水箱溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是一種運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其它信息技術(shù)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的綜合性技術(shù)。主要包括工業(yè)自動(dòng)化軟件、硬件和系統(tǒng)三大部分。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)領(lǐng)域在探索中不斷創(chuàng)新，如今采用自動(dòng)化控制已成為企業(yè)獲取更大利潤(rùn)的有利手段，在

2、當(dāng)今時(shí)代，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用已隨處可見，小到家用電器，大到工業(yè)生產(chǎn)，航天事業(yè)，科技發(fā)展使人們生活水平有了大大的提高。自動(dòng)化控制的引入提高了企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，從而對(duì)推進(jìn)我國(guó)工業(yè)的節(jié)能減排，增加產(chǎn)量起到重大的推動(dòng)作用。但在控制過程中常常會(huì)受到各種因素的干擾使控制儀表無法運(yùn)行在最佳狀態(tài)。</p><p>　　在我國(guó)工業(yè)控制自動(dòng)化的發(fā)展道路，大多是在引進(jìn)成套設(shè)備的同時(shí)進(jìn)行消化吸收，然后進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用。目前我國(guó)工業(yè)控

3、制自動(dòng)化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，目前，工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)中采用的控制方法有很多，例如，PLC控制技術(shù)，單片機(jī)控制技術(shù)，PID調(diào)節(jié)控制等等。為了提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，本文采用理論聯(lián)系實(shí)際設(shè)計(jì)了水箱溫度控制系統(tǒng)，是工業(yè)聯(lián)系生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的真實(shí)模擬與縮影。</p><p>　　本裝置可進(jìn)行溫度、壓力、液位等多種系統(tǒng)以及調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、檢測(cè)等單元的試驗(yàn)。文章中對(duì)水箱

4、的溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)特性在理論上進(jìn)行深入的分析，并通過實(shí)驗(yàn)給于驗(yàn)證。</p><p>　　1 控制理論與過程控制系統(tǒng)的概述 </p><p>　　概括地說，控制論發(fā)展經(jīng)過了三個(gè)時(shí)期：第一階段是四十年代末到五十年代的經(jīng)典控制論時(shí)期，著重研究單機(jī)自動(dòng)化，解決單輸入單輸出（SISO-Single Input Single Output）系統(tǒng)的控制問題；它的主要數(shù)學(xué)工具是微

5、分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)；主要研究方法是時(shí)域法、頻域法和根軌跡法；主要問題是控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度。</p><p>　　第二階段是六十年代的現(xiàn)代控制理論時(shí)期，著重解決機(jī)組自動(dòng)化和生物系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系統(tǒng)的控制問題；主要數(shù)學(xué)工具是一次微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法等等；主要方法是變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論等；重點(diǎn)是最優(yōu)控制、隨機(jī)

6、控制和自適應(yīng)控制；核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī)。</p><p>　　第三階段是七十年代的大系統(tǒng)理論時(shí)期，著重解決生物系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)這樣一些眾多變量的大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化問題；方法是時(shí)域法為主；重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級(jí)遞階控制；核心裝置是網(wǎng)絡(luò)化的電子計(jì)算機(jī)。</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。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

7、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>　　隨著人們物質(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

8、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，無論

9、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、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

10、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>　　1.1 PID 控制的概述和現(xiàn)實(shí)意義 </p><p>　　當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。</p><p>　　這個(gè)理論和應(yīng)用

11、自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。 </p><p>　　PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 </p><p>　　PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t)與

12、輸出u (t)的關(guān)系為u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中積分的上下限分別是0和t 。</p><p>　　因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s) </p><p>　　其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　目前，PID控制機(jī)器

13、控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligent regulator）,其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID空盒子實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破鳎≒LC）

14、是利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。</p><p>　　1.2 PID 控制的基本概念，控制原理及其特點(diǎn)</p><p>　　所謂PID控制，就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律

15、為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技</p><p>　　術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也

16、有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。</p><p><b>　　比例（P）控制</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

17、>　　積分（I）控制</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(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

18、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，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　微分（D）控制</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

19、存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或滯后（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

20、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><p><b>　　1.3過程控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　1.3.1 概述</b></p><p>　　生產(chǎn)過程中，對(duì)各個(gè)工藝過程的物理量（或稱工藝變量）有一定的控制要求。有些工藝變量直接表征生產(chǎn)過程，對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量

21、和質(zhì)量起著決定性的作用。例如，精餾塔的塔頂或塔釜溫度，一般在操作壓力不變的情況下，必須保持一定，才能得到合格的產(chǎn)品；加熱爐出口溫度的波動(dòng)不能超出允許范圍，否則將影響后一工段的效果化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)，才能使效率達(dá)到指標(biāo)。有些工藝變量雖不直接地影響產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，然而保持其平穩(wěn)卻是使生產(chǎn)獲得良好控制的前提。例如，用蒸汽加熱反應(yīng)器或再沸騰器，在蒸汽總壓波動(dòng)劇烈的情況下，要把反應(yīng)溫度或塔釜溫度控制好將極為困難；中間貯槽的液位高度

22、與氣柜壓力，必須維持在允許的范圍之內(nèi)，才能使物料平衡，保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)。有些工藝變量是決定安全生產(chǎn)的因素，例如，鍋爐鍋筒的液位、受壓容器的壓力等，不允許超出規(guī)定的限度，否則將威脅生產(chǎn)的安全。對(duì)以上各種類型的變量，在生產(chǎn)過程中，都必須加以必要的控制。</p><p>　　1.3.2 過程控制的特點(diǎn)</p><p>　　過程控制的特點(diǎn)是與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)相比較而言的，大致可歸納如下：<

23、/p><p>　　連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制</p><p>　　過程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，其被控量需定量地控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。若控制動(dòng)作在時(shí)間上是離散的（如采樣控制系統(tǒng)等），但是其被控量需定量控制，也歸如過程控制。</p><p>　　過程控制系統(tǒng)由過程檢測(cè)、控制儀表組成</p><p>　　過程控制是通過各種檢測(cè)儀表、控制儀表

24、（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模 </p><p>　　擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。一個(gè)過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測(cè)控制儀表兩部分組成的。過程檢測(cè)控制儀表包括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括計(jì)算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)工業(yè)過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測(cè)控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再通過PID參數(shù)的

25、整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的最佳控制。</p><p>　　被控過程是多種多樣的、非電量的</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)過程很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝求各異，產(chǎn)</p><p>　　品品種多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。諸如石油化工過程中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)、流體設(shè)備、熱工過程中的鍋爐、熱交換器；冶金過程中的轉(zhuǎn)爐、平爐；機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐

26、等。它們的動(dòng)態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線性特性。有些機(jī)理復(fù)雜（如發(fā)酵、生化過程等）的過程至今尚未被人們所認(rèn)識(shí)，所以很難用目前過程辨識(shí)方法建立其精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種過程的控制系統(tǒng)并非易事。</p><p>　　過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制</p><p>　　由于被控過程具有大慣性、大滯后等特性，因此決定了過程控制的控制過程多屬慢過程。另外，在石油、化

27、工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往采用一些物理和化學(xué)量（如溫度、壓力、流量、液位、成分、PH等）來表征其生產(chǎn)過程是否正常，因此需要對(duì)上述過程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，故過程控制多半為參量控制。</p><p>　　過程控制方案十分豐富</p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生成的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復(fù)雜，對(duì)過程控制的要求越來越高過</p><p>

28、;　　程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復(fù)雜、多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等等。為了滿足上述特點(diǎn)與工藝要求，過程控制中的控制方案是十分豐富的。通常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)；有儀表過程控制系統(tǒng)，也有計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)；有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系統(tǒng)。</p><p>　　定值控制是過程控制的一種常用形式</p><

29、p>　　在石油、化工、電力、冶金、輕工、環(huán)保和原子能等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，</p><p>　　過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定在給定值上，是工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗的目標(biāo)。定值控制仍是目前過程控制的一種常用形式。</p><p>　　1.3.3 閉環(huán)控制與開環(huán)控制</p><p><b>　　1、開環(huán)控

30、制系統(tǒng)</b></p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)（open-loop control system）是指被控對(duì)象的輸出（被控制量）對(duì)控制器（controller）的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。</p><p>　　圖1-1 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成</p><p><b>　　2、閉環(huán)控制系統(tǒng)<

31、/b></p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋（Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)

32、具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源。它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　1.3.4 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)</p&

33、gt;<p>　　過程控制系統(tǒng)在運(yùn)行中有兩種狀態(tài)。一種是穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)沒有收到外來干擾或外來干擾恒定，同時(shí)給定值亦保持不變，因而被控參數(shù)也不會(huì)隨時(shí)間變化，整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡的工況。另一種是動(dòng)態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到變化的外來干擾的影響或者在改變了給定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統(tǒng)中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，被控參數(shù)也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時(shí)間變化。設(shè)置控制系統(tǒng)的目的就是希望在經(jīng)過一段時(shí)間后，被控參數(shù)能穩(wěn)定在新的給定值或其附

34、近。這種從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的歷程稱為過渡過程。由于被控過程總是不時(shí)受到各種外來干擾的影響，即系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)過渡過程，因而評(píng)價(jià)一個(gè)過程控制系統(tǒng)的性能、質(zhì)量、主要看它在受到外來擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，能否迅速地、準(zhǔn)確地且平穩(wěn)地恢復(fù)到原給定值上、這種控制性能的評(píng)價(jià)和比較，通常采用如下兩種時(shí)域形式的性能指標(biāo)：</p><p><b>　　衰減比</b></p><p&

35、gt;　　衰減比是衡量過渡過程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它的定義是第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。若用B表示第一個(gè)波的振幅，Bˊ表示同方向第二個(gè)波的振幅，則衰減比n=B/Bˊ。然而，對(duì)衰減比振蕩而言，n恒大于1。n越小,意味著控制系統(tǒng)的振蕩過程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，n接近于1時(shí)，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于等幅振蕩過程；反之，n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過渡過程接近于非振蕩過程。衰減比究竟以多大為合適，沒

36、有確定的定論，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過渡過程有兩個(gè)波左右，與此對(duì)應(yīng)的衰減比在4:1~10:1的范圍內(nèi)。也有人用衰減率來反映衰減情況。</p><p>　　最大動(dòng)態(tài)偏差e或超調(diào)量Q</p><p>　　最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量是描述被控變量偏離設(shè)定值最大程度的物理量，也是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差是指被控變量第一個(gè)波的峰值

37、。在設(shè)定作用下的控制系統(tǒng)中，通常采用超調(diào)量Q這個(gè)指標(biāo)來表示被控變量偏離設(shè)定值的程度，它的定義是第一個(gè)波的峰值與最終穩(wěn)態(tài)值之差。最大動(dòng)態(tài)偏差或超調(diào)量越大，生產(chǎn)過程瞬時(shí)偏離設(shè)定值就越遠(yuǎn)。</p><p><b>　　余差C=e(o)</b></p><p>　　余差是控制系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差，e(o)=r-y(o).余差是</p>&

38、lt;p>　　反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過預(yù)定的范圍，但不是所</p><p>　　有的控制系統(tǒng)對(duì)余差都有很高的要求，如一般貯槽的液位控制，對(duì)余差的要求就不是很高，</p><p>　　而往往允許液位在一定范圍內(nèi)變化。</p><p>　　回復(fù)時(shí)間Ts和振蕩頻率W</p><p>　　回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過

39、渡過程的長(zhǎng)短，也就是控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。嚴(yán)格地講，控制系統(tǒng)在受到階躍外的作用后，被控變量完全達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值需要無限長(zhǎng)時(shí)間。但實(shí)際上當(dāng)被控變量的變化幅度衰減到足夠小，并保持在一個(gè)極小的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間還是有限的。對(duì)于輸入作用下的控制系統(tǒng)，被控變量進(jìn)入工藝允許的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間稱回復(fù)時(shí)間?；貜?fù)時(shí)間短，表示控制系統(tǒng)的過渡過程。即使擾動(dòng)頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)；反之，過渡時(shí)間長(zhǎng)。顯然，回

40、復(fù)時(shí)間越短越好。它是反映控制快速性的一個(gè)指標(biāo)。</p><p>　　1.3.5 過程控制系統(tǒng)的研究對(duì)象與任務(wù)</p><p>　　過程控制系統(tǒng)是自動(dòng)化學(xué)科的一個(gè)分支，研究的任務(wù)是對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。</p><p>　　過程控制系統(tǒng)的第一個(gè)任務(wù)是對(duì)已有的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)存在不足并加于改進(jìn)。第二個(gè)任務(wù)是生產(chǎn)過程的工藝流程確定后，設(shè)計(jì)

41、滿足工藝要求的控制方案。第三個(gè)任務(wù)是在控制方案確定后，如何使控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并發(fā)揮其功能。過程控制系統(tǒng)是以控制系統(tǒng)為主體，控制理論為基礎(chǔ)，生產(chǎn)過程與工藝為一翼，自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)為一翼。</p><p>　　控制理論的移植和改造、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究、控制算法的設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等是控制理論與生產(chǎn)工藝過程、自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)的有機(jī)結(jié)合，是它們?cè)谶^程控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用。</p><p>

42、;<b>　　2 傳遞函數(shù)</b></p><p>　　2.1 傳遞函數(shù)的基本概念</p><p>　　零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)（即輸出）量的拉普拉斯變換與激勵(lì)（即輸入）量的拉普拉斯變換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s),其中Y(s)、U(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函數(shù)是描述線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基本數(shù)學(xué)工具之一，經(jīng)典控制理論的主要研究方法——頻率響

43、應(yīng)法和根軌跡法——都是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)之上。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程是對(duì)應(yīng)的。可根據(jù)組成系統(tǒng)各單元的傳遞函數(shù)和它們之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系導(dǎo)出整體系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并用它分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性，或根據(jù)給定要求綜合控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)滿意的控制器。以傳遞函數(shù)為工具分析和綜合控制系統(tǒng)的方法稱為頻域法。它不但是經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)，而且在以時(shí)域方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論發(fā)展過程中，也不斷發(fā)展形成了多變量頻域控制理論，成為研究多變量控制系統(tǒng)的

44、有用工具。傳遞函數(shù)中的復(fù)變量s在實(shí)部為零、虛部為角頻率時(shí)就是頻率響應(yīng)。</p><p>　　2.2 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>　　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)</p><p>　　給定后，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)y(s)由G(s)U(s)運(yùn)用拉普拉斯反

45、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&

46、gt;　　3 根軌跡法</b></p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　1948年，W.R.Evans提出了一種求特征根的簡(jiǎn)單方法，并且在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。這一方法不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統(tǒng)某一參數(shù)的全部數(shù)值關(guān)系，當(dāng)這一參數(shù)取特定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的特征根可在上述關(guān)系圖中找到。這種方法叫

47、根軌跡法。根軌跡法具有直觀的特點(diǎn)，利用系統(tǒng)的根軌跡可以分析結(jié)構(gòu)和參數(shù)已知的閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，還可分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在設(shè)計(jì)線性控制系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求確定可調(diào)整參數(shù)以及系統(tǒng)開環(huán)零極點(diǎn)的位置，即根軌跡法可以用于系統(tǒng)的分析與綜合。</p><p>　　3.2 根軌跡的基本概念</p><p>　　根軌跡是開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變化到無窮大時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)特征根

48、在s平面上變化的軌跡。可分成常義根軌跡和廣義根軌跡。</p><p>　　3.3 繪制根軌跡的規(guī)則</p><p>　　在控制系統(tǒng)的分析和綜合中，往往只需要知道根軌跡的粗略形狀。由相角條件和幅值條件所導(dǎo)出的8條規(guī)則，為粗略地繪制出根軌跡圖提供方便的途徑。 </p><p>　　根軌跡的分支數(shù)等于開環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)的個(gè)數(shù)。</p><p>　　根

49、軌跡的始點(diǎn)（相應(yīng)于K=0）為開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，根軌跡的終點(diǎn)（相</p><p>　　應(yīng)與K=∞）為開環(huán)傳遞函數(shù)的有窮零點(diǎn)或無窮遠(yuǎn)零點(diǎn)。</p><p>　　根軌跡形狀對(duì)稱于坐標(biāo)系的橫軸（實(shí)軸）。</p><p>　　實(shí)軸上的根軌跡按下述方法確定：將開環(huán)傳遞函數(shù)的位于實(shí)軸上的極點(diǎn)</p><p>　　和零點(diǎn)由右至左順序編號(hào)，由奇數(shù)點(diǎn)至偶數(shù)點(diǎn)間

50、的線段為根軌跡。</p><p>　　實(shí)軸上兩個(gè)開環(huán)極點(diǎn)或兩個(gè)開環(huán)零點(diǎn)間的根軌跡段上，至少存在一個(gè)分</p><p>　　離點(diǎn)或會(huì)合點(diǎn)，根軌跡將在這些點(diǎn)產(chǎn)生分岔。</p><p>　　在無窮遠(yuǎn)處根軌跡的走向可通過畫出其漸近線來決定。漸近線的條數(shù)等</p><p>　　于開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)數(shù)與零點(diǎn)數(shù)之差。</p><p>

51、;　　7.根軌跡沿實(shí)點(diǎn)的走向由出射角決定，根軌跡到達(dá)終點(diǎn)的走向由入射角決定。</p><p>　　8.根軌跡與虛軸（縱軸）的交點(diǎn)對(duì)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性很重要，其位置和相應(yīng)的K值可利用代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)來決定。</p><p>　　3.4 根軌跡法的應(yīng)用 根軌跡的應(yīng)用主要有三個(gè)方面。</p><p>　　1、用于分析開環(huán)增益（或其他參數(shù)）值變化對(duì)系統(tǒng)行為的影響：在控制系

52、統(tǒng)的極點(diǎn)中，離虛軸最近的一對(duì)孤立的共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的過渡過程行為具有主要影響，稱為主導(dǎo)極點(diǎn)對(duì)。在根軌跡上，很容易看出開環(huán)增益不同取值時(shí)主導(dǎo)極點(diǎn)位置的變化情況，由此可估計(jì)出對(duì)系統(tǒng)行為的影響。</p><p>　　2、用于分析附加環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響：為了某種目的常需要在控制系統(tǒng)中引入附加環(huán)節(jié)，這就相當(dāng)于引入新的開環(huán)極點(diǎn)和開環(huán)零點(diǎn)。通過根軌跡便可估計(jì)出引入的附加環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p>&l

53、t;p>　　3、用于設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的校正裝置：校正裝置是為了改善控制系統(tǒng)性能而引入系統(tǒng)的附加環(huán)節(jié)，利用根軌跡可確定它的類型和參數(shù)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.水箱規(guī)格：長(zhǎng)&#

54、215;寬×高=0.25×0.2×0.4m</p><p>　　2.電加熱器功率：2.5kw×2</p><p><b>　　3.性能指標(biāo)：</b></p><p>　?。?）液位系統(tǒng)：液位L=30cm,余差C≤±5mm，衰減比n>4:1 調(diào)整時(shí)間Ts≤4min</p>&l

55、t;p>　?。?）溫度系統(tǒng)：溫度T=50℃,余差C≤±0.2℃，衰減比n=10:1，調(diào)整時(shí)間Ts≤4min</p><p>　　4.1.2 控制方案的選擇</p><p>　　圖 4-1 系統(tǒng)控制方案圖</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)組成

56、：1、被控水槽 2、電加熱器 3、晶閘管電路 4、電壓調(diào)整器TD 5、開方器KD 6、溫度調(diào)節(jié)器 TC 7、溫度檢測(cè)TT 8、液位調(diào)節(jié)器LC 9、執(zhí)行器M</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　4.2 溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4-3 自動(dòng)溫度控制電路框圖</p><p>

57、　　加熱器CL和熱電阻Rt組成水箱測(cè)溫控制組件。當(dāng)溫度變化時(shí)，放置在水箱的內(nèi)的熱電阻Rt阻值發(fā)生變化，通過溫度-電壓轉(zhuǎn)換電路，線性化放大電路，送入控制放大器，該控制放大器將線性化放大電路的輸出信號(hào)與溫度設(shè)定電路的輸出比較，以決定電流驅(qū)動(dòng)器的通斷，控制加熱器CL是否工作。在控制放大器和電流驅(qū)動(dòng)器之間還設(shè)有PID控制電路，適當(dāng)選擇比例常數(shù)P、積分常數(shù)I和微分常數(shù)D可以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的溫度控制。</p><p>　　4.

58、3 控制系統(tǒng)原理接線圖</p><p>　　圖4-4 控制原理系統(tǒng)接線圖</p><p>　　5 自動(dòng)化儀表的選擇及參數(shù)確定</p><p>　　5.1 自動(dòng)化儀表概述</p><p>　　自動(dòng)化儀表是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要工具。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)儀表將被控變量轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)后，還需送控制儀表，以便控制生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，使被控變量達(dá)到

59、預(yù)期的要求。這里所指的控制儀表包括在自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛使用的控制器、變送器、運(yùn)算期、執(zhí)行器等，以及新型控制儀表及裝置。圖5-1為由控制儀表與控制對(duì)象組成的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)框圖。</p><p>　　圖5-1 控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　5.2 自動(dòng)化儀表類型</p><p>　　通常, 控制儀表及裝置可按能源形式、 信號(hào)類型,和結(jié)構(gòu)形式來分類。</p>

60、;<p><b>　　一、按能源形式分類</b></p><p>　　可分為電動(dòng), 氣動(dòng), 液動(dòng)和機(jī)械式等幾類 。 工業(yè)上普遍使用電動(dòng)控制儀表和氣動(dòng)控</p><p>　　制儀表。電動(dòng)控制儀表具有能源獲取方便, 信號(hào)傳輸和處理容易, 便于實(shí)現(xiàn)集中顯示和操作等特點(diǎn) 。 目前在工業(yè)上電動(dòng)控制儀表得到了最為廣泛的應(yīng)用 。氣動(dòng)控制儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能穩(wěn)定,

61、可靠性高, 易于維護(hù),安全防爆等特點(diǎn) 。 特別適用于石油, 化工等具有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合 。</p><p><b>　　二、按信號(hào)類型分類</b></p><p>　　可分為模擬式和數(shù)字式兩大類 。模擬式控制儀表由模擬元器件組成, 其傳輸信號(hào)通常為連續(xù)變化的模擬量, 如電流信號(hào), 電壓信號(hào), 氣壓信號(hào)等 。數(shù)字式控制儀表以微處理器, 單片機(jī)等大規(guī)模集成電路芯片為核心。

62、其傳輸信號(hào)通常為段續(xù)變化的數(shù)字量, 如脈沖信號(hào) 。</p><p><b>　　三、按結(jié)構(gòu)形式分類</b></p><p>　　可分為單元組合式控制儀表, 基地式控制儀表, 集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 。</p><p>　　1、單元組合式控制儀表</p><p>　　是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使

63、用要求, 將儀表做成能實(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表 （ 稱為單元 ）, 各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系 。 這類儀表有電動(dòng)單元組合儀表 （ DDZ） 和氣動(dòng)單元組合儀表 （ QDZ） 兩大類 。單元組合儀表可分為變送單元, 執(zhí)行單元, 控制單元, 轉(zhuǎn)換單元,運(yùn)算單元, 顯示單元, 給定單元和輔助單元等八類 。</p><p>　?。?）．變送單元 它能將各種被測(cè)參數(shù), 如溫度, 壓力, 流量, 液位等物理量變

64、換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào) （ 4— 20mA,0— 10mA或 20— 100kPa） 傳送到接受儀表或裝置, 以供指示, 記錄或控制 。變送單元的品種有：溫度變送器, 壓力變送器, 差壓變送器, 流量變送器, 液位變送器等 。</p><p>　?。?）．執(zhí)行單元 它有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按能源劃分有氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器和液動(dòng)執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)閥可以根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和流量特性進(jìn)行分類。這些分類方法可以很

65、好地進(jìn)行對(duì)儀表的執(zhí)行。</p><p>　?。?）．轉(zhuǎn)換單元 轉(zhuǎn)換單元將電壓, 頻率等電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào),或者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換, 以使不同信號(hào)可以在同一控制系統(tǒng)中使用轉(zhuǎn)換單元的品種有：直流毫伏轉(zhuǎn)換器, 頻率轉(zhuǎn)換器, 電 -氣轉(zhuǎn)換器,氣 -電轉(zhuǎn)換器等 。</p><p>　　（4）．控制單元 它將來自變送單元的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較,按照偏差給出控制信號(hào), 去控制執(zhí)行

66、器的動(dòng)作 ?？刂茊卧钠贩N有：比例積分微分控制器, 比例積分控制器, 微分控制器以及具有特種功能的控制器等 。</p><p>　?。?）．運(yùn)算單元 它將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除,開方、平方等運(yùn)算，適用于多種參數(shù)綜合控制、比值控制、流量信號(hào)的溫度壓力補(bǔ)償計(jì)算等。品種有：指示儀, 指示記錄儀, 報(bào)警器, 比例積算器和開方積算器等。</p><p>　　（6）．顯示單元 它對(duì)各種

67、被測(cè)參數(shù)進(jìn)行指示, 記錄, 報(bào)警和積算, 供操作人員監(jiān)視控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過程工況之用 。顯示單元輸出的控制信號(hào)或手動(dòng)操作信號(hào), 去改變控制變量的大小。</p><p>　?。?）．給定單元 它將輸出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào), 作為被控變量的給定值送到控制單元, 實(shí)現(xiàn)定值控制 。給定單元的品種有：恒流給定器, 定值器, 比值給定器和時(shí)間程序給定器等 。</p><p>　　（8）．輔助單元 輔助單元是

68、為了滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)某些要求而增設(shè)的儀表, 如操作器, 阻尼器, 限幅器, 安全柵等等 。</p><p><b>　　2、基地式控制儀表</b></p><p>　　基地式控制儀表是以指示、記錄儀表為主體，附加控制機(jī)構(gòu)而組成。它不僅能對(duì)某變量進(jìn)行指示或記錄，還具有控制功能?；厥侥M儀表一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；基地式數(shù)字儀表則功能較齊全，具有較高的性價(jià)比。這類儀表用于單機(jī)

69、自動(dòng)化系統(tǒng)。</p><p>　?。?）．集散控制系統(tǒng) （ DCS系統(tǒng) ）</p><p>　　DCS系統(tǒng)是一種以微型計(jì)算機(jī)為核心，在控制技術(shù)(Control)、計(jì)算機(jī)技術(shù)(Computer)、通信技術(shù)(Communication)、屏幕顯示技術(shù)(CRT)四“C”技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上研制成的一種計(jì)算機(jī)控制裝置。 其基本特點(diǎn)是分散控制, 集中管理 。</p><p>

70、　?。?）．現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) （ FCS系統(tǒng) ）</p><p>　　FCS系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它將具有數(shù)字通信功能的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連接成工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)聯(lián)系起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)控制和雙向數(shù)字通 。</p>

71、<p>　　5.3 裝置的儀表選擇</p><p>　　采用DDZ-Ⅱ單元組合儀表，統(tǒng)一信號(hào)0～10mADC</p><p>　　1.調(diào)節(jié)器（PID）：DTL-321 比例度P=0～200% TD=0～300s TI=0～1200s</p><p>　　2.開方器：DJK-03 為使調(diào)節(jié)器輸出與熱量成正比而引入。</p><p&

72、gt;　　輸入輸出信號(hào)：0～10mA DC I出</p><p>　　3.電加熱器：SRS3-220/2.5×2臺(tái) Q=0.24V2/R=0.001756 V2 (千卡/分) （R=8.3Ω）時(shí)間常數(shù)TR=1/3 分</p><p>　　4.可控硅電壓調(diào)節(jié)器：ZK-50 輸入：0～10mA 輸出：0～220VAC Kv=22</p><p&

73、gt;　　5.溫度變送器：DBW-120 輸入：50～71.40Ω 輸出：0～10mA</p><p>　　6.銅熱電阻Cu50：輸入：0℃～100℃ 輸出：50Ω～71.4Ω</p><p>　　KCu= （71.4-50）/100-0=0.214 Ω/℃ 時(shí)間常數(shù) T=2.5分</p><p><b>　　6 系統(tǒng)的性能分析<

74、/b></p><p>　　6.1 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)及方框圖</p><p>　　圖 6-1 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)方框圖</p><p><b>　　系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性求取：</b></p><p><b>　　理論分析計(jì)算法：</b></p><p>　　輸入熱量：電加熱器

75、供給W入=0.24×R／V2×60/1000（千卡）</p><p><b>　　輸出量：水溫T℃</b></p><p>　　進(jìn)水Q1帶入熱量W1=Q1CT1 （Q1為入水量（Kg/分），T1冷水水溫）</p><p>　　出水Q2帶走熱量W2=Q2CT （Q2出水量（Kg/分） T 水溫）</p>

76、;<p>　　水箱間壁散失熱量W0=（T-T0）/Rs (T0室溫，Rs熱阻 （千卡/℃）)</p><p><b>　　熱量平衡方程式：</b></p><p>　　靜態(tài)平衡：W入+W1=W2+W0 T不變</p><p>　　動(dòng)態(tài)方程式：（W入+W1）-（W2+W0）=GC×dT/dt</p>

77、<p>　　即：W入= GC×dT/dt+Q2CT+（T-T0）/Rs-Q1C T1</p><p>　　兩邊拉式變換可得：W入（S）=GC·ST（s）+Q2CT（s）+1/Rs×T(s)</p><p>　　=T（s）[GCS+Q2C+1/Rs]</p><p>　　Ts/W入（S）=1/[GCS+(Q2C+1/Rs)]=

78、K/（TS+1）=W(s) 其中 K=1/（Q2C+1/Rs）,T=GC/(Q2C+1/Rs)一階慣性環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　2.實(shí)驗(yàn)測(cè)定法</b></p><p>　　在系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下，電加熱器電壓從75VAC階躍變化到100VAC時(shí)，測(cè)得溫度響應(yīng)曲線。測(cè)量數(shù)據(jù)如下表</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)列表為： </p

79、><p>　　表6-1 實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)</p><p>　　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：G=15kg,L=30cm,T0=15℃,T1=10℃,Rs=8.3Ω Q2=0.65 kg/分</p><p>　　求得：{ T=GC/（Q2C+1/Rs）=20 分</p><p><b>　　K=1.33</b></p><p

80、>　　W（s）=1.33/（20S+1）</p><p><b>　　二點(diǎn)法：</b></p><p>　　利用響應(yīng)曲線求對(duì)象傳遞函數(shù)：</p><p>　　圖6-2 響應(yīng)曲線</p><p><b>　　放大倍數(shù)</b></p><p>　　Δy=34℃-24℃=1

81、0℃</p><p>　　Δx=0.24×60×（1002-752）/(1000×8.3)=7.6 千卡/分</p><p>　　K=Δy/Δx=10/7.6=1.32 分℃/千卡</p><p>　　無因次比：y*(t)=y(t)/y(∞)=0~1</p><p>　　y*(t)=0.7,對(duì)應(yīng)t7 =26分

82、</p><p>　　t4=1/3 t7 =26/2.4=10.8</p><p><b>　　y4*=0.26</b></p><p>　　T=t7/2.4=26/2.4=10.8</p><p>　　由y4*-Δ2曲線上，求得Δ2=0.58，Δ=0.76</p><p>　　T1=T（1+Δ）

83、=19分</p><p>　　T2=T（1-Δ）=2.4分</p><p>　　G（s）=1.32/(19s+1)(2.4s+1)</p><p>　　表6-2 y4﹡與Δ²關(guān)系</p><p>　　圖6-3 y4﹡—Δ²曲線</p><p><b>　　2、性能分析</b>

84、</p><p><b>　　系統(tǒng)要求指標(biāo)：</b></p><p>　　由自動(dòng)控制原理過渡過程的質(zhì)量指標(biāo)</p><p><b>　　要求的閉環(huán)極點(diǎn)位置</b></p><p>　　陰影部分為滿足性能指標(biāo)區(qū)域</p><p>　　圖6-4 根軌跡合格區(qū)</p>

85、<p><b>　　未校正系統(tǒng)的根軌跡</b></p><p><b>　　開環(huán)傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　20％Q2擾動(dòng)下穩(wěn)定誤差由終值定理可求：</p><p>　　由根軌跡繪圖規(guī)則畫出校正前根軌跡如圖：</p><p>　　圖 6-5 校正前的根軌跡</p>

86、;<p>　　可見，動(dòng)靜態(tài)均不滿足指標(biāo)要求，所以需要進(jìn)行參數(shù)整定。</p><p>　　6.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定</p><p>　　根軌跡法的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：</p><p>　　1． PD調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定</p><p><b>　?。ㄑa(bǔ)償相角）</b></p><p><b

87、>　　用作圖法得到：</b></p><p>　　圖6-6 PD整定</p><p>　　整定后的開環(huán)傳遞函數(shù) </p><p><b>　　滿足系統(tǒng)要求。</b></p><p>　　整定后根軌跡繪圖規(guī)則如下圖</p><p>　　圖6-7 整定后的根軌跡</p

88、><p><b>　　工程整定法：</b></p><p>　　1.反應(yīng)曲線法（動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法）</p><p>　　反應(yīng)曲線法是通過階躍信號(hào)的輸入，通過在輸出圖形中，可以找到停滯時(shí)間。</p><p>　　如圖6-8為輸入信號(hào):</p><p>　　圖6-8 輸入信號(hào) </p>

89、<p>　　下圖6-9為輸出信號(hào):</p><p>　　圖6-9 輸出信號(hào)</p><p>　　表6-3列出了PID在不同輸入情況下，可通過計(jì)算求出和</p><p>　　表6-3 PID參數(shù)值</p><p>　　由響應(yīng)曲線測(cè)得 T=19分， =2分，K = 0.9</p><p><b>

90、;　　PD : </b></p><p>　　P = 0.8 = 0.8 = 0.075 ， =13.2</p><p>　　= 0.3 = 0.32 = 0.6分</p><p><b>　　PID:</b></p><p>　　P = 0.850.92/19 = 0.08， = 2=4分</

91、p><p><b>　　=0.5 =1分</b></p><p><b>　　2、臨界比例度法</b></p><p>　　臨界比例度法，是通過改變放大倍數(shù)，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止，看此時(shí)的比例度，找到振蕩周期。如圖6-10所示。</p><p>　　圖6-10臨界比例度法</p><

92、p>　　表6-4為臨界比例度法在PI、PD、PID分別作用下各個(gè)參數(shù)的值。</p><p>　　表6-4臨界比例度法</p><p>　　3、 衰減曲線法（n=4:1）</p><p>　　衰減曲線法是通過改變放大倍數(shù)，直到輸出響應(yīng)衰減至溫度為止，通過衰減比，找到穩(wěn)定時(shí)間。如圖6-11所示為衰減曲線。</p><p>　　圖6-11衰減

93、曲線法</p><p>　　表6-5為衰減曲線在PI、PD、PID分別作用下各個(gè)參數(shù)的值。</p><p>　　表6-5 PID參數(shù)值</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)測(cè)定，當(dāng)水位穩(wěn)定于Q=0.7㎏／min, P=3％，Td=1.5min,水溫穩(wěn)定于50℃。當(dāng)出水流量突然增大為Q=0.8

94、2㎏／min時(shí)，系統(tǒng)過渡過程的衰減比n=6:1>4:1,調(diào)整時(shí)間Ts=4min<5min,余差C<0.2℃,達(dá)到了滿意的控制指標(biāo)。系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，工作穩(wěn)定。</p><p>　　通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)過程控制的發(fā)展有了更深刻的認(rèn)識(shí)，在過程中增強(qiáng)了我的分析問題和動(dòng)手的能力，為以后的發(fā)展增加了知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。在今后的學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)加倍努力，爭(zhēng)取更大的進(jìn)步。將來走上工作崗位兢兢業(yè)業(yè)，埋頭苦干，成為適應(yīng)

95、社會(huì)的優(yōu)秀人才！</p><p><b>　　謝辭</b></p><p>　　本畢業(yè)論文是在指導(dǎo)老師xx老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，xx老師都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，在此，致以我最誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)還要感謝四年來幫助和細(xì)心輔導(dǎo)教育過我的xx老師……一路走來，從你們的身上我收獲無數(shù)，卻無以回報(bào)，謹(jǐn)此一并表達(dá)我的謝意。</p

96、><p>　　隨著畢業(yè)論文的完成，四年的大學(xué)美好時(shí)光也漸近尾聲，回想四年大學(xué)生活，我不但學(xué)到了許多專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了許多做人的道理。濱海教師們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、淵博卓著的學(xué)識(shí)才華和傳道授業(yè)、以身作則、xx尚無私的敬業(yè)精神深深感染了我。四年的學(xué)習(xí)生活使同學(xué)們之間也結(jié)下了深厚的友誼。俗話說天下沒有不散的宴席，在此畢業(yè)即將來臨之際，我衷心地祝愿同學(xué)和朋友們?cè)谝院蟮娜松缆吩阶咴綄挘覀儗⑹冀K記得我們?cè)谇鄭u這個(gè)美麗的地方

97、共同學(xué)習(xí)和生活。這將是我克服困難、不斷前進(jìn)的精神動(dòng)力。</p><p>　　最后，我還要感謝養(yǎng)育我的父母，是他們辛辛苦苦供我上學(xué)，給了我學(xué)習(xí)知識(shí)，增長(zhǎng)本領(lǐng)的機(jī)會(huì)。以后的日子我將盡我所能回報(bào)他們，回報(bào)社會(huì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王建輝主編.自動(dòng)控制原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007.&l

98、t;/p><p>　　[2]俞金壽，孫自強(qiáng)編著.過程控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[3]邵裕森，戴先中主編.過程控制工程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[4]張國(guó)雄，金芷主編.測(cè)控電路[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.</p><p>　　[5]姜秀英，姜濤主編.傳感器與

99、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M]．北京：北京中國(guó)電力出版社，2000.</p><p>　　[6]賈文超主編.電氣工程導(dǎo)論[M]．陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[7]巨永鋒，李登鋒主編.最優(yōu)控制[M]．四川：重慶大學(xué)出版社，2009.</p><p>　　[8]高永德主編.監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化儀表[M]．黑龍江：黑龍江人民出版社，2000.</p&g

100、t;<p>　　[9]李軍主編.檢測(cè)技術(shù)及儀表[M]．北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[10]侯志林主編.過程控制與自動(dòng)化儀表[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[11]胡壽松主編.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程[M]．北京：科學(xué)出版社，2008.</p><p>　　[12]陳夕松主編.過程控制系統(tǒng)[M]．北京

101、：科學(xué)出版社，2005.</p><p>　　[13]郭雷主編.控制理論導(dǎo)論[M]．北京：科學(xué)出版社，2005.</p><p>　　[14]鄭大鐘主編.線性系統(tǒng)理論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1990.</p><p>　　[15]陳啟宗主編.線性系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)[M]．北京：科學(xué)出版社，1988.</p><p>　　[16]Atnert

102、on.DP.Nonlinear Control Engineering[M]．Van Nonstrand: Rein-Hold </p><p>　　Company Limited,1975.</p><p>　　[17]Jacquot.RG.Modern Digital Control Systems[M]．Marcel:Dekker Inc,1981.</p><p