　上式中: Kij為廣義對(duì)象通道的增益系數(shù)，為無(wú)因次變量；Tij為廣義對(duì)象通道的時(shí)間常數(shù)，單位為秒； 為廣義對(duì)象通道的滯后時(shí)間常數(shù)，單位為秒。</p><p><b>　　參數(shù)選擇</b></p><p>　　在辨識(shí)過(guò)程中, 我們采用階躍響應(yīng)曲線法[6]來(lái)獲得對(duì)象模型。</p><p><b>　　(

52、4-4)</b></p><p>　　同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)各分流閥門(mén)( 主要是調(diào)節(jié)水箱3 和水箱4 的分流閥門(mén)) ，就可以組成不同的關(guān)聯(lián)對(duì)象系統(tǒng)。</p><p>　　將Simulink仿真模型中各參數(shù)設(shè)定如下表：</p><p>　　表4.1 Simulink仿真模型參數(shù)設(shè)定值</p><p>　　給定階躍信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

53、</p><p>　　a、u1給定階躍信號(hào)1000+1000 *1(t-400)</p><p>　　圖4-6 G11系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果</p><p>　　測(cè)得h1=12.90cm，h2=16.86cm，t0=400s，t1=416s，t2=440s。</p><p>　　采用節(jié)約響應(yīng)曲線法，測(cè)算得：</p><p>&l

54、t;b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　所以： (4-8)</p><p>　　圖4-7 G21系

55、統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果</p><p>　　測(cè)得：h1=5.737，h2=7.499，t0=400s，t1=413，t2=428</p><p>　　采用節(jié)約響應(yīng)曲線法，測(cè)算得：</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p><b>　　(4-10)</b></p><p&

56、gt;<b>　　(4-11)</b></p><p>　　所以： (4-12)</p><p>　　b、u2給定階躍信號(hào)1000+1000 *1(t-400)</p><p>　　圖4-8 G12 系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果</p><p>　　測(cè)得：h1

57、=0.8077cm，h2=1.875cm，t0=400s，t1=415s，t2=428s</p><p>　　采用節(jié)約響應(yīng)曲線法，測(cè)算得：</p><p><b>　　(4-13)</b></p><p><b>　　(4-14)</b></p><p><b>　　(4-15)</

58、b></p><p>　　所以： (4-16)</p><p>　　圖4-9 G22 系統(tǒng)辨識(shí)結(jié)果</p><p>　　測(cè)得：h1=12.92cm，h2=30.00cm，t0=400s，t1=428s，t2=458s</p><p>　　采用節(jié)約響應(yīng)曲線法，測(cè)

59、算得：</p><p><b>　　(4-17)</b></p><p><b>　　(4-18)</b></p><p><b>　　(4-19)</b></p><p>　　所以： (4-20)&l

60、t;/p><p><b>　　參數(shù)驗(yàn)證</b></p><p>　　按照上一節(jié)所測(cè)參數(shù)，構(gòu)建Simulink仿真框圖，如下：</p><p>　　圖4-10 用Simulink構(gòu)建傳遞函數(shù)方框圖</p><p>　　u1給定階躍信號(hào)1000+1000 *1(t-400)，測(cè)得h1、h2響應(yīng)如下</p><

61、p>　　圖4-11 h1響應(yīng)曲線</p><p>　　按上述方法測(cè)算，得 </p><p>　　圖4-12 h2響應(yīng)曲線</p><p><b>　　經(jīng)測(cè)算， </b></p><p>　　u2給定階躍信號(hào)1000+1000 *1(t-400)，測(cè)得h1、h2響應(yīng)如下</p><p>

62、　　圖4-13 h1響應(yīng)曲線</p><p><b>　　經(jīng)測(cè)算， </b></p><p>　　圖4-14 h2響應(yīng)曲線</p><p><b>　　經(jīng)測(cè)算， </b></p><p>　　將系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳遞函數(shù)與參數(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳遞函數(shù)列表比較，如表4.2所示</p>

63、<p>　　表4.2 系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)比較表</p><p>　　由各響應(yīng)曲線及表4.2中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各參數(shù)符合系統(tǒng)仿真框圖中的各個(gè)對(duì)象，可以利用其數(shù)據(jù)進(jìn)行控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)</b><

64、;/p><p>　　解耦的本質(zhì)在于設(shè)置一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消本來(lái)就存在于過(guò)程中的關(guān)聯(lián)，減少或消除控制回路間的相互干擾。解耦算式是解耦控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)尋求較佳的解耦算式達(dá)到抵消對(duì)象間關(guān)聯(lián)作用的效果。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的解耦控制系統(tǒng)如下圖4-15所示：</p><p>　　圖4-15 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的解耦控制系統(tǒng)框圖</p><p>　

65、　下面介紹解耦前饋控制器的設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　變量定義如下：</b></p><p>　　G11—對(duì)象通道1的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　G21—關(guān)聯(lián)通道1的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　G22—對(duì)象通道2的數(shù)學(xué)模型； </p><p>　　G12—關(guān)聯(lián)通道2的數(shù)學(xué)模型； &

66、lt;/p><p>　　F1—前饋控制器1的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　F2—前饋控制器2的數(shù)學(xué)模型；</p><p><b>　　y1—液位1；</b></p><p><b>　　y2—液位2；</b></p><p><b>　　由系統(tǒng)框圖可得：</b&

67、gt;</p><p><b>　　(4-21)</b></p><p><b>　　(4-22)</b></p><p>　　解耦控制的目的是抵消關(guān)聯(lián)作用，即使u的變化不引起液位1的變化，同時(shí)要求u1的變化不引起液位2的變化，用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：</p><p><b>　　(4-23)&l

68、t;/b></p><p><b>　　(4-24)</b></p><p><b>　　聯(lián)立上述各式得：</b></p><p><b>　　(4-25)</b></p><p><b>　　(4-26)</b></p><p&

69、gt;<b>　　即有：</b></p><p><b>　　(4-27)</b></p><p><b>　　(4-28) </b></p><p>　　控制器PID參數(shù)整定</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)中PID控制器采用PI控制，各參數(shù)整定方法利用Simulink中PID

70、控制模塊中的參數(shù)自整定功能（如圖4-16），選定PID響應(yīng)特性，自動(dòng)生成PI參數(shù)（如圖4-17）。</p><p>　　圖4-16 Simulink中PID控制模塊參數(shù)設(shè)置界面</p><p>　　圖4-17 PID響應(yīng)特性界面</p><p><b>　　控制器仿真實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　不加前饋控制器時(shí)系統(tǒng)

71、的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-18所示</p><p>　　圖4-18 不加前饋控制器的Simulink仿真框圖</p><p>　　根據(jù)式4-27，式4-28以及式4-8，式4-12，式4-16，式4-20求得前饋控制器的數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　　(4-29)</b></p><p><b>　　(4-3

72、0)</b></p><p>　　將前饋控制器加載到Simulink仿真程序，如圖4-19</p><p>　　圖4-19 加前饋控制器的Simulink仿真框圖</p><p>　　加入前饋控制器前后系統(tǒng)階躍響應(yīng)對(duì)比如下圖4-20和圖4-21（主副回路給定階躍信號(hào)分別為20cm和10cm）</p><p>　　圖4-20 加前饋

73、控制器前階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-21 加前饋控制器后階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由上圖可以看出，加入前饋控制器后，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能都得到了很好的改善。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)設(shè)備選型</b></p><p><b>　　電磁流量計(jì)選型</b></p>

74、<p>　　電磁流量計(jì)滿度流量時(shí)液體流速可在1-10m/s范圍內(nèi)選用。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建議不超過(guò)5m/s, 電磁流量計(jì)的范圍度是比較大的，通常不低于20，帶有量程自動(dòng)切換功能的儀表，可超過(guò)50-100. 使用電磁流量計(jì)的前提是被測(cè)液體必須是導(dǎo)電的，不能低于閾值。電導(dǎo)率低予閾值會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差直至不能使用，超過(guò)閾值即使變化也可以測(cè)量，示值誤差變化不大。使用時(shí)還取決于傳感器和轉(zhuǎn)換器問(wèn)流量信號(hào)線長(zhǎng)度及其分布電容

75、，制造廠使用說(shuō)明書(shū)中通常規(guī)定電導(dǎo)率相對(duì)應(yīng)的信號(hào)線長(zhǎng)度。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測(cè)電導(dǎo)率低至5×10一8s/cm的液體。[7]</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用SF10TD-C 一體式電磁流量計(jì)</p><p><b>　　渦輪流量計(jì)選型</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用LWGY10AP型渦輪流量計(jì)，直流24V供電，測(cè)量

76、精度±1%。</p><p><b>　　壓力液位傳感器選型</b></p><p>　　管道壓力。一般選擇管道內(nèi)的壓力要小于渦輪流量計(jì)能夠承受的最大壓力的2/3，測(cè)量壓力一般都是16Kg以下。</p><p>　　流速的限制。一般管道內(nèi)氣體的流速應(yīng)小于15m/s。</p><p>　　管道直徑。在滿足流速限制

77、的條件下，選擇合適的渦輪流量計(jì)的口徑，方便和管道配合安裝使用。</p><p>　　介質(zhì)的溫度。必須要選擇適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)的使用環(huán)境溫度：－20℃ ～ ＋70℃ ，被測(cè)介質(zhì)溫度：－10℃ ～ ＋60℃。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用SP0018 型絕壓變送器，其核心為擴(kuò)散硅壓力傳感器，直流24V供電，測(cè)量精度0.25%。</p><p>&l

78、t;b>　　變頻器選型</b></p><p>　　變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)： </p><p>　　采用變頻的目的：恒壓控制或恒流控制等。 </p><p>　　變頻器的負(fù)載類型：如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。 </p><p>　　變頻器與負(fù)載的匹配問(wèn)題：</p>

79、;<p>　　電壓匹配：變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。 </p><p>　　電流匹配：普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過(guò)載能力。 </p><p>　　轉(zhuǎn)矩匹配：這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。 </p><p>　　在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高

80、速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。 </p><p>　　變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 </p><p>　　對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻

81、器的降容，變頻器容量要放大一擋。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)用的變頻器型號(hào)為三菱FR-S520S-0.4K-CHR，其參數(shù)設(shè)置如下表5.1[8]所示：</p><p>　　表5.1 變頻器各參數(shù)</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具非線性、多輸入多輸出、時(shí)變、耦合等特性，很好地模

82、擬了工業(yè)過(guò)程中的多貯罐系統(tǒng)。同時(shí)，本文采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法, 對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析， 揭示了其關(guān)聯(lián)度可調(diào)的特性，是一個(gè)理想的模擬多貯罐系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。比較解耦控制效果和多回路控制效果可知，兩個(gè)前饋補(bǔ)償控制器組成的前饋網(wǎng)絡(luò)很好地減小了強(qiáng)關(guān)聯(lián)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，顯著提高了強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制性能。</p><p>　　本文基于CS4000 水箱液位系統(tǒng)裝置，分析了系統(tǒng)的物理機(jī)理，實(shí)踐了基于物理機(jī)理和基于階躍響應(yīng)曲線法參

83、數(shù)辨識(shí)的建模方法。并通過(guò)Simulink仿真研究驗(yàn)證辨識(shí)模型的有效性。最后，基于建立的模型進(jìn)行了解耦控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，進(jìn)行了控制器的仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)解耦前后系統(tǒng)階躍響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)踐了基于前饋補(bǔ)償法解耦的控制方法。</p><p><b>　　使用儀器設(shè)備清單</b></p><p>　　電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、壓力傳感器、變頻器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、四水箱、管道、閥門(mén)、2

84、個(gè)水泵、計(jì)算機(jī)等。</p><p><b>　　電磁流量計(jì)</b></p><p>　　電磁流量計(jì)以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，在管道兩側(cè)安放磁鐵，以流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)知管道內(nèi)液體的流速和流量。電磁流量計(jì)的基本原理如圖所示。在一段不導(dǎo)磁的測(cè)量管兩側(cè)裝上一對(duì)電磁鐵，被測(cè)液體從管內(nèi)流過(guò)，管壁上在與磁場(chǎng)垂直的方向上，有一對(duì)與液體接觸的電極，根據(jù)電磁

85、感應(yīng)定律，若管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B[Gs]，管內(nèi)流體的流速為v[cm/s]，切割磁力線的導(dǎo)體的長(zhǎng)度就是兩個(gè)電極間的距離，也就是管道內(nèi)徑D[cm]，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)</p><p>　　e = B·D·v×10-8[V]</p><p>　　圖7-1 電磁流量計(jì)原理示意圖</p><p>　　由于體積流量Q[cm3/s]與流速v 有如下關(guān)系：&

86、lt;/p><p><b>　　Q = </b></p><p>　　由此可見(jiàn)，流量正比于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。</p><p>　　電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是管道中不設(shè)任何節(jié)流元件，因此可測(cè)各種粘度的液體，特別宜于測(cè)量含各種纖維及固體污物的液體。此外，對(duì)腐蝕性液體也很適用，因?yàn)闇y(cè)量管中除一對(duì)由不銹鋼或金、鉑等耐腐蝕材料制成的電極與流體直接接觸外，沒(méi)有其它零件和流

87、體接觸，工作非?？煽俊ｋ姶帕髁坑?jì)的測(cè)量精度約1%，刻度線形，測(cè)量范圍寬，反應(yīng)速度快，且可測(cè)水平或垂直管道中來(lái)回兩個(gè)方向的流量。</p><p>　　SF10TD-C一體式電磁流量計(jì)，內(nèi)壁光滑、無(wú)阻流件，壓力損失為零，測(cè)量精度±0.5%，其結(jié)果不受液體的壓力、溫度、密度、電導(dǎo)率等物理參數(shù)影響，工作可靠。接線如下：</p><p>　　圖7-2 電磁流量計(jì)接線圖</p>

88、<p><b>　　渦輪流量計(jì)</b></p><p>　　渦輪流量計(jì)中渦輪的軸裝在導(dǎo)管的中心線上，流體軸向流過(guò)渦輪時(shí)，推動(dòng)葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速近似正比于流量Q。</p><p>　　渦輪流量計(jì)的輸出，由于軸在管道里面不便直接引出，都采用非接觸的電磁感應(yīng)方式，如根據(jù)磁阻變化產(chǎn)生脈沖的輸出方式。在不導(dǎo)磁的管殼外放著一個(gè)套由感應(yīng)線圈的永久磁鐵，因?yàn)闇u輪葉片

89、是導(dǎo)磁材料制成的，故渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，每片葉片經(jīng)過(guò)磁鐵下面時(shí)，都改變磁路的磁阻，使通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)輸出電脈沖。這種脈沖信號(hào)很易遠(yuǎn)傳，而且積算總量特別方便，只需配用電子脈沖計(jì)數(shù)器即可。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用LWGY10AP型渦輪流量計(jì)，直流24V供電，測(cè)量精度±1%。</p><p>　　圖7-3 渦輪流量計(jì)原理示意圖</p><p>

90、<b>　　壓力液位傳感器</b></p><p>　　下圖是這種根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)示意圖，在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴(kuò)散著一些長(zhǎng)條形電阻。當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。</p><p>　　圖7-4 壓力液位傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了減小半導(dǎo)體電阻隨

91、溫度變化引起的誤差，在硅膜片上常擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補(bǔ)償，如下圖所示。平面式彈性膜片受壓變形時(shí)，中心區(qū)與四周的應(yīng)力方向是不同的。在膜片上用擴(kuò)散法制造電阻時(shí)，將四個(gè)橋臂電阻中的兩個(gè)置于受壓區(qū)，這樣如圖接成推挽電路測(cè)量壓力時(shí)，電阻溫度漂移可以得到很好的補(bǔ)償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時(shí)，橋路輸出信號(hào)幅度可達(dá)幾百毫伏。這樣，后面只要用一個(gè)普通的運(yùn)算放大器，便可將它轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。</p&g

92、t;<p>　　圖7-5 壓力液位傳感器原理圖</p><p>　　工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸V/A電壓、電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4~20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。接線如圖所示。</p><p>　　圖7-6 壓力液位傳感器接線圖</p><p

93、>　　接線說(shuō)明：傳感器為二線制接法，它的端子位于中繼管內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接紅線，白線/藍(lán)線接負(fù)載電阻的一端，負(fù)載電阻的另一端接24V-。傳感器輸出4~20mA 電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電阻250/50Ω轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。當(dāng)負(fù)載電阻接250Ω時(shí)信號(hào)電壓為1~5V，當(dāng)負(fù)載電阻切換成50Ω時(shí)信號(hào)電壓為0.2~1V。</p><p><b>　　變送器的調(diào)試：</b>&l

94、t;/p><p>　　1) 先將變送器安接線圖正確接線。</p><p>　　2) 旋開(kāi)變送器后蓋即可看到零點(diǎn)和滿量程控制電位器。</p><p><b>　　3) 調(diào)整步驟：</b></p><p>　　a．將壓力液位變送器裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上通電預(yù)熱15 分鐘后，再進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　b．將變

95、送器施加下限值壓力，調(diào)整零位控制電位器使其輸出為4mA（接250Ω 負(fù)載電阻后為1V）。</p><p>　　c．將變送器施加上限值壓力，調(diào)整滿度控制電位器使其輸出為20mA（接250Ω 負(fù)載電阻后為5V）。</p><p>　　d．反復(fù)b、c 兩個(gè)步驟，直到使變送器輸出達(dá)到規(guī)定的要求。</p><p><b>　　旋緊變送器后蓋。</b>&l

96、t;/p><p><b>　　電動(dòng)調(diào)節(jié)閥</b></p><p>　　電動(dòng)控制閥通過(guò)改變管路的流通面積來(lái)改變控制通過(guò)的流量。其主要包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體兩部分。控制閥部分主要由閥桿、閥體、閥芯、及閥座等部件組成。當(dāng)閥芯在閥體內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，可改變閥芯閥座間的流通面積。</p><p>　　圖7-7 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制原理圖</p><

97、p>　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用隨動(dòng)系統(tǒng)的方案組成，如上圖所示。從控制器來(lái)的信號(hào)通過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器帶動(dòng)控制閥，同時(shí)經(jīng)位置發(fā)信器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成位置隨動(dòng)系統(tǒng)。依靠位置負(fù)反饋，保證輸入信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為閥桿的行程。</p><p>　　為了簡(jiǎn)單，電動(dòng)執(zhí)行器中常使用兩位式放大器和交流鼠籠式電機(jī)組成交流繼電器式隨動(dòng)系統(tǒng)。執(zhí)行器中的電機(jī)常處于頻繁的啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程中，在調(diào)節(jié)器輸出過(guò)載或其他原因使

98、閥卡住時(shí)，電機(jī)還可能長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了保證電機(jī)在這種情況下不至因過(guò)熱而燒毀，電動(dòng)執(zhí)行器都使用專門(mén)的異步電機(jī)，以增大轉(zhuǎn)子電阻的辦法，減小啟動(dòng)電流，增加啟動(dòng)力矩，使電機(jī)在長(zhǎng)期堵轉(zhuǎn)時(shí)溫升也不超出允許范圍。這樣做雖使電機(jī)效率降低，但大大提高了執(zhí)行器的工作可靠性。</p><p><b>　　變頻器</b></p><p>　　變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)

99、工作電源的頻率和幅度的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。</p><p>　　各國(guó)使用的交流供電電源，無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，其電壓和頻率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz），等等。通常，把電壓和頻率固定不變的

100、交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC）。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”(逆變器)。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器，變頻器也可用于家電產(chǎn)品。</p><p>　　使用變頻器的家電產(chǎn)品中不僅

101、有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱進(jìn)行出售。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。</p><p>　　感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡(jiǎn)稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度

102、近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2 的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變?cè)撝祦?lái)調(diào)整電機(jī)的速度。另外，頻率是電機(jī)供電電源的電信號(hào)，所以該值能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。n=60f/p，n: 同步速度，f: 電源頻率，p: 電機(jī)極數(shù)，改變頻率和電壓是最優(yōu)

103、的電機(jī)控制方法。如果僅改變頻率，電機(jī)將被燒壞。特別是當(dāng)頻率降低時(shí)，該問(wèn)題就非常突出。為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓，例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz 改變到30Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須從200V 改變到約100V。例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。</p>

104、;<p><b>　　水泵</b></p><p>　　水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來(lái)輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。衡量水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等。水泵的選型主要設(shè)計(jì)工作介質(zhì)、工作介質(zhì)特性、揚(yáng)程、流量

105、、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，合適的水泵不但工作平穩(wěn)，壽命長(zhǎng)，且能為用戶最大程度的節(jié)省成本。</p><p><b>　　收獲、體會(huì)和建議</b></p><p>　　在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，不斷出現(xiàn)一些較復(fù)雜的設(shè)備或裝置，這些設(shè)備或裝置的本身所要求的被控制參數(shù)往往較多，因此，必須設(shè)置多個(gè)控制回路對(duì)該種設(shè)備進(jìn)行控制。由于控制回路的增加，往往會(huì)在它們之間造成相互影響的耦合作用，也即系

106、統(tǒng)中每一個(gè)控制回路的輸入信號(hào)對(duì)所有回路的輸出都會(huì)有影響，而每一個(gè)回路的輸出又會(huì)受到所有輸入的作用。要想一個(gè)輸入只去控制一個(gè)輸出幾乎不可能，這就構(gòu)成了“耦合”系統(tǒng)。由于耦合關(guān)系，往往使系統(tǒng)難于控制、性能很差。</p><p>　　四水箱液位控制是非線性、MIMO、時(shí)變、耦合的系統(tǒng),是過(guò)程控制中典型的被控對(duì)象?？刂葡到y(tǒng)輸入輸出間的耦合嚴(yán)重影響控制效果，解耦實(shí)現(xiàn)了輸入輸出間一對(duì)一控制,可以得到好的控制效果。</p

107、><p>　　解耦常用的方法有三種：串聯(lián)解耦控制、反饋解耦控制、前補(bǔ)償法，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用的是前饋補(bǔ)償?shù)慕怦羁刂品椒ā?lt;/p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步了解了采用前饋補(bǔ)償解耦控制方法，并且知道了該方法能顯著地提高多變量關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的控制性能，很好地消除耦合對(duì)控制系統(tǒng)的影響，而且通過(guò)用Simulink仿真實(shí)驗(yàn)也證明了前饋補(bǔ)償解耦方法能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出間一對(duì)一控制的優(yōu)點(diǎn)。</p>

108、<p>　　選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律將一個(gè)多變量系統(tǒng)化為多個(gè)獨(dú)立的單變量系統(tǒng)的控制問(wèn)題。在解耦控制問(wèn)題中，基本目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)控制裝置，使構(gòu)成的多變量控制系統(tǒng)的每個(gè)輸出變量?jī)H由一個(gè)輸入變量完全控制，且不同的輸出由不同的輸入控制。在實(shí)現(xiàn)解耦以后，一個(gè)多輸入多輸出控制系統(tǒng)就解除了輸入、輸出變量間的交叉耦合，從而實(shí)現(xiàn)自治控制，即互不影響的控制。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

109、;/p><p>　　Chai T Y,Lang S J ,Gu X Y1A generalized self2tuning feed2forward controller and multivariable application[C]. Florida :Proceedings of 24th IEEE Conference on Decision and Control ,19851</p><

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111、</p><p>　　陳薇,吳剛.非線性雙容水箱建模與預(yù)測(cè)控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006(8):2078~2085</p><p>　　徐寧壽, 等. 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)及其應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1986 </p><p>　　CS4000高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)</p><p>　　過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)用教程,王小剛,2007年&