電阻爐溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、電阻爐溫度控制系統(tǒng)摘 要自本世紀(jì)30年代以來,自動(dòng)化技術(shù)取得了驚人的成就,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用。自動(dòng)控制理論經(jīng)過了幾十年的完善，控制系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單形式到復(fù)雜形式，從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化，從低級(jí)智能到高級(jí)智能的發(fā)展過程，這期間的幾個(gè)變更都促使了生產(chǎn)力的極大飛躍。本文介紹了管式電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。該過程主要由三部分組成：要設(shè)計(jì)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，首先要了解這一被控對(duì)象的溫度特性。文中第一部分便介紹了電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。然后針對(duì)電阻爐的溫度特性及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件提出了利用電動(dòng)組合儀表（ddz-iii型）儀表組成一套單閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)的控制方案，這就是組成了電阻

2、爐溫度控制系統(tǒng)。這在論文的第三部分講到。論文的第二部分講述pid控制技術(shù)，其中涉及到pid控制的原理和特點(diǎn)及pid的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)確定等問題。本次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室中常見的管式電阻爐，被控參數(shù)是電阻爐的爐內(nèi)溫度。熱電偶作為測(cè)溫元件來檢測(cè)爐內(nèi)溫度，控制系統(tǒng)由熱電偶溫度變送器、常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器及角行程的電動(dòng)執(zhí)行器等ddz-型儀表組成。這里之所以采用常規(guī)的pid控制，一是因?yàn)樵摲椒ɡ碚摮墒臁⒉僮骱?jiǎn)單、容易掌握、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性好，對(duì)特性參數(shù)不確定的系統(tǒng)特別適用。再有就是要受實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件的限制，對(duì)于這個(gè)精度要求不高的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，這套設(shè)備完全可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目的。 關(guān)鍵詞：管式電

3、阻爐；自動(dòng)化儀表；溫度特性；控制系統(tǒng)resistance furnace temperature control systemabstractsince this century 30s, the automated technology has obtained astonishing achievement let is playing the key role in the industrial production and the science development. the automatic control theory passed through several dozen

4、s years consummation, the control system development has also experienced has conformed to simplicity the single form to the complex form, from the partial automation to the overall situation automation, from the preliminary intelligence to the high-level intelligent developing process, this period

5、several changes has all urged the productive forces enormous leap this article introduced the tubular resistance furnace temperature control system design process. this process mainly is composed by three parts: must design the resistance furnace the temperature control system, first must understand

6、 this is controlled the object the temperature characteristic. in the article the first part then introduced the resistance furnace temperature characteristic test experiment. then proposed in view of the resistance furnace temperature characteristic and the laboratory existing condition the use ele

7、ctrically operated combination measuring appliance (ddz-iii) the measuring appliance composes a set of single closed loops negative feedbacks system the control plan, has composed the resistance furnace temperature control system. this talks about in the paper third part. the paper second part narra

8、tes the pid control technology, in which involves to the pid control principle and the characteristic and the pid realization and the parameter firmly grades the questionthis design temperature control system was measured the object is in the laboratory the common tubular resistance furnace, is cont

9、rolled the parameter is in the resistance furnace stove the temperature. the thermo-element examines in the stove as the temperature element the temperature, the control system changes by the thermo-element temperature, the conventional pid regulator and the angle travelling schedule electrically op

10、erated execution the ddz- iii measuring appliance and so on delivering is composed. here therefore uses conventional the pid control, one is because this method theory mature, the operation simple, is easy to grasp, the stable state response characteristic is good, specially is suitable to the chara

11、cteristic parameter indefinite system. again has is must receive the laboratory existing condition the limit, regarding this precision request not high resistance furnace temperature control system, this set of equipment is enough.keywords: tubular resistance furnace ；automated measuring appliance；t

12、emperature characteristic ；control system 目 錄摘 要iabstractii第一章 引 言31.1 研究背景31.2 論文結(jié)構(gòu)4第二章 總體設(shè)計(jì)概述52.1總體設(shè)計(jì)概述52.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求62.3 總體設(shè)計(jì)框圖6第三章電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)83.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介83.1.1 電阻爐83.1.2熱電偶83.1.3 熱電偶溫度變送器103.1.4 紀(jì)錄儀133.1.5 24v標(biāo)準(zhǔn)電源133.1.6 調(diào)壓變壓器133.1.7 pid調(diào)節(jié)器133.1.8 飼服放大器，d型操作器，電動(dòng)執(zhí)行器143.2 電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)173.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析19第四章

13、 pid控制274.1 pid控制概述274.2 pid控制的實(shí)現(xiàn)294.3 pid控制器的參數(shù)整定31第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)345.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用345.2 單回路反饋控制系統(tǒng)355.3 控制系統(tǒng)框圖39第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)40參考文獻(xiàn)41附 錄42致 謝43第一章 引 言1.1 研究背景自20世紀(jì)30年代以來,自動(dòng)化技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著非常重要的作用。自動(dòng)控制極大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)了現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的巨大進(jìn)步，在我國(guó)的四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中起到了不可磨滅的作用。工業(yè)爐在我國(guó)是能源的一大用戶，它所耗用的能源占全國(guó)總能耗的25%，熱軋生

14、產(chǎn)用各種加熱爐的能耗約占全廠總能耗的60%以上。因此，降低它們的能耗是很有意義的，實(shí)施自動(dòng)控制是一種有效的途徑2。這里的自動(dòng)控制其實(shí)是指生產(chǎn)過程自動(dòng)化，是指在沒有人的直接參與下利用控制器使被控的工業(yè)對(duì)象的某些物理量自動(dòng)的按預(yù)先給定的規(guī)律運(yùn)行。它經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單形式到復(fù)雜形式，從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化，從低級(jí)智能到高級(jí)智能的發(fā)展過程。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化儀表的需求量也越來越大，逐漸形成一個(gè)專門的儀表門類。 而這里所說的自動(dòng)化儀表是指再生產(chǎn)自動(dòng)化中特別是連續(xù)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中必需的一類專門的儀器儀表，其中包含對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的檢測(cè)儀表、根據(jù)測(cè)量值對(duì)給定值的偏差按一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)

15、命令的調(diào)節(jié)儀表、以及根據(jù)調(diào)節(jié)儀器的命令對(duì)進(jìn)行生產(chǎn)裝置的物料或能量進(jìn)行控制的執(zhí)行器等，這些儀表代替人們對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行測(cè)量、控制、監(jiān)督與保護(hù)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化必不可少的技術(shù)工具1。本次設(shè)計(jì)就是要通過ddz型儀表組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)使電阻爐的溫度在沒有人的直接參與下在某一穩(wěn)定值（以400為例）上下波動(dòng)不超過10的誤差。為了獲得較高的控制精度，本文采用pid控制方法，通過改變pid調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的溫度控制。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，爐溫將穩(wěn)定在給定值上或在穩(wěn)定值附近存在很小的上下波動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的控制要求。1.2 論文結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)過程的要求，論文主要分為三

16、部分，第一部分介紹電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)過程；第二部分介紹pid控制的相關(guān)知識(shí)；第三部分則主要介紹電阻爐溫度控制系統(tǒng)的選擇，連接與調(diào)試。具體內(nèi)容參見正文的有關(guān)章節(jié)。第二章 總體設(shè)計(jì)概述2.1總體設(shè)計(jì)概述設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性做全面的分析和測(cè)定。一般研究調(diào)節(jié)對(duì)象特性的方法有兩種。對(duì)于簡(jiǎn)單的對(duì)象或系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，可以通過分析過程的機(jī)理、物料或能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的微分方程式，這種方法稱為分析法。但是，復(fù)雜對(duì)象的微分方程式很難建立，也不容易求解。所以，另一種方法是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對(duì)象的微分方程式或傳遞函數(shù)，這種方法

17、稱為實(shí)驗(yàn)測(cè)定法。目前用來測(cè)定對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法主要有三種：測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的頻域方法、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)方法。這里僅對(duì)本次設(shè)計(jì)用到的是時(shí)域方法加以介紹。時(shí)域方法主要是求對(duì)象的飛升曲線或方波響應(yīng)曲線，如輸入量作階躍變化，測(cè)繪對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化曲線就得到飛升特性。如果將輸入量作一個(gè)脈沖方波變化，測(cè)出對(duì)象輸出量隨時(shí)間的變化曲線就得到脈沖方波響應(yīng)曲線。這些方法都不需要特殊的信號(hào)發(fā)生器，在很多情況下可以利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)中原有的儀器設(shè)備，方法簡(jiǎn)單，測(cè)試工作量小，故應(yīng)用甚廣。此法缺點(diǎn)是測(cè)試精度不高且對(duì)生產(chǎn)有一定影響。設(shè)計(jì)中取的是對(duì)象的飛升曲線，實(shí)驗(yàn)中是讓對(duì)象（電阻爐）在某一穩(wěn)態(tài)下穩(wěn)定一

18、段時(shí)間后，快速的改變它的輸入量，是對(duì)象達(dá)到另一穩(wěn)定狀態(tài)，從而求得對(duì)象在階躍函數(shù)時(shí)的飛升曲線。測(cè)得對(duì)象特性后，根據(jù)工藝要求選擇一個(gè)合適的控制系統(tǒng)。因?yàn)樵谝话氵B續(xù)生產(chǎn)過程中，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的要求，所以這里采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般是指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)中用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器來保持管式電阻爐溫度的恒定，調(diào)節(jié)器接受的是熱電偶溫度變送器輸出的可線性反映爐溫變化的15v直流電壓，輸出信號(hào)控制由飼服放大器、d型操作器、角行程的電動(dòng)執(zhí)行器、調(diào)節(jié)變壓器等組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過改變電阻爐的

19、供電電壓來控制電阻爐的爐內(nèi)溫度。在設(shè)計(jì)中用pid調(diào)節(jié)器的比例-積分-微分調(diào)節(jié)，即pid調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)都要涉及。設(shè)計(jì)中的被控對(duì)象（管式電阻爐）具有特性參數(shù)隨溫度變化而變化，大慣性、大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)。單用一種控制手段很難達(dá)到理想的控制效果，這里采用p-i-d調(diào)節(jié)（即比例-積分-微分調(diào)節(jié)）。其中的比例環(huán)節(jié)是必不可缺的，它使輸出與輸入成線性關(guān)系；積分作用能消除靜態(tài)誤差，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也有一定程度的改善；微分作用能加快過渡過程和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在溫度控制系統(tǒng)中一般都要用到。三者結(jié)合起來使用以使控制效果達(dá)到最佳。在確定了控制方法后還要先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值定一組最初的調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后再結(jié)合根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得

20、的調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)試系統(tǒng)，使控制效果最佳，從而確定最后的調(diào)節(jié)器參數(shù)。2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.在詳細(xì)了解現(xiàn)有電阻爐溫度特性的基礎(chǔ)上，用常規(guī)儀表設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，確定系統(tǒng)儀表組成及相應(yīng)指標(biāo)。2.確定系統(tǒng)方案，畫出控制系統(tǒng)原理圖以及接線端子圖。3.系統(tǒng)連接、安裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)定控制方案所確定的控制功能。2.3 總體設(shè)計(jì)框圖 本次設(shè)計(jì)要求用常規(guī)儀表組成電阻爐溫度控制系統(tǒng)，這里采用電動(dòng)單元組合（ddz-型）儀表組成的控制系統(tǒng)，總體框圖如圖2.1所示： 圖2.1 ddz-型儀表組成的控制系統(tǒng)框圖從圖中我們可以看出單元?jiǎng)澐值脑瓌t和各單元的功能。被調(diào)量一般是非電量的工藝參數(shù)（本設(shè)計(jì)中是電阻爐的溫度）必須經(jīng)過一

21、定的檢測(cè)元件（設(shè)計(jì)中用s型熱電偶）將其轉(zhuǎn)換成易于顯示和傳送的物理量（設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換成毫伏電壓值）。檢測(cè)元件輸出的能量太小，不能直接驅(qū)動(dòng)顯示和調(diào)節(jié)儀表，必須經(jīng)過放大或再一次的能量轉(zhuǎn)換，才能將檢測(cè)元件輸出的微信號(hào)變換為能遠(yuǎn)距離傳送的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這一工作由變送單元完成（設(shè)計(jì)中由熱電偶溫度變送器完成）。由變送單元輸出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，一方面送到顯示單元供記錄或指示，同時(shí)送到調(diào)節(jié)單元與給定值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)單元按比較得出的偏差以一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，通過執(zhí)行單元改變閥門的開度，控制進(jìn)入調(diào)節(jié)對(duì)象的工藝介質(zhì)流量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。 第三章 電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介本次設(shè)計(jì)用到的設(shè)備主要有

22、：管式電阻爐，s型熱電偶，熱電偶溫度變送器，記錄儀，24v標(biāo)準(zhǔn)電源及調(diào)壓變壓器；常規(guī)的pid調(diào)節(jié)器，d型操作器，飼服放大器，角行程執(zhí)行器等。其中前半部分為電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用，控制系統(tǒng)的組成則需要用到上述設(shè)備除記錄儀以外的所有，下面對(duì)這些設(shè)備的工作原理及組成結(jié)構(gòu)加以說明：3.1.1 電阻爐設(shè)計(jì)中所用的電阻爐為實(shí)驗(yàn)室中常見的管式電阻爐，這種電阻爐在工業(yè)上應(yīng)用不多，主要在溫度實(shí)驗(yàn)中作熱源，在煤的成分分析和工業(yè)分析中也有用到。應(yīng)用電阻爐作熱源時(shí)應(yīng)保證所需溫度在它的安全溫度以內(nèi)，注意它的溫度特性以便更好的去控制它的溫度變化。3.1.2熱電偶熱電偶是將溫度高低轉(zhuǎn)換成電勢(shì)大小的熱電式傳感器，是目前溫

23、度測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。設(shè)計(jì)中的熱電偶將電阻爐的爐內(nèi)溫度轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，供與之相配套的顯示儀表顯示或作為控制系統(tǒng)的被控參數(shù)。1. 熱電偶的測(cè)量原理及特點(diǎn)熱電偶的原理基于“熱電勢(shì)效應(yīng)”，將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，如果兩端結(jié)果的溫度不同，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，該電勢(shì)的方向和大小與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及結(jié)果溫度有關(guān)，這個(gè)物理現(xiàn)象就稱為熱電勢(shì)效應(yīng)，也稱溫差效應(yīng)。如圖3.1所示：組成熱電偶的導(dǎo)體稱為熱電極，溫度高的一端稱為熱端或工作端（t），另一端稱為冷端或自由端（t0），熱電勢(shì)表示為eab（t，t0），它由兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成，其表達(dá)式為：eab（t，t0）=f

24、ab（t）=fab（t）-fab（t0）當(dāng)參比端溫度t0保持恒定時(shí)即fab（t0）一定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)eab（t，t0）與被測(cè)溫度t就有了單值函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為熱電偶的熱電特性。 圖3.1 熱電效應(yīng) 應(yīng)當(dāng)注意，一般情況下熱電偶的接觸電勢(shì)遠(yuǎn)大于溫差電勢(shì)，故其熱電勢(shì)的極性取決于接觸電勢(shì)的極性8。2、熱電偶的應(yīng)用定則8 （1）若組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體相同，則無論兩端溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)為零。（2）若熱電偶兩端點(diǎn)的結(jié)果溫度相同，即t=t0，則盡管導(dǎo)體a，b材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電勢(shì)為零。（3）熱電勢(shì)與a，b材料的中間溫度無關(guān)，它只與端點(diǎn)的結(jié)果溫度有關(guān)。（4）中間導(dǎo)體定則。在熱電偶回路

25、中只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則接入中間導(dǎo)體c后對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒有影響。3、設(shè)計(jì)中使用的熱電偶 本次設(shè)計(jì)用到的測(cè)溫元件為分度號(hào)為s的鉑銠-鉑10熱電偶。它的特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。在所有的熱電偶中，s型的準(zhǔn)確等級(jí)最高，長(zhǎng)期使用溫度1400（我國(guó)規(guī)定為1300）短期使用溫度1600，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量高溫的熱電偶。它的使用范圍廣，均質(zhì)性及互換性好，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，電阻絲直徑很細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度低且熱電勢(shì)較小需配用靈敏度高的顯示儀表，。這種熱電偶不適于在還原性氣氛或含有金屬蒸汽的條件下使用，尤其應(yīng)避免接觸有機(jī)物、鐵、硅、氫氣等還原性物質(zhì)。4、補(bǔ)償導(dǎo)線使用補(bǔ)償導(dǎo)

26、線時(shí)應(yīng)注意： （1） 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是將熱電偶原來的冷接點(diǎn)移到新的位置，本身并不起冷端溫度補(bǔ)償作用。（2） 補(bǔ)償導(dǎo)線用顏色表示極性，使用時(shí)務(wù)必注意電極的色標(biāo)。（3） 常用的補(bǔ)償導(dǎo)線 表3.1 常用補(bǔ)償導(dǎo)線8熱電偶名稱 補(bǔ)償導(dǎo)線工作端為100冷端為0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì) 正極 負(fù)極材料 顏色 材料 顏色鉑銠-鉑10 銅 紅 鎳銅 白 0.640.03鎳鉻-鎳硅（鋁） 銅 紅 康銅 白 4.100.15鎳鉻-考銅鎳鉻 褐綠 考銅 白 6.950.303.1.3 熱電偶溫度變送器 1、變送器的構(gòu)成原理 圖3.2 變送器的原理框圖變送器是基于負(fù)反饋原理工作的，其構(gòu)成原理如圖3.2所示：它包括測(cè)量部分（即輸入

27、轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。測(cè)量部分用以檢測(cè)被測(cè)變量x，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號(hào)zi（電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號(hào)）。反饋部分則把變送器的輸出信號(hào)y轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)zf，再回送至輸入端。zi與調(diào)零信號(hào)z0的代數(shù)和同反饋信號(hào)zf進(jìn)行比較，其差值送入放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)y。由變送器的構(gòu)成原理圖可求其輸入輸出關(guān)系為： y=k（cx+z0）/（1+kf）其中k為放大器的放大系數(shù)；f為反饋部分的反饋系數(shù)；c為測(cè)量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng)滿足深度負(fù)反饋的條件kf1時(shí)，上式變?yōu)?y=（cx+z0）/f該式表明：在kf1的條件下，變送器輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測(cè)量部分和反饋部分

28、的特征，而與放大器的特性幾乎無關(guān)，若轉(zhuǎn)換系數(shù)和反饋系數(shù)為常數(shù)，則變送器的輸出與輸入將保持良好的線性關(guān)系4。2、量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整與遷移 討論變送器涉及的另一個(gè)共性問題是量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整與遷移。 量程調(diào)整是為了使變送器輸出信號(hào)的上限值ymax（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上限值）與測(cè)量范圍的上限值xmax相對(duì)應(yīng)。量程調(diào)整相當(dāng)于改變輸入輸出特性的斜率，可通過改變反饋系數(shù)f來實(shí)現(xiàn)。零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的目的都是為了是輸出信號(hào)的下限值ymin（即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的下限值）與測(cè)量范圍的下限值xmin相對(duì)應(yīng)。在xmin=0時(shí)為零點(diǎn)調(diào)整，xmin0時(shí)為零點(diǎn)遷移。即零點(diǎn)調(diào)整使變送器的測(cè)量起始點(diǎn)為零，而零點(diǎn)遷移則把測(cè)量起始點(diǎn)由

29、零點(diǎn)遷移到某一數(shù)值（正值或負(fù)值）。當(dāng)測(cè)量起點(diǎn)由零變?yōu)槟骋徽禃r(shí)稱為正遷移，反之稱為負(fù)遷移。零點(diǎn)遷移只是使變送器的輸入輸出特性曲線沿x軸左右平移斜率不變，可通過改變變送器的調(diào)零信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。3、溫度變送器 溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，作為指示、記錄儀或調(diào)節(jié)器等的輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變量的顯示、記錄和自動(dòng)控制。溫度變送器還可作為直流毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換器來使用，以將其他能夠轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號(hào)的工藝變量也變成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4。 溫度變送器有兩線制和四線制之分，各類變送器又有三個(gè)品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。前一種是將輸入的直流毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換

30、成420ma直流電流或15v直流電壓的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上都分為量程單元和放大單元兩部分，它們分別設(shè)置在兩塊印刷電路板上，用接插件互相連接，其中放大單元是通用的，量程單元?jiǎng)t要隨品種、量程的不同而異。其結(jié)構(gòu)方框圖如圖3.3所示： 圖3.3 溫度變送器的結(jié)構(gòu)方框圖框圖中，空心箭頭表示供電回路。毫伏輸入信號(hào)ui或由測(cè)溫元件送來的反映溫度大小的輸入信號(hào)et與橋路部分的輸出信號(hào)uz及反饋信號(hào)uf相疊加，送入集成運(yùn)算放大器。放大了的電壓信號(hào)再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的420ma直流電流i0或15v直流電壓u0輸

31、出4。4、熱電偶溫度變送器熱電偶溫度變送器的放大單元由集成運(yùn)算放大器、功率放大器、直流-交流-直流變換器、隔離輸出等部分組成。放大單元的作用是將量程單元輸出的毫伏信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大輸出統(tǒng)一的直流電流或直流電壓。它的量程單元除包括零點(diǎn)調(diào)整、遷移，量程調(diào)整等溫度變送器共有的功能元件外在其輸入回路中增加了由銅電阻（該電阻的阻值在0時(shí)固定為50）組成的熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路，反饋回路中增加了由運(yùn)算放大器組成的線性化電路（線性化電路的作用是使熱電偶溫度變送器的輸出信號(hào)與被測(cè)溫度之間成線性關(guān)系）。 3.1.4 紀(jì)錄儀 本次設(shè)計(jì)要用記錄儀來顯示電阻爐的升溫曲線。使用前要檢查記錄儀走紙是否均勻無卡，漏墨是

32、否正常。記錄儀主要在設(shè)計(jì)前期的電阻爐溫度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中用到，用完后注意將記錄筆頭清洗干凈以防止其堵塞。3.1.5 24v標(biāo)準(zhǔn)電源本設(shè)計(jì)中用到的ddz-型儀表都要用24v標(biāo)準(zhǔn)電源供電，用sfy-2110作為標(biāo)準(zhǔn)電源，其輸入為220v交流電，可輸出24v交流電壓、24v直流電壓及5a的直流電流。3.1.6 調(diào)壓變壓器本設(shè)計(jì)采用角行程的調(diào)壓變壓器，其功率為5kva，輸入為220v交流電，輸出0250v可調(diào)電壓。3.1.7 pid調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器將來自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的

33、自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)器中最簡(jiǎn)單的一種是兩位式調(diào)節(jié)器，其輸出根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)取0或100%兩個(gè)輸出狀態(tài)中的一種，使用這種調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行器特別便宜，缺點(diǎn)是它的輸出只有通、斷兩種狀態(tài)，調(diào)節(jié)過程是必然一種不斷上下變化的振蕩狀態(tài)，只能借助調(diào)節(jié)對(duì)象自身熱慣性的濾波作用，使?fàn)t溫的平均值接近于設(shè)定值，控制效果不好，只能應(yīng)用于要求不高的場(chǎng)合。要使調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確，必須使用輸出值能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，并通過采用比例、積分、微分等算法提高調(diào)節(jié)質(zhì)量?，F(xiàn)代工業(yè)上使用的絕大多數(shù)是輸出能連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器4。調(diào)節(jié)器是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算的裝置，因此具有特定的傳遞函數(shù)。要精確實(shí)現(xiàn)某一傳遞函數(shù)，最方便的方法就是使用

34、高增益的運(yùn)算放大器，借助于深度負(fù)反饋，可使其閉環(huán)傳遞函數(shù)等于其輸入回路與反饋回路傳遞函數(shù)之比，且系統(tǒng)的傳遞函數(shù)完全由輸入和反饋回路的內(nèi)容決定，與放大器本身的參數(shù)無關(guān)。目前使用的調(diào)節(jié)器都是采用這種方法構(gòu)成的。用這種方法構(gòu)成調(diào)節(jié)器是可使用標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，只需改變輸入或反饋電路的內(nèi)容，便可獲得不同的調(diào)節(jié)規(guī)律，生產(chǎn)出不同的調(diào)節(jié)器，給儀表制造帶來很大的方便。調(diào)節(jié)器接受偏差信號(hào)后，按一定的運(yùn)算規(guī)律輸出控制信號(hào)，作用于被控對(duì)象，以消除擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來。對(duì)象特性和調(diào)節(jié)器特性共同決定控制過程的控制品質(zhì)，對(duì)象特性已由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，調(diào)節(jié)器特性便由組成調(diào)節(jié)器的輸入回路和反饋回路內(nèi)容確定。

35、3.1.8 飼服放大器，d型操作器，電動(dòng)執(zhí)行器飼服放大器、d型操作器和電動(dòng)執(zhí)行器共同組成控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元。執(zhí)行單元又稱執(zhí)行器，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指產(chǎn)生推力或位移的裝置；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)又稱調(diào)節(jié)閥，是直接改變能量或物料輸送量的裝置。執(zhí)行器按其使用的能源可分為氣動(dòng)，電動(dòng)和液動(dòng)三類，設(shè)計(jì)中用到的是角行程的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，它將輸入的直流電流信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換成位移量。這兩種執(zhí)行器均是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置飼服機(jī)構(gòu)，電氣原理相同，只是減速器不同。角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)為420ma，輸入電阻為250，輸出轉(zhuǎn)矩：16、40、100、25

36、0、600、1600、4000、6000、10000n.m，輸出軸轉(zhuǎn)角90，全行程時(shí)間25s，基本誤差2.5%，變量1.5%4。1、基本構(gòu)成與工作原理角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由飼服放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成，其組成如圖3.4所示：該執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用于操縱蝶閥、擋板等轉(zhuǎn)角式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。飼服放大器將輸入信號(hào)ii和反饋信號(hào)if相比較，所得差值信號(hào)經(jīng)功率放大后，驅(qū)使兩相飼服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)減速器減速，帶動(dòng)輸出軸改變轉(zhuǎn)角。若差值為正，飼服電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角增大；當(dāng)差值為負(fù)時(shí)，飼服電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角減小。輸出軸轉(zhuǎn)角位置經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的反饋電流if，回送到飼服放大器的輸入端，當(dāng)反饋信號(hào)圖3.4 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

37、方框圖if與輸入信號(hào)ii相平衡，即差值為零時(shí)，飼服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸就穩(wěn)定在與輸入相對(duì)應(yīng)的位置上4。2、飼服放大器飼服放大器由信號(hào)隔離器、綜合放大電路、觸發(fā)電路和固態(tài)繼電器組成，它將來自調(diào)節(jié)器的電流信號(hào)和位置反饋信號(hào)進(jìn)行綜合比較，并將差值放大，以足夠的功率去驅(qū)動(dòng)飼服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。如圖3.5所示： 圖3.5 飼服放大器原理框圖信號(hào)隔離器將輸入信號(hào)、位置反饋信號(hào)與放大器電路進(jìn)行相互隔離，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)是電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，它把輸入420ma電流轉(zhuǎn)換成15v電壓，送至綜合放大電路。隔離器采用光電隔離集成電路，精度為0.1%0.25%，絕緣電阻大于50m。綜合放大電路由集成運(yùn)算放大器組組成，觸發(fā)電路由比較

38、器組組成，兩者配合使用，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和比較、觸發(fā)繼電器動(dòng)作等功能。固態(tài)繼電器是一個(gè)無觸點(diǎn)功率大器件，由觸發(fā)電路控制其功率輸出，用以驅(qū)動(dòng)飼服電機(jī)。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由飼服電機(jī)、減速器和位置發(fā)送器三部分組成。它接受飼服放大器或操作器的輸出信號(hào)，控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器減速后變成輸出力矩去推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。與此同時(shí)，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電流信號(hào)，用以指示閥位，并反饋到飼服放大器的輸入端，去平衡輸入電流信號(hào)。飼服電機(jī)的作用是將飼服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，并且當(dāng)飼服放大器沒有輸出時(shí)，電機(jī)又能可靠的制動(dòng)。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作頻繁，經(jīng)常處于啟動(dòng)工作狀態(tài)，故要求電機(jī)具

39、有低啟動(dòng)電流、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特性且有克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)從靜止到動(dòng)作所需的足夠力矩。這就是飼服電機(jī)與一般電機(jī)的不同之處4。減速器把飼服電機(jī)高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在減速器的箱體上還裝有手動(dòng)部件，用來進(jìn)行就地手動(dòng)操作。操作時(shí)只需把手柄拉出，搖動(dòng)手柄，減速器的輸出軸就隨之轉(zhuǎn)動(dòng)4。位置發(fā)送器的作用是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的轉(zhuǎn)角（0 90）線性的轉(zhuǎn)換成420ma的直流電流信號(hào)，用以指示閥位，并作為位置反饋信號(hào)if反饋到飼服放大器的輸入端，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)負(fù)反饋。其中差動(dòng)變壓器是位置發(fā)送器的主要部件，它將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移線性的轉(zhuǎn)換成電壓輸出。3.2 電阻爐溫度特性

40、測(cè)試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)說明：要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，首先要建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而在建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程中，最主要是確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。在本次設(shè)計(jì)中采用的是實(shí)驗(yàn)測(cè)定法中的時(shí)域測(cè)定法，即在被測(cè)對(duì)象的輸入端加階躍信號(hào)，在其輸出端測(cè)繪出其輸出量關(guān)于時(shí)間的變化曲線，然后通過對(duì)響應(yīng)曲線的分析，確定被測(cè)對(duì)象的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河脽犭娕技跋嚓P(guān)設(shè)備測(cè)試管式電阻爐的溫度特性； 熟悉各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作原理及組成結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備：調(diào)壓變壓器 管式電阻爐 s型熱電偶 熱電偶溫度變送器 記錄儀 24v標(biāo)準(zhǔn)電源實(shí)驗(yàn)原理：該實(shí)驗(yàn)通過調(diào)壓變壓器將220v的交流電轉(zhuǎn)換成不同伏值的電壓為管式電阻爐提供電源，熱電偶所測(cè)的電阻爐在不同伏

41、值供電電壓下的溫度由熱電偶溫度變送器轉(zhuǎn)換使其在“1-5v”范圍內(nèi)線性輸出，記錄儀用來實(shí)時(shí)繪制電阻爐的溫度特性曲線，熱電偶溫度變送器和記錄儀均由24v標(biāo)準(zhǔn)電源供電實(shí)驗(yàn)原理如圖3.6所示： 圖3.6 電阻爐溫度特性測(cè)試試驗(yàn)框圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟： 按實(shí)驗(yàn)接線端子圖接線，注意正負(fù)極性。 2將24v標(biāo)準(zhǔn)電源的開關(guān)打開，調(diào)整溫度變送器的調(diào)零電位器和量程電位器，使溫度變送器的輸出在量程范圍內(nèi)與所測(cè)溫度成線性關(guān)系。多次調(diào)試以達(dá)到最佳效果。 3調(diào)整記錄儀使其走紙勻滑無卡，噴墨均勻。 4調(diào)壓變壓器指針調(diào)至22v，既20v交流電作電阻爐的供電電壓，觀察電阻爐的升溫情況，記錄儀實(shí)時(shí)的繪制電阻爐的溫度特性曲線至穩(wěn)定狀態(tài)5

42、將調(diào)節(jié)變壓器指針調(diào)至40v，既在20v供電電壓所達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)上加一個(gè)20v至40v的階躍信號(hào)，觀察并記錄到新的穩(wěn)定狀6. 將調(diào)節(jié)變壓器指針調(diào)至60v，既在40v供電電壓所達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)上加一個(gè)40v至60v的階躍信號(hào)，觀察并記錄到新的穩(wěn)定狀態(tài)7. 將調(diào)節(jié)變壓器指針調(diào)至80v，既在60v供電電壓所達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)上加一個(gè)60v至80v的階躍信號(hào)，觀察并記錄到新的穩(wěn)定狀態(tài)8分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本設(shè)計(jì)所用管式電阻爐為雙容對(duì)象。由于被加熱物體放在爐管內(nèi)，而磁管又有熱阻，它將爐膛隔開，電阻絲加熱爐膛，溫度為t1；熱量經(jīng)磁管再傳到管內(nèi)腔，被加熱的工件置于內(nèi)腔其溫度為t2。爐溫t1按指數(shù)曲線上升，而t2的變

43、化還要受磁管熱阻的影響，即t2一開始升溫較慢，只有等磁管上積蓄的熱量多了，t2升溫速度才會(huì)加快，而后由于自衡的作用，升溫速度又逐漸減慢，飛升曲線就呈s形 。如圖3.7所示：圖3.7 單容與雙容對(duì)象溫度特性曲線下面介紹一下二階系統(tǒng)的s形飛升曲線的分析方法，并用該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電阻爐溫度特性曲線進(jìn)行分析。對(duì)于s形的實(shí)驗(yàn)飛升曲線，規(guī)定其傳遞函數(shù)按g（s）=k/t1t2s+（t1+t2）s+1式（3.1）或g（s）=k/（ts+2ts+1）*式（3.2）來近似，前者相當(dāng)于過阻尼的二階環(huán)節(jié)（傳遞函數(shù)的分母有兩個(gè)實(shí)根-1/t1及-1/t2），后者為阻尼系數(shù)為1的有純滯后的二階環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)實(shí)際中，多數(shù)對(duì)象

44、的飛升曲線都是過阻尼的，因此該方法適用于大批的工業(yè)對(duì)象?，F(xiàn)講述如下：對(duì)于式（3.1），在零初始條件下，當(dāng)輸入x（t）作階躍變化，階躍變量為x時(shí)，它的解為y（t）=kx（1-（t1 ）/（t1-t2）+（t2） /（t1-t2）式（3.3）用無因式表示y（t）=y（t）/kx=（1-（t1）/（t1-t2）+（t2）/（t1-t2）式（3.4）由式（3.4）可知，為了求y（t）的值，應(yīng)先確定兩個(gè)時(shí)間常數(shù)t1和t2，而這就要建立兩個(gè)方程。在式（3.4）中引入時(shí)間無因次量t=t/2t；t1=t1/2t；t2=t2/2t其中2t=t1+t2，即可化為y（t）=1-(t1)/(t1-t2)+(t2)/(

45、t1-t2)式（3.5）注意：t1=1/2+（t1-t2）/2；t2=1/2-（t1-t2）/2?？梢娛剑?.5）表達(dá)了y（t），t，和t1-t2之間的關(guān)系。令y（t）=0.7，則在式（3.5）中只剩t和t1-t2兩個(gè)參量。因?yàn)閠1-t2=（t1-t2）/（t1+t2），所以| t1-t2|1。當(dāng)（t1-t2）在01之間取值時(shí)，可算出與之相對(duì)應(yīng)的t7，結(jié)果如圖3.8所示：這里令t1-t2=。分析圖3.8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)y（t）=0.7時(shí)，t7的值在1.2附近變動(dòng)。如果令t7=1.2，則由此帶來的誤差為（1.22-1.20）/1.20=1.7%，這在工程上是允許的。這樣，就得到尋求時(shí)間常數(shù)t1，t2

46、的第一個(gè)關(guān)系式 2t=t1+t2=t/tt7/1.2 即 t=t7/2.4式（3.6）圖3.8 t7與2關(guān)系圖 其次，在式（3.5）中，令t=t4=0.4便可確立y（t）與t1-t2之間的關(guān)系，如圖3.9所示： 圖3.9 y4與2的關(guān)系圖這是尋求時(shí)間常數(shù)t1、t2的第二個(gè)關(guān)系式。在同一圖中還畫有t=t8=0.8及t=t20=2時(shí)的曲線y8（t）和y20（t），這兩條曲線可供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果之用。經(jīng)上述分析之后，可將確定典型二階方程參數(shù)的步驟簡(jiǎn)述如下：實(shí)驗(yàn)求得飛升曲線后，先按式k=y（）/x和式y(tǒng)（t）=y（t）/kx求出放大倍數(shù)k和無因次的飛升曲線y（t），然后根據(jù)y（t）來求t1及t2或t及

47、。根據(jù)y（t）=0.7求得與之對(duì)應(yīng)的t7，再算出t4=（2t）t4=t7*t4/1.2=t7/3對(duì)應(yīng)于t4從飛升曲線上找到y(tǒng)4的數(shù)值。根據(jù)y4的數(shù)值分三種情況處理：若0.191y40.33，則采用式（3.1）的過阻尼二階環(huán)節(jié)來近似，這時(shí)還要計(jì)算兩個(gè)未知參數(shù)t1及t2。計(jì)算時(shí)需要借助圖3.8的曲線。為了算t1及t2，首先求出t=t7/2.4，再由圖3.9的曲線和y4的值求得對(duì)應(yīng)的的值進(jìn)而求，最后用公式t1=（1+）t；t2=（1-）t式（3.7）來計(jì)算時(shí)間常數(shù)t1及t2。至此就求得了近似傳遞函數(shù)（3.1）式的各參數(shù)。為了對(duì)此傳遞函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，可以檢查它的幾個(gè)點(diǎn)，在校驗(yàn)時(shí)仍需用到圖3.9的曲線，實(shí)

48、驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果在t=0，t=t4，t=t7時(shí)是重合的，在t8=0.8（t1+t2）和t20=2（t1+t2）兩點(diǎn)可按圖3.8查出y8與y20的值，且與實(shí)驗(yàn)曲線上的值相比較作為校驗(yàn)。若數(shù)值相近，則認(rèn)為這樣的近似是合理的。若y40.191，則采用（3.2）式的帶純滯后的二階環(huán)節(jié)近似，這時(shí)要計(jì)算的兩個(gè)未知參數(shù)是t和。先令y=0.7及y=0.191在y（t）曲線上找到相應(yīng)的時(shí)間t7及t2的值，然后按公式=（3t2-t7）/2；t=（t7-）/2.4來計(jì)算純滯后及時(shí)間常數(shù)t。至此，傳遞函數(shù)（3.2）式就確定了。為了校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)在y=0，y=0.191及y=0.7處與實(shí)驗(yàn)曲線重合，可按t=1.6t+

49、時(shí)y=0.48及t20=4t+時(shí)y=0.91與實(shí)驗(yàn)所得飛升曲線相比較。圖3.10 s形飛升曲線若y40.33，則應(yīng)用g（s）=k /（ts+1）來描述傳遞函數(shù)的特性。此時(shí)該環(huán)節(jié)作為有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來處理。如圖3.10所示s形飛升曲線，在變化速度最快處作一切線，它的斜率m就是最快的速度（dy/dt）m，并從與時(shí)間軸的交點(diǎn)得出滯后時(shí)間。同時(shí)記下輸入階躍變化量x和y的最終變變量y（）。然后用下列式子求k及t k=y（）/x；t=y（）/（dy/dt）m這種處理方法極為簡(jiǎn)單但準(zhǔn)確性不高，再介紹一種比較準(zhǔn)確的方法：求穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)k的式子不變，在計(jì)算時(shí)間常數(shù)t及純滯后時(shí)，將y（t）曲線修改成無因次的

50、飛升曲線y（t）為y（t）=y（t）/kx=y（t）/y（）對(duì)于有滯后的一階非周期環(huán)節(jié)來說，在階躍作用下的解為y（t）=0 （tt1，對(duì)上式聯(lián)立求解可得=t2ln1-y（t1）-t1ln1-y（t2）/ln1-y（t1）ln1-y（t2） ；t=t1-/ln1-y（t1）=-（t2-）/ln1-y（t2）可以看出，由t1t2及對(duì)應(yīng)飛升曲線上的兩個(gè)值y（t1）及y（t2）求得t及。若選擇y（t1）=0.39，y（t2）=0.63則可得 =2t1-t2；t=2（t1-t2）對(duì)于計(jì)算結(jié)果，可在t3 y（t3）=0t4=0.8t+ y（t4）=0.55t5=2t+ y（t5）=0.87這幾個(gè)時(shí)間上，對(duì)

51、飛升曲線進(jìn)行校驗(yàn)1。由飛升曲線確定傳遞函數(shù)的方法介紹完畢，下面將用該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以處理。如圖3.11所示電阻爐溫度特性曲線：圖3.11 電阻爐溫度特性曲線我們只截取其中的一部分，以700013000s之間的曲線（我們要求的控制溫度400處于這一段內(nèi)）為例。首先將實(shí)驗(yàn)所得飛升曲線化為無因次飛升曲線y（t）。如圖3.12所示： 圖3.12 電阻爐溫度無因次飛升曲線根據(jù)無因次飛升曲線，求出與y=0.7相對(duì)應(yīng)的t7 = 3500s于是得t4 = t7/3 = 1167s再?gòu)膱D3.9中找到對(duì)應(yīng)于t4的y4 y4 = 0.25由于所得y4滿足不等式0.191y4 0.33故用無滯后的二階環(huán)節(jié)的傳遞

52、函數(shù)式（3.1）來近似，這時(shí)根據(jù)式（3.6）可得 t = t7/2.4 =1458s查圖3.9可知y4=0.25時(shí)， =0.52 即 =0.72 ，于是按式（3.7）可求出 t1 =（1+）t = 2508s ；t2 =（1-）t = 408s k = y（）/x = 510/20 = 25.5 g（s）=k/（t1t2s+（t1+t2）s+1）=25.5/（1023264s+2916s+1） 表（3.1）表明實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值很接近，所以計(jì)算結(jié)果是合理的。 表3.1實(shí)驗(yàn)飛升曲線與計(jì)算結(jié)果 t（s）y01167233335005832實(shí)驗(yàn)值00.250.500.700.95計(jì)算值00.250.51

53、0.700.94第四章 pid控制4.1 pid控制概述在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)控制規(guī)律為比例、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年歷史，無論是電動(dòng)式還是氣動(dòng)式儀表都經(jīng)歷了、及型幾個(gè)改進(jìn)階段，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shù)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)，控制理論的其他技術(shù)難以采用，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)節(jié)來確定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(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)。但pid不

54、具有在線自整定功能且在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，控制效果也不是很好?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)多將pid控制與其他技術(shù)相結(jié)合以達(dá)到最佳控制效果，設(shè)計(jì)中沒有涉及這里就不再贅述。pid控制，實(shí)際也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。下面就各種控制環(huán)節(jié)的特點(diǎn)加以說明：比例（p）控制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。積分（i）控制在積分控制中，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)誤差則這個(gè)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)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