水箱液位控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)(常用版)

水箱液位控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)（常用版）(可以直接使用，可編輯完整版資料，歡迎下載）

水箱液位控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)（常用版）(可以直接使用，可編輯完整版資料，歡迎下載）課程設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：專業(yè)：設(shè)計(jì)題目：水箱液位控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：職稱：年月水箱液位控制系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的“THJFCS-1型現(xiàn)場(chǎng)總線過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是從高校自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā)，采用代表自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)潮流的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，開發(fā)出來的進(jìn)行通訊和遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。通過在過程控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)液位進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，掌握過程控制系統(tǒng)的基本概念，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)控制理論知識(shí)分析解決實(shí)際問題。二、設(shè)計(jì)要求要求嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室安全制度及學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則，完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在尊重實(shí)踐的基礎(chǔ)上作好實(shí)驗(yàn)記錄，不能有任何偽造數(shù)據(jù)出現(xiàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析總結(jié)。之后獨(dú)立完成設(shè)計(jì)論文的編寫。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、過程控制系統(tǒng)基本理論復(fù)習(xí)。2、熟習(xí)過程控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。3、具體針對(duì)雙容水箱液位PID控制及計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，了解各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成，明確各系統(tǒng)的被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)器及測(cè)量變送單元分別是什么。記錄數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)曲線，分析各自特點(diǎn)及參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。用實(shí)驗(yàn)方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，寫出整定過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)作用下的靜、動(dòng)態(tài)性能。比較不同PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生的影響。4、進(jìn)行課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫報(bào)告。四、參考文獻(xiàn)1、《過程控制系統(tǒng)及儀表》2、《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》3、《過程控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》目錄1緒論 11.1課題意義 11.2液位控制的特點(diǎn)與現(xiàn)狀 11.3液位控制主要發(fā)展方向 21.3.1過程建模 1.3.2控制策略和方法 1.4論文結(jié)構(gòu) 42液位控制系統(tǒng)介紹 52.1TKGK-1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置 5系統(tǒng)組成 5供水系統(tǒng) 6控制對(duì)象 7模擬PID控制方式 72.2變頻器 7變頻器的種類、組成及功能 7變頻器的調(diào)速原理 92.3傳感器 10傳感器的定義、組成和種類 10傳感器的特性 11差壓傳感器 122.4被控對(duì)象 132.5模擬PID控制方式 133單容水箱液位控制系統(tǒng)建模 153.1液位控制的實(shí)現(xiàn) 153.2水箱建模 153.2.13.2.2水箱建模求解模型參數(shù) 183.3系統(tǒng)建模 20MATLAB的主要功能 20Simulink仿真環(huán)境 21確定系統(tǒng)模型參數(shù) 224液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制 244.1PID控制原理 244.2數(shù)字PID控制算法 25位置式PID控制算法 25增量式PID控制算法 274.3單容水箱液位的增量式PID控制 30系統(tǒng)仿真 30曲線的比較與分析 324.3.3PID參數(shù)整定 335結(jié)論 366參考文獻(xiàn) 387體會(huì) 381緒論1.1課題意義過程控制是自動(dòng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對(duì)液位、溫度、流量等過程變量進(jìn)行控制，在冶金、機(jī)械、化工、電力等方面得到了廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水，如果排水或進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會(huì)使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動(dòng)強(qiáng)度大或者操作有一定危險(xiǎn)性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失。可見，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是專門針對(duì)于過程控制系統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它包含有溫度、壓力、流量、液位等多種被控變量和PID控制、PLC控制等多種控制方式。十分適合對(duì)液位控制系統(tǒng)進(jìn)行方法、策略的驗(yàn)證和研究。所以，可以以這套實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái)，開展液位控制系統(tǒng)研究。1.2液位控制的特點(diǎn)與現(xiàn)狀液位控制工業(yè)最大的特點(diǎn)就是連續(xù)性，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以液位控制為代表的連續(xù)工業(yè)逐步向大型化、連續(xù)化、自動(dòng)化和集成化方向發(fā)展。為了提高競(jìng)爭(zhēng)能力，液位控制工業(yè)在不斷地通過提高自動(dòng)化水平來提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省能源、降低成本以獲取更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益。從控制工程的觀點(diǎn)看，液位控制有如下一些特點(diǎn)：①液體工業(yè)生產(chǎn)往往伴隨有物化反應(yīng)、生化反應(yīng)等，因此過程機(jī)理比較復(fù)雜；②被控對(duì)象往往是大慣性、高維、大時(shí)滯、嚴(yán)重不確定性與非線性等，控制起來非常困難；③液位控制工業(yè)經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆等環(huán)境下運(yùn)行，生產(chǎn)的安全性是至關(guān)重要的。根據(jù)液位控制的特點(diǎn)及其在生產(chǎn)中的工藝要求，可以知道，實(shí)現(xiàn)液位過程控制的目的和要求可歸納為：抑制外界擾動(dòng)的影響；確保液位控制過程的穩(wěn)定性；使工廠生產(chǎn)狀況更加優(yōu)化。傳統(tǒng)的液位控制多采用包含手動(dòng)控制方式的單回路控制，同時(shí)采用傳統(tǒng)的指針式機(jī)械儀表來顯示液位的當(dāng)前值，如浮子式、磁電式、接近開關(guān)式、電容式、聲波式等。傳統(tǒng)的液位控制在生產(chǎn)中一直占有主導(dǎo)地位，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)線的更新，不僅要求偶更直觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的液位控制系統(tǒng)，同時(shí)還要求在降低生產(chǎn)設(shè)備的成本、提高設(shè)備安全條件等方面有所突破，這就要求我們開發(fā)新型既實(shí)用又廉價(jià)的液位控制系統(tǒng)。液位控制的發(fā)展從七十年代到九十年代經(jīng)歷了幾個(gè)階段，控制理論由經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論，再到多學(xué)科交叉；控制工具由常規(guī)儀表到DCS，再到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制；控制要求與控制水平也由原來的簡(jiǎn)單、安全、平穩(wěn)到先進(jìn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)甚至市場(chǎng)預(yù)測(cè)、柔性生產(chǎn)?？梢哉f，在很短的時(shí)間內(nèi)，液位控制技術(shù)得到了飛躍性的發(fā)展。近年來，在控制工具方面，更是出現(xiàn)了如預(yù)測(cè)控制、單片機(jī)控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、魯棒控制、以及智能控制等控制策略。同時(shí)，也有了一種新的控制系統(tǒng)，稱之為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的綜合與集成。它的特點(diǎn)是全數(shù)字化、全分散化、全開放、可互操作和開放式互連網(wǎng)絡(luò)。它對(duì)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、安裝調(diào)試方法和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。盡管先進(jìn)液位過程控制能提高控制質(zhì)量并產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，但它們?nèi)匀恢R(shí)相互孤立的控制系統(tǒng)。于是就出現(xiàn)了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，它是將控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理等集于一體的新的控制模式，并將信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來的高級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)，也被稱為計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）。這便是液位過程控制系統(tǒng)的又一嶄新的發(fā)展階段。1.3液位控制主要發(fā)展方向過程建模目前國內(nèi)外流行的建模方法大致有3類：①機(jī)理建模。也就是根據(jù)過程本身的內(nèi)在機(jī)理，利用能量平衡、物質(zhì)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等規(guī)律來建立系統(tǒng)模型。該方法目前仍有不少的應(yīng)用場(chǎng)合，但在方法上沒有太大的發(fā)展。這是由于液位控制過程工業(yè)種類繁多，其物化反應(yīng)、生化反應(yīng)等過程非常復(fù)雜，要想根據(jù)機(jī)理來建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的；②“黑箱子”系統(tǒng)辨識(shí)。也就是根據(jù)被控過程的輸入、輸出數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。屬于這類方法的有最小二乘法系統(tǒng)辨識(shí)、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型、模糊模型、專家系統(tǒng)模型等。各種智能模型的交叉亦是此類模型的一種趨勢(shì)；③集成模型建模。此中建模方法將彌補(bǔ)機(jī)理建模和“黑箱子”系統(tǒng)辨識(shí)建模的短處而利用它們的長(zhǎng)處。其基本思想是將機(jī)理建模及其建模方法與各種系統(tǒng)辨識(shí)方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，產(chǎn)生出能夠較準(zhǔn)確描述復(fù)雜過程的模型。此方法目前尚無明確的定義，但這是過程建模的一個(gè)新研究方向。國內(nèi)外許多專家、學(xué)者在過程建模方面做了大量的研究，但就目前過程控制的水平而言，工業(yè)液位過程模型仍然是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的瓶頸，在這方面，日后有大量的工作需要完成?？刂撇呗院头椒壳?，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。以下是一些得到工程界公認(rèn)的先進(jìn)控制策略（算法）：①改進(jìn)的或復(fù)合PID控制算法。大量的事實(shí)證明，傳統(tǒng)的PID控制算法對(duì)于絕大部分工業(yè)過程的被控對(duì)象可取得較好的控制效果。采用改進(jìn)的PID算法或者將PID算法與其他算法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合往往可以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。②預(yù)測(cè)控制。預(yù)測(cè)控制是直接從工業(yè)過程控制中產(chǎn)生的一類基于模型的新型控制算法。它高度結(jié)合了工業(yè)實(shí)際的要求，綜合控制質(zhì)量比較高。預(yù)測(cè)控制有三要素，即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。它的機(jī)理表明它是一種開放式的控制策略，體現(xiàn)了人們?cè)谔幚韼в胁淮_定性問題時(shí)的一種通用的思想方法。③自適應(yīng)控制。在液位過程工業(yè)中，很多過程是時(shí)變的，如采用參數(shù)與結(jié)構(gòu)固定不變的控制器，則控制系統(tǒng)的性能會(huì)不斷惡化，這時(shí)就需要采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)來適應(yīng)時(shí)變的過程。它是辨識(shí)與控制的結(jié)合。目前，比較成熟的自適應(yīng)控制分3類：1.自整定調(diào)節(jié)器及其他簡(jiǎn)單自適應(yīng)控制器；2.模型參考自適應(yīng)控制；3.自校正調(diào)節(jié)與控制。④智能控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性以及對(duì)控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。另外，被控工業(yè)過程日益復(fù)雜，過程嚴(yán)重的非線性和不確定性，使許多系統(tǒng)無法用數(shù)學(xué)模型精確描述。沒有精確的數(shù)學(xué)模型作前提，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能將大打折扣。而智能控制器的設(shè)計(jì)卻不依賴過程的數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)液位過程往往可以取得很好的控制效果。常用的智能控制方法有以下幾種：模糊控制、分級(jí)遞階智能控制、專家控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、擬人智能控制。這些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在問題。同時(shí)，又有研究表明將它們相互交叉結(jié)合或與傳統(tǒng)的控制方法結(jié)合會(huì)產(chǎn)生更好的效果。它們中有些已經(jīng)在石化、鋼鐵、冶金、食品等行業(yè)中取得了成功。今后，需要進(jìn)一步對(duì)智能控制的基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，以建立統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。1.4論文結(jié)構(gòu)第一章：介紹了選題意義，液位控制的特點(diǎn)、現(xiàn)狀和發(fā)展方向。第二章：介紹了液位控制系統(tǒng)裝置的硬件結(jié)構(gòu)、被控對(duì)象和模擬PID控制方式。第三章：根據(jù)液位系統(tǒng)過程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)際測(cè)量開環(huán)液位控制響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)，得出了模型參數(shù)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，確定系統(tǒng)模型。第四章：先介紹了PID控制的基本原理及數(shù)字PID算法，并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。然后，編寫MATLAB程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并比較分析了仿真曲線和實(shí)際曲線的差異及其原因。接著，由于曲線不夠理想，故改進(jìn)了算法程序，整定了PID參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。最后，對(duì)兩曲線進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)整定法所得實(shí)際曲線的性能仍然不好，分析了其原因。第五章：總結(jié)了整篇論文，2液位控制系統(tǒng)介紹為了更好的理解液位控制系統(tǒng)的控制原理，便于對(duì)象、系統(tǒng)的建模和仿真，就必須對(duì)該系統(tǒng)硬件部分和其原有的控制方式進(jìn)行一定的了解。在硬件部分中，除TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置外，變頻器、傳感器也是非常重要的器件，有必要知道它們的一些組成、原理。2.1TKGK-1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是針對(duì)于過程控制的專用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它集中了液位、流量、溫度等多種被控變量，功能強(qiáng)大，使用方便，可進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)組成TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的控制參數(shù)有：壓力、溫度、液位和流量，差不多包含了目前工業(yè)控制中的過程控制參數(shù)。它的基本過程是水流回路，回路中的部件包括：被控對(duì)象（上水箱、下水箱、管路、直流電機(jī)及水泵、交流電機(jī)及水泵、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、復(fù)合加熱水箱、電熱絲、儲(chǔ)水箱等），信號(hào)變送器（壓力檢測(cè)器、流量檢測(cè)器、溫度檢測(cè)器、液位檢測(cè)器等）。在系統(tǒng)裝置上有直流調(diào)速器、交流變頻器、固態(tài)繼電器等部件，它們可和直流電機(jī)及水泵、交流電機(jī)及水泵、電熱絲等一起作為執(zhí)行器。另外，裝置中還有多種調(diào)節(jié)器，主要包括溫度智能調(diào)節(jié)器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（配置有RS232微機(jī)通訊接口單元）、模擬調(diào)節(jié)器（含比例P調(diào)節(jié)、比例積分PI調(diào)節(jié)、比例微分PD調(diào)節(jié)、比例積分微分PID調(diào)節(jié)）、位式調(diào)節(jié)器、PLC控制器等；如圖2-1所示，為系統(tǒng)的工藝流程圖。供水線路有兩條，一條是由直流電機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，通過閥7或閥8分別供水給上、下兩個(gè)水箱，另一條由交流電機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，一方面它可以通過閥5或閥6供給復(fù)合溫控水箱，另一方面它也可以經(jīng)過電磁流量計(jì)（FT）后，通過閥1或閥3分別供水給上、下兩個(gè)水箱。該裝置中，兩個(gè)水箱內(nèi)均裝有液位傳感器（LT1，LT2）和溢流口，并且每個(gè)水箱的出水口均經(jīng)過線性化處理，上水箱的水通過閥2的調(diào)節(jié)流到下水箱；在上水箱中還安裝了壓力傳感器（PT），用于檢測(cè)壓力大小，而下水箱的水會(huì)經(jīng)閥4流到復(fù)合加熱水箱的外套，最后經(jīng)溢流口3流回儲(chǔ)水箱，這樣就構(gòu)成了一個(gè)水的循環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)，在復(fù)合加熱水箱的內(nèi)套安裝了加熱器和PT100溫度傳感器（TT），用于檢測(cè)溫度的大小。圖2-1、系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)顯示板圖圖2-1、系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)顯示板圖供水系統(tǒng)1、直流電機(jī)供水部分：由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，將儲(chǔ)水箱中的水經(jīng)閥7、8分別注入上、下水箱。2、交流電機(jī)供水部分：由三相交流鼠籠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，將儲(chǔ)水箱中的水經(jīng)流量計(jì)和閥1、3、6將水分別注入上、下水箱和復(fù)合加熱水箱的外套水箱。復(fù)合水箱的內(nèi)套水箱通過閥5一次性加滿水后即將它關(guān)閉。3、調(diào)節(jié)閥2、閥4，可調(diào)節(jié)上、下水箱的排水量。各水箱的過量水都通過溢流口1、2、3回流到儲(chǔ)水箱中?？刂茖?duì)象如圖2-1所示，裝置結(jié)構(gòu)展示屏示有三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，上下兩個(gè)水箱的水位控制對(duì)象，和一個(gè)溫度控制對(duì)象（是一個(gè)由復(fù)合水箱與電加熱容器構(gòu)成）。模擬PID調(diào)節(jié)器如圖2-2所示，為一路PID調(diào)節(jié)器和一路給定信號(hào)源。P、I、D參數(shù)設(shè)置：“P比例調(diào)節(jié)”——比例系數(shù)KC（即放大系數(shù)）的調(diào)節(jié)。它是比例度δ的倒數(shù)，即KC=1/δ?！癐積分調(diào)節(jié)”——指積分時(shí)間常數(shù)Ti的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍“0.01至2.5分”和“0.1至25分”?！癉微分調(diào)節(jié)器”——指微分時(shí)間常數(shù)Td的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍“0.01至10分”。圖2-2PID調(diào)節(jié)器控制面板圖以上主要簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)裝置及某些重要部件的組成。結(jié)合系統(tǒng)裝置的總體結(jié)構(gòu)可以知道該裝置具有靈活、控制參數(shù)多、控制方式多（模擬PID控制、位式控制、PLC控制等）、控制算法多（P、PI、PID、模糊控制、神經(jīng)元控制、自定義算法等）的特點(diǎn)。圖2-2PID調(diào)節(jié)器控制面板圖2.2變頻器在該水位控制系統(tǒng)中，是用變頻器來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制水泵的抽水量，也就是控制流入水箱的水流量，從而達(dá)到控制水箱水位的目的。這里主要介紹變頻器的類型、基本構(gòu)成、功能、調(diào)速原理。變頻器的種類、組成及功能變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將配電網(wǎng)電源的50Hz恒定頻率變成可調(diào)頻率的交流電，作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，當(dāng)前國內(nèi)外使用較為普遍。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。一、變頻器的種類1．按變換頻率的方法可分為：交—直—交變頻器、交—交變頻器。2．按改變變頻器輸出電壓（或電流）的方法分為：PAM、PWM。3．按電壓等級(jí)分為：低壓型變頻器、高壓大容量變頻器。二、變頻器的基本構(gòu)成圖2-3變頻器的構(gòu)成圖2-3變頻器的構(gòu)成圖2-3為變頻器在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)中的結(jié)構(gòu)圖。通常由變頻器主回路給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源的輸出電壓或輸出電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要高精度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，還應(yīng)由變頻器主回路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來的信號(hào)進(jìn)行必要的運(yùn)算。保護(hù)回路除應(yīng)防止因變頻器主回路的過壓、過流引起的損壞外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等等。三、變頻器的功能目前比較先進(jìn)的變頻器都有如下功能：速度與轉(zhuǎn)矩特性快速響應(yīng)功能AVR（自動(dòng)電壓調(diào)整）功能保證了高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整功能模糊邏輯加、減速功能降低能源消耗，自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能降低電機(jī)噪聲，實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)行多段速度功能內(nèi)裝PI或PID調(diào)節(jié)功能變頻器的調(diào)速原理變頻器調(diào)速主要有恒壓頻比（V/f）控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制四種結(jié)構(gòu)形式，這里主要簡(jiǎn)要介紹前三種工作原理。（1）．V/f恒定控制根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電頻率和電機(jī)極數(shù)決定，在改變頻率時(shí)，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著改變。當(dāng)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即存在滑差，滑差的大小與電機(jī)的負(fù)載大小有關(guān)。V/f恒定控制是在控制電動(dòng)機(jī)的電源變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比Ｖ/f恒定。從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。它主要應(yīng)用于范圍要求不高的場(chǎng)合。如風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能調(diào)速，它的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制。Ｖ/f恒定控制存在的主要問題是低速性能較差。其原因是低速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)定子電阻壓降所占比重增大，不能忽略，不能認(rèn)為定子電壓和電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)近似相等，仍按Ｖ/f比恒定控制已不能保持電機(jī)磁通恒定。為此我們常常采用低頻磁通補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行V/f恒定控制。（２）．轉(zhuǎn)差頻率控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)有關(guān)，不是獨(dú)立的變量，難以直接測(cè)量和控制。但當(dāng)氣隙磁通不變時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似和轉(zhuǎn)差頻率成正比，因此，在恒磁通的條件下，通過控制轉(zhuǎn)差頻率，就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制的目的，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。（３）．矢量控制根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)能得到和直流電動(dòng)機(jī)相類似的控制性能，這就是矢量控制。從產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)看，三相繞組中通以三相對(duì)稱電流可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，二相繞組中通以互差的電流亦可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因而從磁場(chǎng)作用看，三相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以用二相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)來等效。矢量控制中的３/２，２/３變換計(jì)算就是一種等效計(jì)算，另外，從產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角度考慮，我們可以設(shè)想交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是由直流電產(chǎn)生的，那么產(chǎn)生磁場(chǎng)的繞組需要以電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)，在控制計(jì)算中需要增加旋轉(zhuǎn)變換，即將靜止的定子繞組通以交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效為由旋轉(zhuǎn)的繞組通以直流電所產(chǎn)生的磁場(chǎng)?；谝陨献儞Q可以構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)矢量控制。矢量控制技術(shù)在變頻調(diào)速中已獲得廣泛應(yīng)用，但它需要對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行正確估算，如何提高參數(shù)的準(zhǔn)確性是一直研究的課題。2.3傳感器控制系統(tǒng)中，要控制水箱的水位，就必須知道每時(shí)每刻水箱中的水位，并把它反饋給控制量，以便更加準(zhǔn)確的實(shí)行控制，這就要用到傳感器技術(shù)。在這一節(jié)里，主要介紹傳感器的定義、組成、分類、特性以及在TKGK-1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中用到的差壓傳感器的功能原理。傳感器的定義、組成和種類非電量的測(cè)量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器測(cè)量，因?yàn)橐话愕碾娮觾x表和電子儀器只能測(cè)量電量，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件被稱為傳感器。采用傳感器技術(shù)的非電量電測(cè)方法，就是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量技術(shù)。一、傳感器的定義和組成傳感器的作用是將被測(cè)非電物理量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的電信號(hào)，它獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度。敏感元件轉(zhuǎn)換元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件接口電路非電物理量電信號(hào)輔助電源圖2-4傳感器組成框圖二、傳感器的分類1．按被測(cè)物理量分類：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)矩傳感器等。2．按傳感器工作原理分類：電學(xué)式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器、電勢(shì)型傳感器、電荷型傳感器、半導(dǎo)體型傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器。傳感器的特性傳感器測(cè)量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測(cè)量動(dòng)態(tài)量表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)特性。為了降低或消除傳感器在測(cè)量控制系統(tǒng)中的誤差，傳感器必需具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，才能使信號(hào)或能量按準(zhǔn)確的規(guī)律轉(zhuǎn)換。一、靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述。1.線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。2.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。3.重復(fù)性重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。多次測(cè)量的曲線越重合，其重復(fù)性越好。4.遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象是傳感器正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出—輸入特性曲線不一致的程度。5.分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性，它是指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用起不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定程度。7.漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可以分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。二、動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號(hào)情況下，要求傳感器不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且能測(cè)量出信號(hào)變化的過程。這就要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化。也就是說，傳感器要有良好的動(dòng)態(tài)特性。具體研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，通常從時(shí)域和頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。最常用的是通過幾種特殊的輸入時(shí)間函數(shù)，例如采用階躍函數(shù)和正弦函數(shù)來研究其響應(yīng)特性，稱為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。其中以階躍響應(yīng)法最為簡(jiǎn)單、直觀。階躍響應(yīng)特性給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)有：（1）最大超調(diào)量響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示，能說明傳感器的相對(duì)穩(wěn)定性。（2）延遲時(shí)間階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時(shí)間。（3）上升時(shí)間它表示響應(yīng)曲線從零上升，首次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。（4）峰值時(shí)間響應(yīng)曲線上升到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。（5）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)曲線逐漸趨于穩(wěn)定，到與穩(wěn)態(tài)值之差不超過所需要的時(shí)間，也稱為過度過程時(shí)間。差壓傳感器在TKGK-1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中，采用了差壓傳感器來檢測(cè)水箱的液位。1、差壓傳感器的基本原理差壓式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理而制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因?yàn)橥ㄟ^壓力的測(cè)量便可以得知液面的高度。2、差壓傳感器零點(diǎn)的遷移在使用差壓傳感器測(cè)量水箱液位時(shí)，其差壓△P（△P=P正-P負(fù)）與水箱液位高度H之間有著如下的關(guān)系：△P=ρ*g*H式中ρ為液體密度，g為圖2-5、差壓傳感器重力加速度。在“無遷移”時(shí)，即h=0，作用在正、負(fù)壓室的壓力應(yīng)該相等。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于多種原因常會(huì)出現(xiàn)當(dāng)h=0時(shí)，△P≠0的情況，如圖2-5中的直線（1）所示。即當(dāng)h=0時(shí)，變送器的輸出不為0V；h=hmax時(shí)，變送器輸出不為5V。零點(diǎn)遷移的實(shí)質(zhì)是通過改變P負(fù)的大小來改變變送器的零點(diǎn)，如圖2-5中的a，b，c各點(diǎn)所示。由該圖可知，零點(diǎn)遷移的同時(shí)也改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，但不會(huì)改變量程的大小。圖2-5、差壓傳感器3、差壓傳感器的精度由于任何測(cè)量過程都會(huì)存在著一定的誤差，因此檢測(cè)時(shí)必須知道其精確程度，以便估計(jì)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值的差距，即估計(jì)測(cè)量值的誤差大小。精確度不僅與絕對(duì)誤差有關(guān)，而且還與其測(cè)量范圍有關(guān)。2.4被控對(duì)象本課題探討的是單容水箱（即指圖2-1中的上水箱）的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對(duì)象—上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖2-6可以知道，單容水箱的流量特性：2-6單容水箱結(jié)構(gòu)圖水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。2-6單容水箱結(jié)構(gòu)圖2.5模擬PID控制方式GK-04變頻器PID調(diào)節(jié)器交流電機(jī)與泵上水箱液位變送器H（液位高度）—圖2-7單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖給定量GK-04變頻器PID調(diào)節(jié)器交流電機(jī)與泵上水箱液位變送器H（液位高度）—圖2-7單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖給定量圖2-8單容液位控制系結(jié)構(gòu)圖單回路反饋控制系統(tǒng)的控制任務(wù)是使水箱液位等于給定值所要求的高度；減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應(yīng)用。圖2-8單容液位控制系結(jié)構(gòu)圖圖2-9、圖2-9、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖2-9中的曲線①、②、③所示。3單容水箱液位控制系統(tǒng)建模3.1液位控制的實(shí)現(xiàn)除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測(cè)出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號(hào)控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。3.2水箱建模這里研究的被控對(duì)象只有一個(gè)，那就是上水箱（單容水箱）（圖2-6）。要對(duì)該對(duì)象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控制，有必要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個(gè)自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測(cè)試法進(jìn)行建模。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問題階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)）。同時(shí)，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，確定模型中的相關(guān)參數(shù)。在進(jìn)行測(cè)試法的實(shí)驗(yàn)操作之前，必須注意以下幾個(gè)問題：（1）、做實(shí)驗(yàn)過程中，閥V1開度應(yīng)為較大；且閥開度必須適當(dāng)（盡量保證變頻器頻率為最大頻率的50%時(shí)，液位能穩(wěn)定于水箱高度的50%處）。（2）、階躍信號(hào)不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止對(duì)象特性的不真實(shí)性。一般階躍信號(hào)取正常輸入信號(hào)的5%~15%。（3）、在輸入階躍信號(hào)前，過程必須處于平衡狀態(tài)。（4）、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線。在此，我們選擇由給定信號(hào)源輸出一個(gè)給定電壓給變頻器（給定電壓與變頻器頻率成正比：05V對(duì)應(yīng)050Hz），將被控參數(shù)液位控制在4cm左右。觀察系統(tǒng)的被調(diào)量——水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，則開始啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏，記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，并迅速增調(diào)給定輸出，使輸出給定電壓突加10%，形成一個(gè)階躍信號(hào)。等到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)后，實(shí)驗(yàn)即結(jié)束。水箱建模圖3-1單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖圖3-1單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3-1，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對(duì)象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有（3-1）將式（3-1）表示為增量形式（3-2）式中，、、——分別為偏離某一平衡狀態(tài)、、的增量；C——水箱底面積。在靜態(tài)時(shí)，=；=0；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡(jiǎn)化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為與成正比，而與閥的阻力成反比，即或（3-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（3-3）代入式（3-2）可得（3-4）在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得：（3-5）式中，T=R2C為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為：(3-6)即（3-7）當(dāng)t時(shí)，因而有（3-8）當(dāng)t=T時(shí)，則有（3-9）圖3-2階躍響應(yīng)曲線式（3-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖3-2所示。由式（3-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。圖3-2階躍響應(yīng)曲線其理論依據(jù)是：（3-10）上式表示h（t）若以在原點(diǎn)時(shí)的速度h（∞）/T恒速變化，即只要花T秒時(shí)間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h（∞）。式（3-2）中的K值由下式求?。篕=h(∞)/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入但這種響應(yīng)曲線法是一種工程整定方法，它完全依靠系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，需要計(jì)算的參數(shù)基本上都是從圖中讀出的。在階躍響應(yīng)曲線上變化最快處（即拐點(diǎn)處）作切線，其拐點(diǎn)位置不易選準(zhǔn)，切線方向難以確定，模型參數(shù)值有可能因人而異。所以只有在那種能得出非常精確的響應(yīng)曲線圖的系統(tǒng)中，應(yīng)用此方法才可能得到比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。在這里，我們采用相對(duì)于本系統(tǒng)比較合理的方法——解方程法來計(jì)算模型參數(shù)。求解模型參數(shù)解方程法就是以實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式（3-8）和式（3-9）計(jì)算出參數(shù)K和T。因?yàn)殚_環(huán)時(shí)，單容水箱液位達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間很長(zhǎng)，大約需要40分鐘，而數(shù)據(jù)采樣速率為每一秒鐘作一次數(shù)據(jù)記錄，所得數(shù)據(jù)量很龐大。在此，我們以每分鐘取一個(gè)的方式從中選取數(shù)據(jù)如下表：表3-1開環(huán)液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)間t(min)-3-2-10123液位高度h(mm)44.044.144.244.345.847.248.3進(jìn)水流量（ml/s）21.221.520.521.323.321.422.54567891011121349.550.751.452.353.153.754.455.055.956.323.223.222.622.923.023.023.123.023.224.01415161718192021222356.757.357.958.158.458.959.059.459.759.722.923.523.723.423.723.723.923.523.723.52425262728293031323360.360.160.360.560.860.961.261.361.361.423.523.923.722.722.522.823.223.323.023.334353637383961.561.661.761.861.861.823.423.423.423.523.223.3圖3-3開環(huán)系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)曲線圖3-3開環(huán)系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)曲線由表3-1及圖3-3可以看出，在輸入階躍信號(hào)之前，液位穩(wěn)定于44.3mm處，即。加入階躍信號(hào)后，經(jīng)過39分鐘，液位在61.8mm處達(dá)到新的平衡狀態(tài)。若以作為階躍響應(yīng)的零點(diǎn)。則有=61.8-44.3=17.5（mm）由所測(cè)數(shù)據(jù)可以算出，輸入階躍信號(hào)前，平均進(jìn)水流量=21.1ml/s，輸入階躍信號(hào)后，平均進(jìn)水量=23.3ml/s。則由式（3-8）可得又由式（3-9）得到所以，當(dāng)t=T時(shí)，液位的實(shí)際高度為對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，液位高度為55.4mm時(shí)，T=685秒。將算出的K、T值代入式（3-5），得到（3-11）式（3-11）即為所建立的單容水箱的數(shù)學(xué)模型。3.3系統(tǒng)建模由上一章的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可看出，本系統(tǒng)最基本的組成部分除了上水箱外，還有變頻器、交流電動(dòng)機(jī)、水泵（PID調(diào)節(jié)器在算法控制中不用）。所以，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，就必須知道這些部件的模型特性。其中，比較特殊的就是交流電動(dòng)機(jī)和水泵。當(dāng)變頻器輸出給定頻率的交流電時(shí)，交流電機(jī)有一個(gè)轉(zhuǎn)速上升過程，故可看成一階慣性環(huán)節(jié)。水泵開始抽水時(shí)，水從儲(chǔ)水箱流到上水箱需要一段時(shí)間，且只有當(dāng)水壓達(dá)到一定程度，閥V1才會(huì)打開，同時(shí)通過閥V1的水流量也有一個(gè)極短的上升過程，因此可以看成一個(gè)有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間只有短短幾秒，慣性很??；水泵的滯后時(shí)間也只有幾秒，閥V1的流量上升時(shí)間則更短，故慣性和滯后都很?。欢到y(tǒng)中水箱液位的響應(yīng)時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)39分鐘，是一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)。所以，交流電機(jī)和水泵的特性對(duì)系統(tǒng)的影響很小。我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況以及系統(tǒng)模型構(gòu)架在MATLAB中進(jìn)行反復(fù)仿真，大概的估計(jì)一下他們的模型參數(shù)。MATLAB的主要功能MATLAB自1984年由MathWorks公司推向市場(chǎng)以來，歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)已逐步風(fēng)靡世界。其可靠的數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能、強(qiáng)大的繪圖功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的語言體系以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具使其在科技應(yīng)用軟件中備受矚目。1.數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能科學(xué)計(jì)算有數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算之分。MATLAB的數(shù)值計(jì)算功能非常強(qiáng)大，它提供了十分豐富的數(shù)值計(jì)算函數(shù)，而且所采用的數(shù)值計(jì)算算法都是國際公認(rèn)的、最先進(jìn)的、可靠的算法，其程序由世界一流專家編制，并經(jīng)高度優(yōu)化。高質(zhì)量的數(shù)值計(jì)算功能為MATLAB贏得了聲譽(yù)。在實(shí)際應(yīng)用中，除去數(shù)值計(jì)算外，在符號(hào)計(jì)算領(lǐng)域往往要得到問題的解析解，MATLAB和著名的符號(hào)計(jì)算語言Maple結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了MATLAB的符號(hào)計(jì)算功能。2.繪圖功能MATLAB提供了兩個(gè)層次的繪圖操作：一種是對(duì)圖形句柄進(jìn)行的低層繪圖操作，另一種是建立在低層繪圖操作之上的高層繪圖操作。利用MATLAB的高層繪圖操作可以輕而易舉地繪制各種圖形。利用MATLAB圖形句柄操作，可以隨心所欲地對(duì)圖形元素進(jìn)行各種操作，為用戶在圖形表現(xiàn)方面開拓了一個(gè)廣闊、沒有絲毫束縛的空間。3.MATLAB語言體系MATLAB是一種高級(jí)的科學(xué)計(jì)算語言。它具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特征。使用MATLAB可以很容易地實(shí)現(xiàn)BASIC、FORTRAN、C等傳統(tǒng)語言的幾乎全部功能，包括Windows圖形用戶界面的設(shè)計(jì)，而且簡(jiǎn)單易學(xué)，編程效率高。因此，對(duì)于從事數(shù)值計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域的人員來說，用MATLAB編程的確是一種最佳選擇。不過，MATLAB是解釋性語言，程序執(zhí)行速度較慢，而且不能脫離MATLAB環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。4.MATLAB工具箱MATLAB包含兩部分內(nèi)容：基本部分和各種可選的工具箱。基本部分構(gòu)成了MATLAB的核心內(nèi)容，也是使用和構(gòu)造工具箱的基礎(chǔ)。MATLAB工具箱分為兩大類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、可視建模仿真功能及文字處理功能。學(xué)科性工具箱專業(yè)性比較強(qiáng)，如控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）、信號(hào)處理工具箱（SignalProcessingToolbox）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（NeuralNetworkToolbox）、最優(yōu)化工具箱（OptimizationToolbox）、金融工具箱（FinancialToolbox）、統(tǒng)計(jì)學(xué)工具箱（StatisticsToolbox），等等，這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，用戶可以直接利用這些工具箱進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。MATLAB具有很強(qiáng)的開放性。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB基本文件和各工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對(duì)源文件的修改或加入自己編寫的文件去構(gòu)建新的專用工具箱。Simulink仿真環(huán)境Simulink是MATLAB環(huán)境下對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。顧名思義，Simulink的名字表明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：Simu（仿真）和Link（連接）。即用戶可以調(diào)用現(xiàn)成的圖形模型，并將它們適當(dāng)?shù)剡B接起來以構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并可以隨時(shí)觀察仿真結(jié)果和干預(yù)仿真過程。Simulink的模塊庫為用戶提供了多種多樣的功能模塊。同時(shí)，它也支持具有多種采用速率的系統(tǒng)。Simulink是面向框圖的仿真軟件，具有以下功能：（1）用繪制方框圖代替編寫程序，結(jié)構(gòu)和流程清晰。（2）智能化地建立和運(yùn)行仿真，仿真精細(xì)、貼近實(shí)際。自動(dòng)建立各環(huán)節(jié)的方程，自動(dòng)地在給定精度要求下以最快速度進(jìn)行系統(tǒng)仿真。（3）適應(yīng)面廣。包括線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。確定系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)n為交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：可知，。又因?yàn)?，則。由此，可以得到模型框圖如下：交流電機(jī)水泵與交流電機(jī)水泵與閥V1上水箱圖3-4開環(huán)系統(tǒng)模型框圖圖3-4開環(huán)系統(tǒng)模型框圖在實(shí)驗(yàn)中，輸入階躍信號(hào)前，變頻器的輸出頻率為21.1Hz；輸入階躍信號(hào)后，輸出頻率為23.3Hz。所以，則另外，可以在MATLAB軟件中搭建圖3-4的Simulink框圖，不斷對(duì)參數(shù)、、進(jìn)行試值，直到輸出響應(yīng)曲線基本符合實(shí)驗(yàn)情況。圖3-5系統(tǒng)部件模型結(jié)構(gòu)框圖圖3-5系統(tǒng)部件模型結(jié)構(gòu)框圖圖3-5為Simulink框圖，圖中step模塊為輸入階躍信號(hào)，代表圖3-4中的頻率輸入；transportDelay模塊代表圖3-4中的滯后環(huán)節(jié)。當(dāng)階躍信號(hào)值為26，=0.4、=0.1、=5時(shí)，流量響應(yīng)曲線如圖3-6所示。圖3-6系統(tǒng)部件模型的仿真流量響應(yīng)曲線圖3-6系統(tǒng)部件模型的仿真流量響應(yīng)曲線曲線基本符合實(shí)驗(yàn)情況。所以，可以得到交流電機(jī)與水泵的數(shù)學(xué)模型：（3-12）由式（3-11）與式（3-12）可以得出，包含單容水箱、交流電機(jī)、水泵三部分的過程的數(shù)學(xué)模型為：（3-13）圖3-7開環(huán)系統(tǒng)過程模型框圖該過程的意義在于，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，知道變頻器的輸出頻率后，由該過程的數(shù)學(xué)模型便可以得到系統(tǒng)的液位響應(yīng)曲線。如圖3-7所示。圖3-7開環(huán)系統(tǒng)過程模型框圖 4液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字PID控制算法及其具體應(yīng)用。4.1PID控制原理一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。積分積分比例微分被控對(duì)象+++u(t)e(t)r(t)+-c(t)圖4-1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差(4-1)將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為(4-2)寫成傳遞函數(shù)形式為(4-3)式中——比例系數(shù)；——積分時(shí)間常數(shù)；——微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分環(huán)節(jié)能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。4.2數(shù)字PID控制算法由于控制系統(tǒng)研究的就是用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，這樣就不再用模擬PID控制器了，而是采用數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（4-2）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式（4-2），現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：（4-4）式中T——采樣周期。顯然，上述離散化過程中，采用周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書寫方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e(k)等，即省去將式（4-4）代入式（4-2），可得離散的PID表達(dá)式為（4-5）或（4-6）式中k——采樣序號(hào)，；u(k)——第

k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)——第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；e(k-1)——第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；——積分系數(shù)，；——微分系數(shù)，；由z變換的性質(zhì)式（4-6）的z變換式為（4-7）由式（4-7）便可得到數(shù)字PID控制器的z傳遞函數(shù)為（4-8）或者（4-9）數(shù)字PID控制器示于圖4-2。U(z)U(z)u(k)+++E(z)e(k)圖4-2數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖由于計(jì)算機(jī)輸出的u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門），u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門開度）是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱式（4-5）或式（4-6）為位置式PID控制算法。圖4-3給出了位置式PID控制系統(tǒng)示意圖。PID位置算法D/A執(zhí)行PID位置算法D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象A/Dr(k)+—c(k)u(k)u(t)e(k)c(t)圖4-3位置式PID控制系統(tǒng)增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，可由式（4-6）導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得（4-10.）用式（4-6）減式（4-10），可得（4-11）式中PID增量算法D/A執(zhí)行PID增量算法D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象A/Dr(k)+—c(k)Δu(k)e(k)c(t)u(t)Δu(t)步進(jìn)電機(jī)圖4-4增量式PID控制系統(tǒng)框圖可以將式（4-11）進(jìn)一步改寫為（4-12）式中它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)?？梢钥闯?，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了、、，只要使用前后3次測(cè)量值的偏差，即可由式（4-11）或式（4-12）求出控制增量。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量Δu(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（例如閥門開度）的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，即控制量增量的積累需采用一定的方法來解決，例如用有積累作用的元件來實(shí)現(xiàn)；目前較多的是利用算式通過執(zhí)行軟件來完成。由圖4-3、圖4-4可以看出，就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置式與增量式控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計(jì)算機(jī)承擔(dān)其計(jì)算，或者一部分由其它部件去完成。增量式控制雖然只是算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。（2）手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。開始開始計(jì)算控制參數(shù)A、B、C設(shè)初值本次采樣輸入計(jì)算偏差值計(jì)算控制量輸出為下一時(shí)刻作準(zhǔn)備采樣時(shí)刻到了嗎？D/AA/D被控對(duì)象（包括步進(jìn)電機(jī)）圖4-5增量式PID控制算法程序框圖YN（3）算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。圖4-5給出了增量式PID控制算法的程序框圖。4.3單容水箱液位的增量式PID控制系統(tǒng)仿真由于本系統(tǒng)的執(zhí)行器包括：變頻器、交流電機(jī)、水泵等，且控制精度要求不高。根據(jù)上一節(jié)的算法比較，我們認(rèn)為，采用增量式PID算法更為合理。給定高度變頻器PID增量算法交流電機(jī)與泵給定高度變頻器PID增量算法交流電機(jī)與泵上水箱液位高度—圖4-6增量式PID液位控制系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)程序D/AA/D如圖4-6所示，在用PID增量式算法控制液位時(shí)，我們可以用計(jì)算機(jī)編程的方法，基于給定液位高度與反饋過來的實(shí)際液位高度的差值編寫算法，而算法輸出值就作為變頻器輸入信號(hào)，以控制變頻器輸出的交流電頻率。算法程序是用MATLAB語言編寫的，具體見附錄中的程序1。該程序是系統(tǒng)提供的算法程序。在該系統(tǒng)中，與基本成線性關(guān)系，比例系數(shù)須依照實(shí)際情況取定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)取平均值可以算得：。結(jié)合式（3-13），我們可以得到包含變頻器、交流電機(jī)、水泵、上水箱的過程的數(shù)學(xué)模型：（4-13）其實(shí)，在實(shí)際系統(tǒng)中是會(huì)隨著值的變化而發(fā)生變化的，例如，當(dāng)=207時(shí)，達(dá)到最大值50Hz，這時(shí)=0.2415。所以，在MATLAB的系統(tǒng)仿真中，的最大值應(yīng)取為=50/0.2935，這樣才能保證理論中的頻率最大輸出值為50Hz，與實(shí)際系統(tǒng)相吻合。根據(jù)式（4-13），我們可以在MATLAB軟件中編寫單容水箱液位控制系統(tǒng)的仿真程序（見附錄中的程序2）?？刂茀?shù)值可以直接按程序1的控制參數(shù)來給定。這樣就可以看出仿真曲線和實(shí)際響應(yīng)曲線的差別有多大，同時(shí)也能驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型的精度。圖4-7仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-7仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖4-7所示，為系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，但最終能夠達(dá)到穩(wěn)定。為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)的特性，可以在系統(tǒng)穩(wěn)定后給加入一定的負(fù)擾動(dòng)，比如在第1800s處加入一個(gè)幅值為20的脈沖信號(hào)。為了能明顯的看出反應(yīng)現(xiàn)象，特此增加系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間至3000s，（具體見程序2）。圖4-8加入擾動(dòng)的仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-8加入擾動(dòng)的仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線從圖4-8中可知，雖然加了擾動(dòng)，但系統(tǒng)本身還是能回到穩(wěn)定的狀態(tài)，這就說明了它的抗擾動(dòng)性能很好，是一個(gè)自衡系統(tǒng)。曲線的比較與分析圖4-9實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-9實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)曲線綜合考慮理論仿真和實(shí)際測(cè)量的響應(yīng)曲線（圖4-7和圖4-9），比較兩條曲線的時(shí)域性能指標(biāo)，如下表所示：表4-1性能指標(biāo)比較上升時(shí)間tr(s)調(diào)節(jié)時(shí)間(s)超調(diào)量%穩(wěn)態(tài)誤差仿真系統(tǒng)13795934.6%0.01實(shí)際系統(tǒng)197128827.9%0.2現(xiàn)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析比較：1、上升時(shí)間tr，它表示響應(yīng)曲線從零上升，首次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。這個(gè)指標(biāo)表示的是系統(tǒng)的響應(yīng)速度，數(shù)值越小，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性就越好。2、調(diào)節(jié)時(shí)間響應(yīng)曲線到達(dá)并保持在其穩(wěn)態(tài)值允許誤差范圍（誤差帶）內(nèi)所需的最短時(shí)間，這一誤差范圍通常定為這個(gè)指標(biāo)是反映系統(tǒng)的響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合指標(biāo)。由表4-1可知，實(shí)際系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都比理論仿真所得值要長(zhǎng)很多。說明實(shí)際系統(tǒng)中的反應(yīng)遠(yuǎn)不如理論那么快。產(chǎn)生這種差異的原因是系統(tǒng)本身的物理特性。由于實(shí)際系統(tǒng)中的所有部件（實(shí)物）之間相互傳遞信號(hào)時(shí)會(huì)有能量的散失，使系統(tǒng)的總能量低于理論值；同時(shí)，它們?cè)诮邮招盘?hào)并作出反應(yīng)時(shí)又都會(huì)有慣性及反應(yīng)時(shí)間。這樣，就會(huì)使響應(yīng)速度變慢，調(diào)節(jié)過程變長(zhǎng)。3、超調(diào)量%，它表示響應(yīng)曲線的最大值與其穩(wěn)態(tài)值之差的百分比，即這個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)的是系統(tǒng)的阻尼程度（平穩(wěn)度），數(shù)值越小，表示系統(tǒng)越平穩(wěn)。從表4-1可以看出，實(shí)際的超調(diào)量比理論上的數(shù)值要小，說明實(shí)際系統(tǒng)所達(dá)到的最大值小，和理論值相比有一定能量流失。4、穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的期望值與實(shí)際值之差。它表征系統(tǒng)響應(yīng)趨于穩(wěn)定后輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度，是度量系統(tǒng)控制精度或抗擾動(dòng)能力的一種穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，越小，則表示系統(tǒng)控制精度越高。實(shí)際測(cè)量的大于理論仿真值。這是因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)存在許多干擾因素：①系統(tǒng)本身存在的誤差②系統(tǒng)特性變化引起的波動(dòng)③環(huán)境、溫度、人員等引起的附加擾動(dòng)?？傮w來說，指標(biāo)的差異是因?yàn)橄到y(tǒng)仿真模型是通過對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算得出的，并不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)，PID參數(shù)整定從表4-1中可以看出，系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，超調(diào)量比較大，上升時(shí)間也有縮短的余地。其主要原因就是程序1不夠完善以及其算法中的PID控制參數(shù)選擇不太適當(dāng)。所以，我們可以嘗試改進(jìn)程序，并通過理論仿真，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行整定。TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的變頻器的頻率范圍是050Hz，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其所對(duì)應(yīng)的PID算法中的輸出值為7。因而分析程序1我們可以知道，如果很大，則值的絕對(duì)值會(huì)很快達(dá)到207，并且變化很大，那么它將在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持大于207或保持小于0。這樣，不論液位是否已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，都將導(dǎo)致變頻器的輸出頻率要么急劇上升，并長(zhǎng)時(shí)間為50Hz，即電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速抽水，使系統(tǒng)液位產(chǎn)生極大的超調(diào)；要么急劇下降，并長(zhǎng)時(shí)間保持為0，使液位快速下降。這樣液位系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振幅極大的振蕩而無法穩(wěn)定。程序1沒有對(duì)值進(jìn)行限幅，這是因?yàn)槠渌惴ㄖ械闹岛苄?，值不?huì)變的太大。但我們無法保證整定后的會(huì)很小，所以應(yīng)該提前對(duì)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)南薹怪粫?huì)太大也不會(huì)太?。ㄒ姼戒浿械某绦?）。整定方法有很多，如：經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法，臨界比例度法和響應(yīng)曲線法等。在這里，我們采用臨界比例度法。臨界比例度法是目前工程上應(yīng)用較廣泛的一種調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。在閉合的控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下（即），從小到大改變調(diào)節(jié)器的增益值，得到等幅振蕩的過渡過程。此時(shí)的增益稱為臨界增益，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔，稱為臨界振蕩周期。然后，根據(jù)如下的Ziegler—Nichols經(jīng)驗(yàn)公式確定調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)：（4-14）所以，我們可以先令程序3中，從小到大改變。當(dāng)=254時(shí)，得到的曲線經(jīng)局部放大后如圖4-10，為等幅振蕩曲線。且此時(shí)，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔T=8（s）。則=254，=8。由式（4-14）可得，=152，，。即：=152，，。圖4-10等幅振蕩曲線圖4-10等幅振蕩曲線將整定所得參數(shù)值代入程序3進(jìn)行仿真，便可以得到整定后的系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線，如圖4-11所示。比較圖4-11與圖4-7，我們可以看出，整定后的仿真曲線的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間都要小的多，上升時(shí)間大約快了15秒。同樣，可以在第1800s處一個(gè)幅值為20的脈沖擾動(dòng)（見程序3），得到的曲線和圖4-11沒有什么區(qū)別，經(jīng)過局部放大后如圖4-12所示。由圖可以看出，整定后的仿真系統(tǒng)的抗干擾性能極好，這是因?yàn)檎ㄋ弥岛艽?，使系統(tǒng)能在極短的時(shí)間內(nèi)扭轉(zhuǎn)由于擾動(dòng)而引起的誤差的變化趨勢(shì)。圖4-11整定后的仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-11整定后的仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-12加入擾動(dòng)后的仿真響應(yīng)曲線局部放大圖圖4-12加入擾動(dòng)后的仿真響應(yīng)曲線局部放大圖總體來說，整定后的仿真曲線是很好的。所以，可以把整定所得參數(shù)賦予實(shí)際系統(tǒng)，看看系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)曲線特性如何。系統(tǒng)運(yùn)行程序見附錄中的程序4。在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行程序4，并根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)便可以描述出系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)曲線，如圖4-13所示。比較圖4-13和圖4-11可以看出，實(shí)際響應(yīng)曲線也和仿真曲線一樣，超調(diào)量很小，上升時(shí)間快。但同時(shí)，仿真曲線幾乎沒有振蕩，實(shí)際響應(yīng)曲線卻有一定的振蕩。這是什么原因呢。圖4-13整定后的實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖4-13整定后的實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)曲線由小節(jié)的指標(biāo)分析可以知道，實(shí)際系統(tǒng)和理論仿真是存在一定誤差的，因此通過仿真整定的控制參數(shù)值就不是實(shí)際系統(tǒng)的理想?yún)?shù)值了，而同時(shí)整定所得值又比較大，在實(shí)際系統(tǒng)中會(huì)將誤差放大許多，最終反映在系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)中的就是算法輸出值的振蕩，且變化急劇，幅值很大。從而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出液位高度的振蕩。通過進(jìn)一步放大圖4-13可以得知，實(shí)際響應(yīng)曲線的振蕩誤差在以內(nèi)。比較圖4-9和圖4-13可得，雖然整定后的實(shí)際響應(yīng)曲線超調(diào)量小的多，上升時(shí)間也短。但它卻有較強(qiáng)的振蕩，且由于算法輸出值一直有較大的振蕩，造成變頻器的輸出頻率、交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速的不斷振蕩，且振蕩幅值很大。這樣不但容易損害這些系統(tǒng)部件，并且很可能使系統(tǒng)崩潰、產(chǎn)生事故。所以，可考慮根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)際情況編出規(guī)則，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修正的方法。這里選擇專家PID控制。5結(jié)論 論文的研究對(duì)象是基于TKGK-1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的單容水箱液位控制系統(tǒng)；主要研究?jī)?nèi)容包括水箱建模，系統(tǒng)建模，系統(tǒng)仿真，控制算法的設(shè)計(jì)、比較及其在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。所研究的系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，它以單容水箱（上水箱）為控制對(duì)象，變頻器、交流電機(jī)、水泵為執(zhí)行器，差壓傳感器為液位檢測(cè)裝置。同時(shí)，系統(tǒng)控制方式是計(jì)算機(jī)控制，即采用程序控制的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。首先，根據(jù)液位控制系統(tǒng)的過程機(jī)理，通過物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型，并又在實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置上測(cè)得開環(huán)液位控制的響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)，確定了模型參數(shù)。然后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的具體情況，大致確定變頻器、交流電機(jī)、水泵的模型。由此構(gòu)建了大概的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)為一個(gè)非線性、有微弱滯后的大慣性環(huán)節(jié)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置中，系統(tǒng)自帶了一個(gè)自定義的增量式PID算法。用此算法進(jìn)行實(shí)際控制，得到了一組閉環(huán)液位控制響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)。在MATLAB軟件中，將該自定義PID算法和系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)編寫成程序，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。比較了實(shí)際曲線和仿真曲線的差別，并分析了產(chǎn)生差別的原因：仿真系統(tǒng)不能準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)物理模型。由于原有的自定義PID算法的實(shí)際響應(yīng)曲線不夠理想，故對(duì)其算法進(jìn)行了改進(jìn)，并用臨界比例度法整定了PID參數(shù)。將改進(jìn)的算法應(yīng)用于仿真系統(tǒng)中得到的仿真曲線性能很好，但應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中得到的實(shí)際響應(yīng)曲線卻有較強(qiáng)的振蕩。這是因?yàn)?，仿真系統(tǒng)模型和實(shí)際系統(tǒng)物理模型存在偏差，而整定后的值又很大，這使得偏差在實(shí)際系統(tǒng)中被放大許多，從而導(dǎo)致振蕩。所以，考慮到實(shí)際系統(tǒng)特性的復(fù)雜、多變，故針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)專家控制器。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)確定了一些專家知識(shí)規(guī)則。并將其編寫成了MATLAB程序格式，嵌入到仿真系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)中，得到了仿真曲線和實(shí)際響應(yīng)曲線。專家知識(shí)規(guī)則的主要特點(diǎn)就是按區(qū)段進(jìn)行不同算法的調(diào)節(jié)。概括而言，即：液位上升時(shí)，保持最大輸出；液位偏離穩(wěn)態(tài)值時(shí)，使之盡快回到穩(wěn)態(tài)值。這樣就可以減小上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間（上升速度、響應(yīng)速度加快）和超調(diào)量，改善響應(yīng)曲線性能。最后，文中比較了兩種控制方法的控制效果。分析結(jié)果表明，專家PID控制的控制性能比普通增量式PID控制要好的多，上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量這三項(xiàng)性能指標(biāo)都有明顯的改善。6參考文獻(xiàn)[1]朱學(xué)峰.過程控制技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀與展望.測(cè)控技術(shù)，1999，18（7）：1-3[2]TKGK-1型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.浙江天煌科技實(shí)業(yè)，2003[3]章紹東.通用變頻器的原理與設(shè)計(jì).電子質(zhì)量，2003，（12）：14-16[4]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用（第2版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，1-10[5]劉衛(wèi)國，陳昭平，張穎.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2002，4-5[6]陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998，1-8[7]王春鳴，陳剛，張素貞.專家PID控制器.石油化工自動(dòng)化，2002，（5）：25-27[8]陳文偉.智能決策技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，1998，60-113[9]W.Grega，A.Maciejczyk.DigitalControlofaTankSystem.IEEETransactionsonEducation，1994，37（3）：271-276[10]喻其炳.工程中液位控制的三種常見方式.渝州大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（4）：91-937體會(huì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告二級(jí)學(xué)院：課程名稱：電氣控制技術(shù)設(shè)計(jì)題目：三面銑組合機(jī)床機(jī)課程設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：設(shè)計(jì)班級(jí)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：

XXX學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書姓名學(xué)號(hào)專業(yè)與班級(jí)課程名稱課程代碼設(shè)計(jì)題目三面銑組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)時(shí)間2021年12月2日至2021年12月7日課程設(shè)計(jì)目的1．進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)，培養(yǎng)所學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用能力。2．掌握一般生產(chǎn)機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。3．掌握一般生產(chǎn)機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試方法。4．培養(yǎng)查閱圖書資料、工具書的能力。5．培養(yǎng)工程繪圖、書寫技術(shù)報(bào)告的能力設(shè)計(jì)任務(wù)、內(nèi)容與要求（1）根據(jù)要求，畫出工作循環(huán)圖、工作流程圖；（2）確定可編程控制器機(jī)型，畫出輸入/輸出分配表；（3）繪制控制線路（主電路、控制電路、照明電路）；（4）制PLC梯形圖（總體結(jié)構(gòu)圖、各功能表圖、梯形圖程序）；（5）正確選擇電器元件，列出電器元件、設(shè)備清單；（6）繪制操作面板、電氣接線圖；設(shè)計(jì)環(huán)境或器材、原理與說明機(jī)床的加工流程：結(jié)合機(jī)床的加工流程，我采用了西門子S7-200PLC控制三面銑組合機(jī)床。我對(duì)機(jī)床的控制目標(biāo)是：有單循環(huán)自動(dòng)工作，單銑頭自動(dòng)循環(huán)工作，點(diǎn)動(dòng)工作。單動(dòng)力頭自動(dòng)循環(huán)工作包括：左銑頭單循環(huán)工作、右1銑頭單循環(huán)工作、右2銑頭單循環(huán)工作、立頭單循環(huán)工作。點(diǎn)動(dòng)工作：四臺(tái)主軸電機(jī)均能點(diǎn)動(dòng)對(duì)刀、滑臺(tái)快速（快進(jìn)、快退）點(diǎn)動(dòng)調(diào)整、松緊油缸的調(diào)整（手動(dòng)松開與手動(dòng)夾緊）。五臺(tái)電機(jī)均為單向旋轉(zhuǎn)。電源、油泵工作、工件夾緊、加工等信號(hào)指示。有照明電路和必要的連鎖環(huán)節(jié)與保護(hù)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)過程（步驟）或程序代碼：元件清單硬件名稱型號(hào)參數(shù)個(gè)數(shù)左、右2銑削頭電動(dòng)機(jī)JO2-41-44.0kw1440轉(zhuǎn)/分380V8.4A2右1，立銑削頭電動(dòng)機(jī)JO2-32-43.0kw1430轉(zhuǎn)/分380V6.5A2液壓泵電動(dòng)機(jī)JO2-22-41.5kw1410轉(zhuǎn)/分380V3.49A1液壓滑臺(tái)YT4523電磁閥Z22DO-25Z24DW-25DC24V0.6A14.4W5壓力繼電器HLP830380V2行程開關(guān)3SE2230-1U380V2帶指示燈的按鈕B16-B11-811B16-B21-811紅綠藍(lán)24V圓形13PLCS7-20040點(diǎn)主機(jī)，DC24Ｖ，24點(diǎn)入，16點(diǎn)繼電器輸出1行程閥YBLX-7380V1熔斷器RT14380V63A15接觸器cjx1380V,9A-475A5熱繼電器JR36-2020A690V5主令開關(guān)LS2-3DC220V以下1變壓器380V-24V-220V1整流器1燈16W5電氣接線圖I/O分配表梯形圖單循環(huán)自動(dòng)工作梯形圖點(diǎn)動(dòng)工作梯形圖主電路及照明電路控制電路圖控制面板圖設(shè)計(jì)結(jié)果與分析結(jié)果在模擬仿真的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)有些功能實(shí)現(xiàn)不了，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)失控的現(xiàn)象。分析程序出現(xiàn)錯(cuò)誤。仿真軟件有缺陷。仿真與實(shí)際情況會(huì)有一些差別。設(shè)計(jì)體會(huì)與建議：第一次體驗(yàn)到完成一個(gè)設(shè)計(jì)的艱辛，要兼顧很多東西，在這過程中我學(xué)到了很多，對(duì)一些電氣元件的了解變得更加的深入，使我對(duì)PLC的控制技術(shù)有了更深的理解，我覺得這樣是不夠的，認(rèn)為在這過程中，軟件的調(diào)試出現(xiàn)