雙容水箱液位控制開題報告.doc

自動控制系統(tǒng)課程設計雙容水箱系統(tǒng) 開題報告學校：北京工業(yè)大學學院：電控學院 專業(yè)：自動化班級：組號：第五組組員： 實驗日期：指導教師：目 錄1、緒論22、研究對象的數(shù)學模型及特性分析33、控制系統(tǒng)的性能指標要求54、控制器的選擇與控制方案的設計與仿真65、擬采用的實驗步驟及理想的實驗曲線156、模型參數(shù)獲取的實驗設計177、附錄191緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng) ，在實際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為常見。通過液位的檢測與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。 經(jīng)過比較和篩選，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級控制系統(tǒng)PID控制對雙容水箱液位控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。論文以THBDC-1型控制理論計算機控制技術實驗平臺為基礎的實驗數(shù)據(jù)作為出發(fā)點，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應曲線。對曲線進行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。采用復雜控制系統(tǒng)中的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系統(tǒng)對各項性能的要求。2、研究對象的數(shù)學模型及特性分析在控制系統(tǒng)設計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學模型。被控對象的數(shù)學模型是設計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數(shù)關系的數(shù)學表達式。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。2.1 水箱模型分析雙容水箱液位控制結構圖如下圖所示： 圖2-3 雙容水箱液位控制結構圖設流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分別為閥V3和V4的液阻，C1 和C2分別為左水箱和右水箱的容量系數(shù)。式中的K、T1和T2可由實驗求得的階躍響應曲線求出。具體的做法是在下圖所示的階躍響應曲線上?。?圖2-4 階躍響應曲線1）、h2（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線上的點A和對應的時間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點B和對應的時間t2。然后，利用下面的近似公式計算式1-6中的參數(shù)K、T1和T2。其中： 對于式（1-6）所示的二階過程，0.32t1/t20.46。當t1/t2=0.32時 ，為一階環(huán)節(jié)；當t1/t2=0.46時，過程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于A點，OA即為滯后時間常數(shù)。注意：在以上對象模型的分析過程中，忽略了泵、進水閥、出水閥等環(huán)節(jié)對水箱模型的影響，因此水箱特性的實際測試結果，可能與理論分析有一定偏差。3、控制系統(tǒng)的性能指標要求雙容水箱性能指標要求：（1） 衰減率4:110:1（2） 超調(diào)量（3） 調(diào)節(jié)時間（4） 穩(wěn)態(tài)誤差4、控制器的選擇與控制方案的設計與仿真1、控制器PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，PID控制技術日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。+r(t) 比例P積分I微分D被控對象 y(t)圖2.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實際值y(t)構成控制偏差： 式（3.1）控制規(guī)律為： 式（3.2）或以傳遞函數(shù)形式表示： 式（3.3）KP:比例系數(shù) TI:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(shù)。PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，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，抑制誤差的作用就應該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中動態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容，應根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。2、控制方案的設計與仿真控制方案設計是過程控制系統(tǒng)設計的核心，需要以被控過程模型和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標，合理選擇被控參數(shù)，合理設計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作2.1液位串級控制系統(tǒng)介紹在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統(tǒng)的設計中采用THJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)作為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。串級控制系統(tǒng)從總體上看，是定 值控制系統(tǒng)，因此主被控變量在擾動作用下的過度過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過度過程，具有相同的品質(zhì)指標和類似的形式。但是，串級控制系統(tǒng)在結構上增加了一個隨動的副回路，因此，與單回路相比有以下幾個優(yōu)點。1) 串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動具有較強的克服能力。2) 由于副回路的存在，明顯改善了對象的特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。3) 串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。除上述優(yōu)點外串級控制系統(tǒng)在有些場合應用效果顯著，它主要應用于以下4中場合。1) 對象的容量滯后比較大。2) 調(diào)節(jié)對象的純滯后比較長。3) 系統(tǒng)內(nèi)存在激烈且幅值較大的干擾作用。4) 調(diào)節(jié)對象具有較大的非線性特性而且負荷變化較大。而雙容水箱均有上述缺點，因此可以看出串級控制系統(tǒng)很適合應用于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設計2.2系統(tǒng)控制方案設計2.2.1控制系統(tǒng)性能指標(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2) 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號后，輸出響應中振蕩過程的衰減指標，即振蕩經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數(shù)。本實驗的衰減率要求在4:110:1.(3) 超調(diào)量：輸出響應中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動態(tài)過程的準確性。(4) 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時間2.2.2方案設計設計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。主調(diào)節(jié)器有自己獨立的設定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.通過針對雙容水箱液位被控過程設計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應速度。當有擾動f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當擾動f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應使系統(tǒng)的響應加快，使主回路控制作用加強。 m2m1e1c1擾動f1(t)e2設定值Rc2擾動f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1圖2.2串級控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數(shù)的選擇應選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當，會造成整個系統(tǒng)控制設計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術和設備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。(2) 控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當電動調(diào)節(jié)閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3) 主副回路設計為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構。副回路應對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線性參數(shù)、較大負荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力。主副回路時間常數(shù)之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。 (4) 控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構，主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構成雙環(huán)負反饋系統(tǒng)。2.3控制系統(tǒng)仿真2.3.1 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結構是復數(shù)矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：(1)MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣數(shù)組語言具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 (5)MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 MATLAB還具有根強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設計的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設計和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結構框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務，多任務離散事件系統(tǒng)。通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構造系統(tǒng)的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數(shù)，設置仿真參數(shù)便可完成系統(tǒng)的仿真。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進行仿真，以模擬實際中的階躍響應曲線，考察串級系統(tǒng)的設計方案是否合理。仿真框圖如下。圖2.3 SIMULINK仿真框圖在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數(shù)為KP=50，觀察階躍響應曲線如下。圖2.3.1 雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線將副回路切除即得到單閉環(huán)仿真圖像。圖2.3.2單閉環(huán)階躍響應仿真曲線由圖2.3.1和圖2.3.2相比較可以看出，引入副回路的雙閉環(huán)串級系統(tǒng)能夠更好的提高系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差更小。2.3.2抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線. 在100s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄?shù)不變。圖2.3.3 加入擾動后的SIMULINK仿真框圖 圖2.3.4 加入擾動后的雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線圖2. 3.5加入擾動后的單閉環(huán)階躍響應仿真曲線由圖2.3.4和圖2.3.5可以看出串級控制通過副回路能夠很有效的把干擾抑制到最小，能夠滿足系統(tǒng)各項參數(shù)的需要，同時也解決了雙容水箱大滯后的缺點，使系統(tǒng)穩(wěn)定快速的運行，同時也進一步驗證了選擇串級PID來控制雙容水箱能夠達到比較理想。5、擬采用的實驗步驟及理想的實驗曲線1、實驗步驟（1）系統(tǒng)分析根據(jù)被控對象的數(shù)學模型，應用控制理論系統(tǒng)分析的方法，對被控對象的性能進行分析（時域、頻域）。（2）系統(tǒng)設計根據(jù)性能指標的要求，進行系統(tǒng)方案論證，進行相關控制器或控制算法設計。（3）系統(tǒng)仿真在MATLAB的Simulink仿真平臺下，進行系統(tǒng)仿真，驗證控制算法的可行性、抗干擾性以及參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。（4）系統(tǒng)實現(xiàn)搭建相關控制器或編寫相應的控制算法，對所選的物理對象進行實時控制，并進行相關控制器的調(diào)試，使系統(tǒng)正常工作時滿足性能指標的要求。（5）系統(tǒng)模型參數(shù)的獲取設計相關實驗，獲取系統(tǒng)模型參數(shù)。（6）參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響設計實驗，獲取數(shù)據(jù)，分析控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2、理想實驗曲線雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線加入擾動后的雙閉環(huán)階躍響應仿真曲線6、模型參數(shù)獲取的實驗設計PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容，應根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于實驗測定的過程數(shù)學模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。1.臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，將調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.1臨界比例整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表3.2阻尼振蕩整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS3.反應曲線法若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應特性進行近似計算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)。7、附錄附件1：THBDC-1型控制理論計算機控制技術實驗平臺硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實驗平臺提供電源。有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護自恢復功能。它們的開關分別由相應的鈕子開關控制，并由相應發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機單元。實驗前，啟動實驗平臺左側的空氣開關和實驗臺上的電源總開關。并根據(jù)需要將5V、15V、+24V鈕子開關拔到“開”的位置。實驗時，通過2號連接導線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦波信號、三角波信號、方波信號、斜波信號和拋物波信號。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz10kHz三檔，Vp-p值為16V。使用時先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過2號連接導線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個鎖零按鈕，用于實驗前運放單元中電容器的放電。當按下按鈕時，通用單元中的場效應管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V；當按鈕復位時，單元中的場效應管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實驗。三、階躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實驗時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為-5+5V，正負檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負輸出，具體通過“階躍信號發(fā)生器”單元的拔動開關來實現(xiàn)。當按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個連續(xù)可調(diào)(選擇正輸出時，調(diào)RP1電位器；選擇負輸出時，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(當輸出電壓為1V時，即為單位階躍信號)，實驗開始；當按鈕復位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實驗臺上的直流數(shù)字電壓表來進行測量。 四、低頻頻率計低頻頻率計是由單片機89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設計而成的，具有輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點。其測頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時先將低頻頻率計的電源鈕子開關拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關拔到“外測”(此時通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號)或“內(nèi)測”(此時測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率)。另外本單元還有一個復位按鈕，以對低頻頻率計進行復位操作。注：將“內(nèi)測/外測”開關置于“外測”時，而輸入接口沒接被測信號時，頻率計有時會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當自鎖開關不按下時，它作直流電壓表使用，這時可用于測量直流電壓；當自鎖開關按下時，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz400kHz）、精度高（5）和真有效值測量的特點，即使測量窄脈沖信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實驗平臺的U1、U2、U4U18單元。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U4為電壓轉(zhuǎn)換單元，U5為非線性單元，U6為反相器單元。U7U18為通用運放單元，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構造。七、零階保持器零階保持器為實驗主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。八、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內(nèi)，其采樣頻率為350k；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關量輸入，16路開關量輸出。接口單元則放于實驗平臺內(nèi)，用于實驗平臺與PC上位機的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位機軟件安裝及使用說明一、上位機控制工程1運行環(huán)境項目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP顯示設備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2上位機程序適用于MATLAB6.5版本MATLAB控制產(chǎn)品集支持控制設計過程的每一個環(huán)節(jié)，可以用于不同的領域，如過程仿真與控制、汽車、航空航天、計算機和通訊等領域。使用MATLAB高級編程語言，能使控制系統(tǒng)的設計和分析更加方便，編程者只需花很短的時間就可以開發(fā)出控制算法復雜、繪圖功能強大的程序，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、方程和結果的顯示。注：實驗程序處于運行狀態(tài)時，不能強制對界面進行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯誤。二、上位機軟件的使用說明1、仿真部分使用說明1.1 雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。仿真過程中，只需按照實驗指導書的內(nèi)容，修改仿真窗口中相應模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動，關閉窗口時，不要選擇存盤。1.2 當達到仿真結束時間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時，可通過同時修改仿真參數(shù)和示波器參數(shù)實現(xiàn)。仿真參數(shù)的修改方法：按住Ctrl+E鍵，在彈出的窗口中修改Stop time的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中點擊Parameters圖標，在彈出的窗口中修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參數(shù)的Stop time值。1.3 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。1.4 每次參數(shù)更新后，需點擊Start Simulation圖標進行仿真，這樣才能看到新的結果（“典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量”仿真除外）。2、實驗部分使用說明2.1 雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。實驗過程中，只需按照實驗指導書的內(nèi)容，修改實驗窗口中相應模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動，關閉窗口時，不要選擇存盤。2.2 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。2.3 實驗過程中，有時會彈出一個提示為“Incompl