水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

.z.目錄摘要1關(guān)鍵詞1引言21設(shè)計(jì)任務(wù)目的及要求21.1設(shè)計(jì)目的21.2設(shè)計(jì)要求22系統(tǒng)元件的選擇32.1有自平衡能力的單容元件32.2無自平衡能力的單容元件42.3單容對(duì)象的特性參數(shù)63控制器參數(shù)的整定73.1參數(shù)確實(shí)定73.2電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型93.3控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型103.4PID控制器的參數(shù)計(jì)算104控制系統(tǒng)的校正114.1控制器的正反作用124.2串級(jí)控制系統(tǒng)125系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析165.1系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析165.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差17完畢語19參考文獻(xiàn)20致21TOC\o"1-2"\h\z\u-.z.水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理摘要：水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)就是利用自身的水位變化進(jìn)展調(diào)節(jié)和改變的系統(tǒng)，它自身具平衡能力，并由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下自動(dòng)完成水位恢復(fù)的功能。水箱液位是由傳感器檢測(cè)水位變化并到達(dá)設(shè)定值時(shí)，水箱自己的閥門關(guān)閉，防止溢出，當(dāng)檢測(cè)液位低于設(shè)定值時(shí)，閥門翻開，使液位上升，從而到達(dá)控制液位的目的。關(guān)鍵詞：有自平衡能力、無自平衡能力、電動(dòng)機(jī)、單容對(duì)象、系統(tǒng)穩(wěn)定引言液位自動(dòng)控制是通過控制投料閥來控制液位的上下，當(dāng)傳感器檢測(cè)到液位設(shè)定值時(shí)，閥門關(guān)閉，防止物料溢出；當(dāng)檢測(cè)液位低于設(shè)定值時(shí)，閥門翻開，使液位上升，從而到達(dá)控制液位的目的。在制漿造紙工廠常見有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動(dòng)控制系統(tǒng)由液位變送器〔或差壓變送器〕、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液位自動(dòng)控制器構(gòu)成。根據(jù)用戶需要也可采用控制泵啟停或改變電機(jī)頻率方式來進(jìn)展液位控制。構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，操作簡(jiǎn)便直觀，可以長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定在無人監(jiān)控狀態(tài)下運(yùn)行。1設(shè)計(jì)任務(wù)目的及要求1.1設(shè)計(jì)目的通過課程設(shè)計(jì)，對(duì)自動(dòng)控制原理的根本內(nèi)容有進(jìn)一步的了解，特別是水箱液位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。能把本學(xué)期學(xué)到的自動(dòng)控制理論知識(shí)進(jìn)展實(shí)踐，操作。在提高動(dòng)手能力的同時(shí)對(duì)常用的開閉環(huán)控制有一定的了解，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有感性的認(rèn)識(shí)。而且在進(jìn)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候遇到問題，通過獨(dú)立的思考有利于提高解決問題的能力。在經(jīng)過課程設(shè)計(jì)后，更明白自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)的一般方法，以及在遇到困難怎么排除問題。1.2設(shè)計(jì)要求我選擇的課程任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求包括：1有自平衡能力的單元原件以及無自平衡能力的單元原件；2控制器具有正反作用；3系統(tǒng)具有自校正系統(tǒng)。2系統(tǒng)元件的選擇2.1有自平衡能力的單容元件如果被控對(duì)象在擾動(dòng)作用下偏離了原來的平衡狀態(tài)，在沒有外部干預(yù)的情況下〔指沒有自動(dòng)控制或人工控制參與〕，被控變量依靠被控對(duì)象內(nèi)部的反響機(jī)理，能自發(fā)到達(dá)新的平衡狀態(tài)，我們稱這類對(duì)象是有自平衡能力的被控對(duì)象。具有自平衡能力的單容對(duì)象的傳遞函數(shù)為這是個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。描述這類對(duì)象的參數(shù)是時(shí)間常數(shù)T和放大系數(shù)K。圖1單容水箱圖1是單容水箱的示意圖。我們已經(jīng)推導(dǎo)過水箱的傳遞函數(shù)為其中T=RC，T稱為水箱的時(shí)間常數(shù)。K稱為水箱的放大系數(shù)。一階系統(tǒng)的特性我們已經(jīng)在時(shí)域分析中進(jìn)展了詳細(xì)的討論，所有結(jié)論都適用于單容對(duì)象。作為過程控制的被控對(duì)象，單容對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比擬大。2.2無自平衡能力的單容元件圖2單容積分水箱圖2也是一個(gè)單容水箱。不同的是水箱的出口側(cè)安裝了一臺(tái)水泵，這樣一來，水箱的流出水量就與水位無關(guān)，而是保持不變，即流出量的變化量。在靜態(tài)下，流入水箱的流量與水泵的排水量一樣都為Q，水箱的水位H保持不變。在流入量有一個(gè)增量時(shí)，靜態(tài)平衡被破壞，但流出量并不變化，水箱的水位變化規(guī)律為式中C為水箱的橫截面積。對(duì)上式兩端求取拉普拉斯變換，可得水箱的傳遞函數(shù)：這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。它的單位階躍響應(yīng)為圖3兩種水箱變化的比擬〔a〕單容積分水箱〔b〕有自平衡能力的單容水箱圖3〔a〕是水位變化的曲線。為了比擬，我們把具有慣性環(huán)節(jié)特性的水箱在單位階躍輸入下的水位響應(yīng)曲線也畫出來，如圖3〔b〕所示。很明顯，具有慣性環(huán)節(jié)特性的單容水箱，在輸入作用下，水位經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程后，可以重新到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。而具有積分環(huán)節(jié)的水箱在受到同樣的擾動(dòng)之后，水位則無限地上升，永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。我們稱這種水箱為單容水箱。具有積分環(huán)節(jié)特性的單容對(duì)象的傳遞函數(shù)可以表示為式中稱為飛升速度。其單位階躍響應(yīng)為這是一條直線方程，如圖3〔a〕所示。是直線的斜率。當(dāng)被控對(duì)象原來的平衡狀態(tài)被擾動(dòng)作用破壞后，如果不依靠自動(dòng)控制或人工控制的外來作用，被控變量將一直變化下去，不可能到達(dá)新的平衡狀態(tài)。我們稱這類對(duì)象為無自平衡能力的對(duì)象。2.3單容對(duì)象的特性參數(shù)被控對(duì)象有無自平衡能力，是被控對(duì)象本身固有的特性。圖4給出了兩類水箱的方框圖。圖4〔a〕是有自平衡能力的單容水箱，從方框圖中可以看出，水箱的水位既與流入量有關(guān)，也受流出量的制約，在被控對(duì)象內(nèi)部形成了一個(gè)負(fù)反響機(jī)制。當(dāng)流入量增大時(shí)，將引起水位的上升。水位上升的結(jié)果，流出量就會(huì)增加。流出量的增大又限制了水位的進(jìn)一步上升。經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程后，總能重新找到一個(gè)平衡點(diǎn)，使流入量與流出量相等，水位不再變化。圖4〔b〕是無自平衡能力的單容水箱，在其內(nèi)部不存在負(fù)反響機(jī)制，水位只與流量有關(guān)。具有自平衡能力的被控對(duì)象，本身對(duì)擾動(dòng)有一定的克制能力，控制性能較好。而無自平衡能力的被控對(duì)象，其傳遞函數(shù)的極點(diǎn)位于虛軸上，是不穩(wěn)定的。被控變量假設(shè)要按要求的規(guī)律變化，必須完全依賴于對(duì)象外部的控制系統(tǒng)。圖4兩種類型的單容水箱〔a〕有自平衡能力〔b〕無自平衡能力容量系數(shù)可定義為C=被控對(duì)象儲(chǔ)存的物質(zhì)或能量的變化量/輸出的變化量。容量系數(shù)對(duì)不同的被控對(duì)象有不同的物理意義，如水箱的橫截面積，電容器的電容量。熱力系統(tǒng)得熱容量等。在我們推導(dǎo)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)時(shí)，經(jīng)常遇到T稱為系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，它是系統(tǒng)或環(huán)節(jié)慣性大小的量度。式中的R稱為阻力系數(shù)。如電路的電阻，流體流動(dòng)的液阻，傳熱過程的熱阻等。被控對(duì)象的容量系數(shù)，表示了被控對(duì)象抵抗擾動(dòng)的能力，如水箱的橫截面積大，同樣流入量下，水位上升得就慢。電路的電容量大，在同樣充電電流下，電壓上升得就慢。慣性環(huán)節(jié)的慣性，其根本原因就是因?yàn)樗哂写尜A能力。但這并不是決定慣性大小的唯一因素。還有另一個(gè)因素就是阻力系數(shù)。阻力系數(shù)是對(duì)流入存貯元件凈流入量的制約。在R-C充電電路里，它限制了流入電容器的電流，在單容水箱中，它限制了水箱的凈進(jìn)水量。慣性環(huán)節(jié)因?yàn)槠渚邆淞俗云胶饽芰Γ谄鋭?dòng)態(tài)參數(shù)上，用時(shí)間常數(shù)來表示，而單容積分環(huán)節(jié)則不存在阻力系數(shù)，只用容量系數(shù)就可以表征其特性。描述有自平衡能力單容被控對(duì)象的參數(shù)有兩個(gè)：放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T，稱為被控對(duì)象的特性參數(shù)。放大系數(shù)K表示輸入信號(hào)通過被控對(duì)象后穩(wěn)態(tài)輸出是輸入的K倍。對(duì)于同樣的輸入信號(hào)，放大系數(shù)大，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)就大。K表示了被控對(duì)象的穩(wěn)態(tài)放大能力，是被控對(duì)象的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。T是描述被控對(duì)象慣性大小的參數(shù)，時(shí)間常數(shù)T越大，被控對(duì)象在輸入作用下的輸出變化得越慢。T是單容被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)。無自平衡能力的被控對(duì)象在輸入作用下不會(huì)到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)，描述其性能的參數(shù)只有一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)：飛升速度。3控制器參數(shù)的整定3.1參數(shù)確實(shí)定控制器參數(shù)的整定，對(duì)PID控制規(guī)律來說，就是恰中選擇比例度〔或比例放大系數(shù)〕、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的值?？刂破鲄?shù)整定的方法有兩類，一類是理論計(jì)算法，一類是工程整定法。被控對(duì)象較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可以應(yīng)用理論計(jì)算法。用傳統(tǒng)的時(shí)域法、頻率法、根軌跡法都可以進(jìn)展整定，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)展參數(shù)整定和優(yōu)化的方法也很多。往往由于數(shù)學(xué)模型的原因，理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)精度不高，但它卻可以為工程整定法提供指導(dǎo)。工程整定法易于掌握，是比擬實(shí)用的方法。常用的工程整定法有穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等。穩(wěn)定邊界法又稱為臨界比例度法。具體過程是，先將控制器變?yōu)楸壤刂破鳎饾u減小比例帶，直到出現(xiàn)等幅振蕩。這是的比例度稱為臨界比例度，記為。記下兩個(gè)波峰相距的時(shí)間〔臨界振蕩周期〕，根據(jù)和，按表一進(jìn)展計(jì)算。表一穩(wěn)定邊界法計(jì)算公式表〔衰減率〕控制規(guī)律比例度〔%〕積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)

衰減曲線法。衰減曲線法是使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩，根據(jù)衰減振蕩參數(shù)來確定控制器參數(shù)。工程上認(rèn)為，衰減率(衰減比為4：1〕時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程較適宜。因此，一般都采用4：1衰減曲線來進(jìn)展整定。具體過程是：先將控制器變成比例控制器，比例度取較大的值，給定值為階躍函數(shù)，觀察曲線的衰減情況。然后逐漸減小比例度，直到衰減比為4：1，此時(shí)的比例度為，衰減周期為，如圖5所示圖54:1衰減曲線根據(jù)和，按表二進(jìn)展計(jì)算。表二

衰減曲線法計(jì)算表控制規(guī)律比例度〔%〕積分時(shí)間(min)微分時(shí)間(min)

響應(yīng)曲線法與以上兩種方法不同。以上兩種方法都是在閉環(huán)系統(tǒng)下進(jìn)展的，而響應(yīng)曲線法則要測(cè)出系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)。把控制系統(tǒng)從控制器輸出點(diǎn)斷開。在調(diào)節(jié)閥上加一個(gè)階躍輸入，測(cè)量變送器的輸出作為響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線一般的形式如圖6所示。根據(jù)響應(yīng)曲線可近似求出如下傳遞函數(shù)圖6系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)根據(jù)求出的K,T和值，按表三計(jì)算。表三

響應(yīng)曲線計(jì)算表〔衰減率〕被控對(duì)象控制規(guī)律

3.2電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直流電動(dòng)機(jī)可以在較寬的速度*圍和負(fù)載*圍內(nèi)得到連續(xù)和準(zhǔn)確地控制，因此在控制工程中應(yīng)用非常廣泛。直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩與磁通和電樞電流成正比，通過改變電樞電流或改變激磁電流都可以對(duì)電流電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)展控制。在這種控制方式中，激磁電流恒定，控制電壓加在電樞上，這是一種普遍采用的控制方式。設(shè)為輸入的控制電壓電樞電流為電機(jī)產(chǎn)生的主動(dòng)力矩為電機(jī)軸的角速度為電機(jī)的電感為電樞導(dǎo)數(shù)的電阻為電樞轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的反電勢(shì)為電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)電路的克?；舴蚨ɡ碚砗笫街校悍Q為直流電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)；稱為直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)；,為比例系數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電感比擬小，一般情況下可以忽略不計(jì)，可簡(jiǎn)化為3.3控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖7過程控制系統(tǒng)構(gòu)造圖傳遞函數(shù)為控制器參數(shù)確實(shí)定測(cè)的該控制系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)的參數(shù)后得到的近似傳遞函數(shù)為3.4PID控制器的參數(shù)計(jì)算minmin4控制系統(tǒng)的校正在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對(duì)象的特性并不是不變的。當(dāng)被控對(duì)象特性發(fā)生變化后，原定整定的PID控制參數(shù)就不是最適宜的參數(shù)了，必須重新整定。這將給連續(xù)化的生產(chǎn)帶來不利的影響。有一種控制系統(tǒng)，能根據(jù)被控對(duì)象特性的變化或其他條件的變化，自動(dòng)調(diào)整控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制器的控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)始終處于最正確狀態(tài)，我們稱這種控制系統(tǒng)為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。能對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)展自動(dòng)整定的自適應(yīng)控制系統(tǒng)成為自校正系統(tǒng)或自整定系統(tǒng)。圖8自校正系統(tǒng)的工作原理圖8是自校整系統(tǒng)的工作原理圖。自校正系統(tǒng)與一般控制系統(tǒng)相比，增加了兩種功能：一是根據(jù)控制器輸出和被控對(duì)象輸出分析對(duì)象的特性，即對(duì)對(duì)象進(jìn)展識(shí)別；二是根據(jù)識(shí)別結(jié)果計(jì)算并改變控制器參數(shù)，稱為決策。例如假定被控對(duì)象的模型為:對(duì)象識(shí)別環(huán)節(jié)就會(huì)根據(jù)測(cè)量的值對(duì)K,T和進(jìn)展估計(jì)。決策環(huán)節(jié)則根據(jù)求出的對(duì)象參數(shù)按規(guī)定的整定規(guī)則計(jì)算出控制器參數(shù)并對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)展修改。4.1控制器的正反作用控制系統(tǒng)要能正常工作，必須有一個(gè)負(fù)反響控制系統(tǒng)。為了保證這一點(diǎn)，必須正確選擇各環(huán)節(jié)的正反作用。控制器的正反作用是根據(jù)被控變量的測(cè)量值和控制器輸出之間的關(guān)系確定的。被控變量測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出也增加，則控制器為正作用控制器，并規(guī)定其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)為負(fù)。被控對(duì)象的測(cè)量值增加時(shí)，控制器的輸出值減小，則控制器為反作用控制器，并規(guī)定器穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)為正。被控對(duì)象的輸出與調(diào)節(jié)閥內(nèi)的介質(zhì)流量變化決定了被控對(duì)象的正反作用。介質(zhì)流量增加，被控對(duì)象的輸出也增加，則被控對(duì)象為正作用，規(guī)定其放大系數(shù)為正。介質(zhì)流量增加時(shí)，被控對(duì)象輸出減小，則被控對(duì)象為反作用，規(guī)定其放大系數(shù)為負(fù)。執(zhí)行器氣開式為正作用，氣關(guān)式為反作用，并規(guī)定正作用調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)為正，反作用的為負(fù)。變送器的作用一般都是正作用，其放大系數(shù)為正。要保證系統(tǒng)是負(fù)反響系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的正反作用的乘積必須為正。這可用各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)來表示。即為正。這里相乘只取正符號(hào)計(jì)算，不必計(jì)算放大系數(shù)的具體數(shù)值。選擇控制器的正反作用的步驟是先根據(jù)工藝及平安要求確定調(diào)節(jié)閥正反作用，被控對(duì)象的正反作用是固有的特性，測(cè)量變送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再選擇控制器的正反作用，使的乘積為正。4.2串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是在單回路控制系統(tǒng)的根底上開展起來的，對(duì)改善控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)非常有效，在過程控制中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是一種典型的復(fù)雜控制系統(tǒng)。圖9夾套反響器的溫度控制我們通過一個(gè)實(shí)例來說明串級(jí)控制原理。圖九是夾套式反響釜溫度控制的例子。反響釜中的放熱化學(xué)反響所產(chǎn)生的熱量必須被傳輸出去，以保證化學(xué)反響的溫度條件。冷卻水通過夾套把反映熱帶走。圖9〔a〕是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。TT表示溫度測(cè)量變送器，TC表示溫度控制器。這個(gè)控制系統(tǒng)的構(gòu)造圖見圖10。影響反響釜反響溫度的因素來自反響物料和冷卻水兩個(gè)方面，用表示物料方面的擾動(dòng)，用表示冷卻水方面的擾動(dòng)。因?yàn)檫@兩個(gè)擾動(dòng)的作用點(diǎn)不同，對(duì)反響釜溫度的影響也不一樣。假設(shè)冷卻水發(fā)生擾動(dòng)，如冷卻水入口水溫度突然升高或冷卻水流量突然減小，這個(gè)擾動(dòng)經(jīng)過夾套、反響釜的槽壁、反響釜〔反響槽〕才能對(duì)發(fā)生影響，由于被控對(duì)象熱容量大，熱傳遞過程的慣性很大。在發(fā)生變化后，控制器才能開大冷卻水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，加大流量，但影響到又要經(jīng)過一個(gè)熱傳遞過程。這將使反響釜的溫度發(fā)生較大的偏差?？梢妴位芈废到y(tǒng)不能滿足控制的要求。由于冷卻水方面的擾動(dòng)會(huì)很快影響到夾套溫度，如果把單回路控制系統(tǒng)改變成圖9〔b〕的形式，即增加一個(gè)夾套溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)冷卻水?dāng)_動(dòng)發(fā)生時(shí)，這個(gè)控制回路會(huì)立即產(chǎn)生控制作用，穩(wěn)定由于這個(gè)控制回路慣性小，反響快，很快會(huì)被穩(wěn)定下來，根本上不受擾動(dòng)的影響，控制質(zhì)量就大大得到改善。圖11是這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造圖。圖10夾套反映器單回路溫度控制系統(tǒng)圖11夾套反響器串級(jí)溫度控制系統(tǒng)圖12被控對(duì)象假設(shè)被控對(duì)象可以分為兩局部，稱為過程Ⅰ，過程Ⅱ，如圖12所示。過程Ⅱ的輸出是過程Ⅰ的輸入,會(huì)對(duì)被控變量產(chǎn)生重大影響.一般情況下,過程Ⅱ的慣性較小,過程Ⅰ的慣性較大.對(duì)于這種情況,采用單回路控制方案,對(duì)發(fā)生在過程Ⅱ

上的擾動(dòng),控制效果很差,采用串級(jí)控制方式,則能收到較為滿意的控制效果。圖13串級(jí)控制系統(tǒng)的原理圖串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)造圖見圖13。串級(jí)控制系統(tǒng)共有2個(gè)控制回路.內(nèi)部的反響回路稱為副回路。副回路包括副控制器(副調(diào)節(jié)器),調(diào)節(jié)閥,副對(duì)象(即過程Ⅱ

)和副變送器.發(fā)生在副回路內(nèi)的擾動(dòng)稱為二次擾動(dòng)。外部的控制回路稱為主回路.主回路包括主控制器(主調(diào)節(jié)器),整個(gè)副回路,主對(duì)象(過程Ⅰ)和變送器。發(fā)生在主對(duì)象上的擾動(dòng)稱為一次擾動(dòng)。如果把整個(gè)副回路當(dāng)成一個(gè)等效環(huán)節(jié),它串聯(lián)在主回路的前向通道上。這就是串級(jí)控制名稱的由來。串級(jí)控制在構(gòu)造上有兩個(gè)特點(diǎn):一個(gè)特點(diǎn)是串級(jí)控制雖然有兩個(gè)控制器,兩個(gè)變送器和兩個(gè)測(cè)量參數(shù),但仍然是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng),系統(tǒng)只有一個(gè)需人為設(shè)定的給定值,只有一個(gè)控制變量(即副控制器輸出),只有一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu),因而也只能有一個(gè)被控變量,這一點(diǎn)和單回路控制系統(tǒng)極其相似;串級(jí)控制的另一個(gè)構(gòu)造的特點(diǎn)是主控制器和副控制器串聯(lián)在回路中.主控制器的輸出是副控制器的給定值.主控制器承受設(shè)定的給定值,所以整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)是一個(gè)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng).副控制器的給定值是主控制器的輸出,因?yàn)檫@個(gè)輸出要隨著擾動(dòng)而變化,所以副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng).過程控制中還會(huì)經(jīng)常遇到具有兩個(gè)回路的控制系統(tǒng),只要不符合以上兩個(gè)特征,就不是串級(jí)控制系統(tǒng).串級(jí)控制在控制品質(zhì)上也有兩個(gè)最顯著的特點(diǎn).圖14是*個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)造圖,圖中標(biāo)明了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù).為了比擬控制效果,圖15給出了同一被控對(duì)象的單回路控制構(gòu)造圖.圖14串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)二次擾動(dòng)進(jìn)入副回路后,二次擾動(dòng)至控制系統(tǒng)輸出(稱為主參數(shù))的傳遞函數(shù)為而單回路系統(tǒng),至主參數(shù)的傳遞函數(shù)為:圖15單回路控制系統(tǒng)比擬兩式，串級(jí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分母比單回路系統(tǒng)大的多。這說明，串級(jí)控制系統(tǒng)使二次擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的增益明顯減小，與單回路相比，二次擾動(dòng)的影響可以減小10-100倍。從作用原理上看，二次擾動(dòng)首先影響副對(duì)象的輸出〔稱為副參數(shù)〕，副控制器立即產(chǎn)生控制作用，由于副對(duì)象〔或副過程〕慣性較小，所以擾動(dòng)的影響很快得到克制，不會(huì)對(duì)被控變量產(chǎn)生大的影響。串級(jí)控制的副回路對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克制能力。這是串級(jí)控制的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，一定要把被控對(duì)象的主要擾動(dòng)包括在副回路內(nèi)。這是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的根本原則。對(duì)于一次擾動(dòng)，是不經(jīng)過副回路的。但副回路的存在卻可以使副回路的等效傳遞函數(shù)的慣性大大減小，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這是串級(jí)控制的另一個(gè)顯著特點(diǎn)。在串級(jí)控制中，副回路主要是為了抑制二次擾動(dòng)，并不要將二次擾動(dòng)完全消除，所以精度要求并不高，副控制器選比例控制就可以了。主回路的任務(wù)是保證系統(tǒng)輸出與給定值一致，控制精度要求高，所以主控制器應(yīng)選擇比例積分〔PI〕或(PID)控制器。副回路起"粗調(diào)〞作用，要求響應(yīng)快，主回路起"細(xì)調(diào)〞作用，要求精度高。這是選用主副控制器的原則。串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器參數(shù)定有多種方法。當(dāng)主副對(duì)象慣性相差不大，主副回路相互影響時(shí)，可采用逐步逼近法。即先斷開主回路整定副控制器參數(shù)，然后再整定主回路參數(shù)，接著再次在閉環(huán)下整定副回路參數(shù)。先副后主，逐步逼近，直到控制性能指標(biāo)滿意。二步整定法適用于主副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差較大的情況。在系統(tǒng)閉合時(shí)先整定副回路，然后把副回路當(dāng)成一個(gè)環(huán)節(jié)，整定主回路。這種方法應(yīng)用較廣。現(xiàn)在，生產(chǎn)過程的新技術(shù)、新工藝以及新型的生產(chǎn)設(shè)備都對(duì)自動(dòng)控制提出了更高的要求。在新的控制理論指導(dǎo)下的許多高級(jí)、先進(jìn)的控制方式正在逐步獲得應(yīng)用。例如最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)等。5系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5.1系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的特征方程為用勞斯判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性如下1121061522顯然，勞斯表第一列系數(shù)符號(hào)一樣，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。5.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差開環(huán)傳遞函數(shù)表示為式中K表示系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。N表示開環(huán)傳遞函數(shù)所包含的積分環(huán)節(jié)數(shù)。在分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，我們根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)所含的積分環(huán)節(jié)數(shù)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展分類。假設(shè)N=0，即控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)不含積分環(huán)節(jié)，稱為0型系統(tǒng)。假設(shè)N=I,則稱為I型系統(tǒng)。N=Ⅱ,稱為Ⅱ型系統(tǒng)?，F(xiàn)在，我們來討論不同類型的控制系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。單位斜坡函數(shù)輸入的穩(wěn)態(tài)誤差。單位斜坡函數(shù)輸入下控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為定義則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為式中，稱為速度誤差系數(shù)。對(duì)于0型系統(tǒng)=0穩(wěn)態(tài)誤差為穩(wěn)態(tài)誤差為式中K為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。對(duì)于Ⅱ型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為在單位斜坡函數(shù)輸入下，0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為無窮大。這說明0型系統(tǒng)不能跟蹤斜坡函數(shù)。I型系統(tǒng)雖然可以跟蹤單位斜坡輸入函數(shù)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差，即I型系統(tǒng)對(duì)斜坡輸入是有差的。假設(shè)要在單位斜坡函數(shù)作用下到達(dá)無穩(wěn)態(tài)誤差的控制精度，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)必須含有二個(gè)以上的積分環(huán)節(jié)。通過對(duì)該系統(tǒng)的判斷得知該系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的各種情況進(jìn)展了分析，對(duì)自動(dòng)控制理論有了深刻的了解。完畢語此次設(shè)計(jì)重點(diǎn)從PID對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展了校正與控制，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也進(jìn)展了分析，對(duì)系統(tǒng)所需要的局部元件也進(jìn)展了必要的分析，并對(duì)局部部件建