水箱液位控制系統(tǒng)(二)正文部分畢業(yè)設(shè)計(jì)初中教育

1/1水箱液位控制系統(tǒng)(二)正文部分--畢業(yè)設(shè)計(jì)-初中教育

前言

自古以來(lái)，水就在人們的日常生活中扮演了重要的角色。水是生命的源泉、農(nóng)業(yè)的命脈、工業(yè)的血液！一旦斷了水，輕則給人民生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)峻的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能供應(yīng)足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采納水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。因此，如何建立一個(gè)牢靠平安、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們討論的課題。

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)需要對(duì)容器中的液位（水位）進(jìn)行自動(dòng)掌握。比如自動(dòng)掌握水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水掌握、自動(dòng)電熱水器、電開(kāi)水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水掌握等。雖然各種水位掌握的技術(shù)要求不同，精度不同。但其原理都大同小異。特殊是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、牢靠是掌握系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位掌握系統(tǒng)就顯得日益重要。

水箱液位掌握系統(tǒng)是進(jìn)行掌握理論與掌握工程教學(xué)、試驗(yàn)和討論的平臺(tái)，可以便利地構(gòu)成一階系統(tǒng)對(duì)象（雙容水箱）和兩階系統(tǒng)對(duì)象（三容水箱）。用戶(hù)可通過(guò)經(jīng)典的PID掌握器設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能掌握教學(xué)試驗(yàn)與討論。各種掌握器的掌握效果通過(guò)水位的變化直觀地反映出來(lái)，同時(shí)通過(guò)液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，便利地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，精確?????評(píng)估掌握性能。開(kāi)放的掌握器平臺(tái)，便于用戶(hù)進(jìn)行自己的掌握器設(shè)計(jì)，滿(mǎn)意創(chuàng)新討論的需要。這種系統(tǒng)不僅適用于工業(yè)用水的掌握，也適用于日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的液位掌握。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1自動(dòng)掌握系統(tǒng)的組成

（1）自動(dòng)掌握系統(tǒng)是由被控對(duì)象和掌握裝置組成的一個(gè)有機(jī)總體。被控對(duì)象的輸出

量即被控量是要求嚴(yán)格加以掌握的物理量；而掌握裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加掌握作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采納不同原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行掌握，但最基本的一種是基于反饋掌握原理組成的反饋掌握系統(tǒng)。在反饋掌握系統(tǒng)中，掌握裝置對(duì)被控對(duì)象施加的掌握作用，是取自被控量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量與輸入量之間的偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行掌握的任務(wù)。

（2）被控參數(shù)是所需掌握和調(diào)整的物理量或狀態(tài)參數(shù)化，即掌握對(duì)象的輸出信號(hào)，如房間溫度、水箱水位。

(3)被控參數(shù)的預(yù)定值（或抱負(fù)值）稱(chēng)為給定值（設(shè)定值）。給定值與被控參數(shù)的

測(cè)量值之差稱(chēng)為偏差。

（4）取出輸出量送回到輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為反饋。（5）擾動(dòng)是指除給定輸入之外，對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)的總稱(chēng)。

(6)傳感器是指把被控參數(shù)成比例地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌锢砹啃盘?hào)（如電阻、電勢(shì)、電流、

氣壓、位移）的元件或儀表，如熱電阻、熱電偶等，假如傳感器所發(fā)出的信號(hào)與后面掌握所要求的信號(hào)不全都時(shí)，則需要增加一個(gè)變送器，將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成后面所要求的信號(hào)。

(7)掌握器是指將傳感器送來(lái)的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果的偏差大小，

根據(jù)預(yù)定的掌握規(guī)律輸出掌握信號(hào)的原件或儀表。

（8）執(zhí)行器是動(dòng)力部件，它依據(jù)掌握器送來(lái)的掌握信號(hào)大小轉(zhuǎn)變調(diào)整閥的開(kāi)度，對(duì)掌握對(duì)象施加掌握作用，使被控參數(shù)保持在給定值。

1.2自動(dòng)掌握系統(tǒng)的分類(lèi)

1.2.1按輸入量變化的規(guī)律分類(lèi)

恒值掌握系統(tǒng)——系統(tǒng)的輸入量是恒量，并且要求系統(tǒng)的輸出量相應(yīng)地保持恒定。

恒值掌握系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是討論各種擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響以及抗擾動(dòng)的措施。在恒值掌握系統(tǒng)中，輸入量可以隨生產(chǎn)條件的變化而轉(zhuǎn)變，但是，一經(jīng)調(diào)整后，被控量就應(yīng)與調(diào)整好的輸入量保持全都。

隨動(dòng)系統(tǒng)——輸入量是變化著，并且要求系統(tǒng)的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應(yīng)的變化。

隨動(dòng)掌握系統(tǒng)的輸入量是預(yù)先未知的隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，要求被控量已盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化。在此類(lèi)掌握系統(tǒng)中，擾動(dòng)的影響是次要的，系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是討論被控量的快速性和精確?????性。

程序掌握系統(tǒng)——輸入量是按預(yù)定規(guī)律隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求被控量快速、精確?????的加以復(fù)現(xiàn)。

程序掌握系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入量都是時(shí)間函數(shù)，不同之處在于前者是已知的時(shí)間函數(shù)，后者則是未知的任意時(shí)間函數(shù)，而恒值掌握系統(tǒng)也可視為程序掌握系統(tǒng)的特例。

1.2.2按系統(tǒng)傳輸信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系分類(lèi)

連續(xù)掌握系統(tǒng)——各元件的輸入量與輸出量都是連續(xù)量或模擬量。通常用微分方程

來(lái)描述。

離散掌握系統(tǒng)——系統(tǒng)中有的信號(hào)是脈沖序列或采樣數(shù)據(jù)量或數(shù)字量。通常用差分方程來(lái)描述。隨著計(jì)算機(jī)被引入掌握系統(tǒng)，使掌握系統(tǒng)中有一部分不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，而是一組離散的脈沖序列和數(shù)字序列。

1.2.3按系統(tǒng)的輸出量和輸入量間的關(guān)系分類(lèi)

線性系統(tǒng)——系統(tǒng)全部由線性元件組成，它的輸出量與輸入量間的關(guān)系用線性微分方程來(lái)描述。重要特性：可應(yīng)用疊加原理。線性系統(tǒng)是一數(shù)學(xué)模型，是指用線性運(yùn)算子組成的系統(tǒng)。相較于非線性系統(tǒng)，線性系統(tǒng)的特性比較簡(jiǎn)潔。線性系統(tǒng)需滿(mǎn)意線性的特性，若線性系統(tǒng)還滿(mǎn)意非時(shí)變性（即系統(tǒng)的輸入信號(hào)若延遲τ秒，那么得到的輸出除了這τ秒延時(shí)以外是完全相同的），則稱(chēng)為線性時(shí)不變系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)——系統(tǒng)中只要有一個(gè)元部件的輸入-輸出特性是非線性的，這類(lèi)系統(tǒng)就成為非線性掌握系統(tǒng)，這時(shí)要用非線性微分（或差分）方程描述其特性。非線性方程的特點(diǎn)是系統(tǒng)與變量有關(guān)，或者方程中含有變量及其導(dǎo)數(shù)的高次冪或乘積項(xiàng)。

1.2.4按系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間的變化狀況分類(lèi)

定常系統(tǒng)——系統(tǒng)的全部參數(shù)不隨時(shí)間變化，它用定常微分方程來(lái)描述。假定某個(gè)系統(tǒng)的輸入為x(t),相應(yīng)的輸出為y(t)。當(dāng)輸入經(jīng)過(guò)t’的延時(shí)后，即輸入為x(t+t’)

水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

時(shí)，若輸出也相應(yīng)地延時(shí)t’，即輸出y(t+t’)，那么這個(gè)系統(tǒng)即為定常系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出與延時(shí)無(wú)關(guān)。

嚴(yán)格地說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)物理系統(tǒng)是定常的，例如系統(tǒng)的特性或參數(shù)會(huì)由于元件的老化或其他緣由而隨時(shí)間變化，引起模型中方程的系數(shù)發(fā)生變化。然而假如在所考察的時(shí)間間隔內(nèi)，其參數(shù)的變化相對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化要緩慢得多，則這個(gè)物理系統(tǒng)就可以看作是定常的。定常系統(tǒng)分為非線性定常系統(tǒng)和線性定常系統(tǒng)。

時(shí)變系統(tǒng)——系統(tǒng)中有的參數(shù)是時(shí)間T的函數(shù)，它隨時(shí)間變化而轉(zhuǎn)變。時(shí)變系統(tǒng)的特點(diǎn)是，其輸出響應(yīng)的波形不僅同輸入波形有關(guān)，而且也同輸入信號(hào)加入的時(shí)刻有關(guān)。這一特點(diǎn)增加了分析和討論的簡(jiǎn)單性。對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即使系統(tǒng)是線性的,也只能采納時(shí)間域的描述。描述的基本形式是變系數(shù)的微分方程或差分方程。時(shí)變系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析比定常系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多。

1.3過(guò)程掌握系統(tǒng)

以表征生產(chǎn)過(guò)程的參量為被掌握量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)掌握系統(tǒng)稱(chēng)為過(guò)程掌握系統(tǒng)。這里“過(guò)程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過(guò)程。表征過(guò)程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過(guò)對(duì)過(guò)程參量的掌握，可使生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗削減。

一般的過(guò)程掌握系統(tǒng)通常采納反饋掌握的形式，這是過(guò)程掌握的主要方式。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程掌握是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是掌握理論、生產(chǎn)工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等學(xué)問(wèn)相結(jié)合的一門(mén)綜合性應(yīng)用學(xué)科，理論性、綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。

1.3.1過(guò)程掌握系統(tǒng)的特點(diǎn)

過(guò)程掌握系統(tǒng)的特點(diǎn)是與其它自動(dòng)掌握系統(tǒng)相比較而言的，大致可歸納如下：1、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)掌握

過(guò)程掌握一般是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)掌握，其被控量需定量地掌握，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。若掌握動(dòng)作在時(shí)間上是離散的，但是其被控量需定量掌握，也歸納入過(guò)程掌握。2、過(guò)程掌握系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)、掌握儀表組成

過(guò)程掌握是通過(guò)各種檢測(cè)儀表、掌握儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)掌握。

3、被控過(guò)程是多種多樣的最佳掌握

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工程中，工業(yè)過(guò)程很簡(jiǎn)單。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品品種多樣，因此過(guò)程掌握中的被控過(guò)程市多種多樣的。

4、過(guò)程掌握的掌握過(guò)程多屬慢過(guò)程，而且多半為參量掌握

由于被控過(guò)程具有大慣性、大滯后等特性，因此打算了過(guò)程掌握的掌握過(guò)程多屬慢過(guò)程。

5、過(guò)程掌握方案非常豐富

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的快速進(jìn)展，工藝條件越來(lái)越簡(jiǎn)單，對(duì)過(guò)程掌握的要求也越來(lái)越高。過(guò)程掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以被控過(guò)程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過(guò)程的簡(jiǎn)單、多變，因此其特性多半數(shù)多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等等。為了滿(mǎn)意上述特點(diǎn)與工藝要求，過(guò)程掌握中的掌握方案是非常豐富的。通常有單變量掌握系統(tǒng)，也有多變量掌握系統(tǒng)；有儀表掌握系統(tǒng)，也有計(jì)算機(jī)集散掌握系統(tǒng)；有簡(jiǎn)單掌握系統(tǒng)，也有滿(mǎn)意特定要求的掌握系統(tǒng)。

1.4PID掌握系統(tǒng)的掌握原理

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)整器掌握規(guī)律為比例、積分、微分掌握，簡(jiǎn)稱(chēng)PID掌握，又稱(chēng)PID調(diào)整。PID掌握器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定性好、工作牢靠、調(diào)整便利而成為工業(yè)掌握的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全把握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，掌握理論的其它技術(shù)難以采納時(shí)，系統(tǒng)掌握器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必需依靠閱歷和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID掌握技術(shù)最為便利。即當(dāng)我們完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID掌握技術(shù)。PID掌握，實(shí)際中也有PI和PD掌握。PID掌握器就是依據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出掌握量進(jìn)行掌握的。

比例（P）掌握

比例掌握是一種最簡(jiǎn)潔的掌握方式。其掌握器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例掌握時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。

積分（I）掌握

在積分掌握中，掌握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)掌握系統(tǒng)，假如在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)掌握系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消退穩(wěn)態(tài)誤差，在掌握器中必需引入“積分項(xiàng)”。積

分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)掌握器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)掌握器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）掌握

在微分掌握中，掌握器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)掌握系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)整過(guò)程中可能會(huì)消失振蕩甚至失穩(wěn)。其緣由是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)當(dāng)是零。這就是說(shuō)，在掌握器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能猜測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的掌握器，就能夠提前使抑制誤差的掌握作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避開(kāi)了被控量的嚴(yán)峻超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)掌握器能改善系統(tǒng)在調(diào)整過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。

1.5水箱液位掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

水箱尺寸：長(zhǎng)寬高=25cm20cm40cm,液位掌握系統(tǒng)由被控水箱1、蓄水箱2,液位檢測(cè)儀表差壓變送器LT、調(diào)整器LC、調(diào)整閥Q1、Q2等組成。圖1-1即為水箱液位掌握系統(tǒng)原理圖

圖1-1液位掌握系統(tǒng)原理圖

2系統(tǒng)掌握要求及指標(biāo)

2.1水箱液位的掌握要求：

液位：L=0.3m穩(wěn)態(tài)誤差：ess≤5mm過(guò)濾時(shí)間：ts≤4分鐘衰減比：n＞4:1

在規(guī)定條件下激勵(lì)時(shí)，在繼電器的組成和形式相同的觸點(diǎn)中、動(dòng)作最快的觸點(diǎn)的最小動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作最慢的觸點(diǎn)的最大動(dòng)作時(shí)間之差叫過(guò)渡時(shí)間。

衰減比n是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它是指過(guò)度過(guò)程曲線第一個(gè)波峰值與同相位其次個(gè)波峰值之比。

2.2對(duì)自動(dòng)掌握掌握系統(tǒng)的基本要求：

自動(dòng)掌握理論是討論自動(dòng)掌握共同規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。盡管自動(dòng)掌握系統(tǒng)有不同的類(lèi)型，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)也都有不同的特別要求，但對(duì)于各類(lèi)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，我們感愛(ài)好的都是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)下，其被控量變化的全過(guò)程。但是，對(duì)每一類(lèi)系統(tǒng)被控量變化全過(guò)程提出的共同基本要求都是一樣的，且可以歸結(jié)為穩(wěn)定性、快速性和精確?????性，即穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求。

(1)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是對(duì)掌握系統(tǒng)最基本的要求。所謂系統(tǒng)穩(wěn)定，一般指當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，系統(tǒng)的被掌握量偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，但當(dāng)擾動(dòng)撤離后，經(jīng)過(guò)若干時(shí)間，系統(tǒng)若仍能返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

(2)精確?????性：實(shí)際狀況下，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外作用形式以及摩擦、間隙等非線性因素的影響，被控量的穩(wěn)態(tài)值與期望值之間會(huì)有誤差存在，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差。給定穩(wěn)態(tài)誤差和擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差越小，表示穩(wěn)態(tài)精度也越高。

(3)快速性：掌握系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定和并有較高的精度，而且還要求系統(tǒng)的響應(yīng)。具有肯定的快速性，對(duì)于某些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。有關(guān)系統(tǒng)響應(yīng)速度定量的性能指標(biāo)，一般可以用上升時(shí)間﹑調(diào)整時(shí)間和峰值時(shí)間來(lái)表示。

自動(dòng)掌握的基本要求是它的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指自動(dòng)掌握系統(tǒng)在外界干擾作用下，過(guò)度過(guò)程能否達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的性能，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度用衰減比n或衰減率來(lái)衡量。衰減比n是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它是指過(guò)度過(guò)程曲線第一個(gè)波峰值與同相位其次

個(gè)波峰值之比。

用衰減比n推斷掌握系統(tǒng)是否穩(wěn)定及克服干擾恢復(fù)平衡的快慢程度。n＜1時(shí)，系統(tǒng)為發(fā)散震蕩，不穩(wěn)定；n=1時(shí)，系統(tǒng)為等副震蕩，也不穩(wěn)定;n＞1時(shí)，系統(tǒng)為衰減震蕩，是穩(wěn)定過(guò)程。n太大，系統(tǒng)不靈敏，所以系統(tǒng)要工作在正常狀態(tài)下，一般取n=4～10。

2.3自動(dòng)掌握系統(tǒng)的基本掌握方式2.3.1開(kāi)環(huán)掌握方式

開(kāi)環(huán)掌握方式是指掌握裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有方向聯(lián)系的掌握過(guò)程，根據(jù)這種防止組成的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)的環(huán)掌握系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的掌握作用發(fā)生影響。開(kāi)環(huán)掌握系統(tǒng)可以按給定量掌握方式組成，也可以按擾動(dòng)掌握方式組成。如工業(yè)上使用的數(shù)字程序掌握機(jī)床。

圖2-1微型計(jì)算機(jī)掌握機(jī)床（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）

系統(tǒng)每一個(gè)輸入信號(hào)，必有一個(gè)固定的工作狀態(tài)和一個(gè)系統(tǒng)的輸出量與之相對(duì)應(yīng)，但是不具有修正由于擾動(dòng)而消失的被掌握量盼望值與實(shí)際值之間誤差的力量。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低廉，工作穩(wěn)定。但開(kāi)環(huán)掌握不能自動(dòng)修正被掌握量的誤差、系統(tǒng)元件參數(shù)的變化以及外來(lái)未知干擾都會(huì)影響系統(tǒng)精度的。

2.3.2反饋掌握方式

反饋掌握方式又稱(chēng)閉環(huán)掌握方式是按偏差進(jìn)行掌握得當(dāng)，其特點(diǎn)是不論什么緣由使被控量偏離期望值而消失偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的掌握作用去減小或消退這個(gè)偏差，使被控量與期望值趨于全都。可以說(shuō)，按反饋掌握方式組成的反饋掌握系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生影響的力量，有較高的掌握精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特殊是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也比較麻煩。盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的掌握方式，自動(dòng)掌握理論主要的討論對(duì)象就是用這種掌握方式組成的系統(tǒng)。

系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入端之間存在反饋回路的系統(tǒng)，叫閉環(huán)掌握系統(tǒng)。閉環(huán)掌握系統(tǒng)也叫反饋掌握系統(tǒng)?！伴]環(huán)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的含義，就是應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕?lái)減小系統(tǒng)誤差。

圖2-2微型計(jì)算機(jī)掌握機(jī)床（閉環(huán)系統(tǒng)）

在圖中，引入了反饋測(cè)量元件，閉環(huán)掌握系統(tǒng)由于有“反饋”作用的存在，具有自動(dòng)修正被掌握量消失偏差的力量，可以修正元件參數(shù)變化及外界擾動(dòng)引起的誤差，所以其掌握效果好，精度高。閉環(huán)掌握系統(tǒng)不足之處，除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較高外，一個(gè)主要的問(wèn)題是由于反饋的存在，掌握系統(tǒng)可能消失“振蕩”。

2.3.3復(fù)合掌握方式

復(fù)合掌握是閉環(huán)掌握和開(kāi)環(huán)掌握相結(jié)合的一種方式。它是在閉環(huán)掌握等基礎(chǔ)上增加一個(gè)干擾信號(hào)的補(bǔ)償掌握，以提高掌握系統(tǒng)的抗干擾力量。

增加干擾信號(hào)的補(bǔ)償掌握作用，可以在干擾對(duì)被控量產(chǎn)生不利影響所同時(shí)準(zhǔn)時(shí)供應(yīng)掌握作用以抵消此不利影響。純閉環(huán)掌握則要等待該不利影響反映到被控信號(hào)之后才引起掌握作用，對(duì)干擾的反應(yīng)較慢。兩者的結(jié)合既能得到高精度掌握，又能提高抗干擾力量。

3對(duì)象特征的求取

3.1理論分析計(jì)算法

液位高度L為輸出變量，入水流量Q1為輸入量。

由物料平衡原理

A:水箱截面積

Q1Q2A

dLdt

dL

增量式：（1）Q1Q2A

dt

Q2L（2）R

定義：R液阻

R流量變化液位變化

dLL

AQ1可求得：dtR

拉氏變換：AsL(s)+L(s)/R=Q1(S)

傳遞函數(shù)：(S)

LQ

(s)

RRS1

KTs1

K：放大倍數(shù)＝R時(shí)間常數(shù)：T＝RA

3.2試驗(yàn)測(cè)定法

初始穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：

DTL=3.5mAQ2=0.65kg/mmL1=15.7cm

輸入階躍變化則DTL=5mA階躍響應(yīng)曲線如下圖3-1所示：

圖3-1階躍響應(yīng)曲線

測(cè)得數(shù)據(jù)如下：

L2=25cmQ2=0.91kg/minQ2max=1.5kg/minL=30cmQ=1.1kg/min可求得：

L2515.7

R

0.362cmmin/kgK

Q20.910.65

T=AR=0.20.250.362=18分鐘對(duì)象特性傳遞函數(shù)為：

0.362L(S)

G

(s)

Q1

18s1

為一階慣性環(huán)節(jié)

(s)

4傳遞函數(shù)的求取

4.1傳遞函數(shù)的概念與定義

所謂傳遞函數(shù)即線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換式與輸入量的拉氏變換式之比。

設(shè)線性定常系統(tǒng)的微分方程一般式為

an

ddt

nn

c(t)an1

mm

ddt

n1n1

c(t)a1

ddt

c(t)a0c(t)

bm

ddt

r(t)bm1

ddt

m1m1

r(t)b1

ddt

r(t)b0r(t)（1）

式中c(t)為系統(tǒng)輸出量，r(t)為系統(tǒng)輸入量，a0，a1，，an及b0，b1，，bm均為由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)打算的實(shí)常數(shù)。

設(shè)初始條件為零，對(duì)式（1）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(ansan1s

nn1

a1sa0)C(s)(bmsbm1s

C(s)R(s)

bmsbm1sansan1s

m1

nm

m1n1

mm1

b1sb0)R(s)

則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

G(s)

m

b1sb0a1sa0

（2）

令M(s)bmsbm1sb1sb0

a1sa0

N(s)ansan1s

式（2）可表示為

G(s)

C(s)R(s)

M(s)N(s)

nn1

b0a0

（3）

若在式（2）中，令s0，則有G(0)

即為系統(tǒng)的放大系數(shù)。從微分方程（1）看，s0相當(dāng)于全部導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零，方程變?yōu)殪o態(tài)方程，

b0a0

恰好為輸出、輸入的靜態(tài)比值。

傳遞函數(shù)是在初始條件為零（稱(chēng)零初始條件）時(shí)定義的。掌握系統(tǒng)的零初始條件有兩方面

含義：一是指輸入作用是在t0以后才作用于系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)輸入量及其各階導(dǎo)數(shù)在t0時(shí)的值為零；二是指輸入作用加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)是“相對(duì)靜止”的。因此，系統(tǒng)輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)在t0時(shí)的值也為零。實(shí)際的工程掌握系統(tǒng)多屬此類(lèi)狀況，這時(shí)，傳遞函數(shù)一般都可以完全表征線性定常系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

必需指出，用傳遞函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，也有肯定局限性。首先，對(duì)于非零初始條件，傳遞函數(shù)便不能完全描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于傳遞函數(shù)只反映零初始條件下，輸入作用對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，對(duì)于非零初始條件的系統(tǒng)，只有同時(shí)考慮由非零初始條件對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，才能對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有完全的了解。其次，傳遞函數(shù)只是通過(guò)系統(tǒng)的輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系來(lái)描述系統(tǒng)，亦即為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的外部描述，而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部其它變量的狀況卻不完全知道，甚至完全不知道。當(dāng)然，現(xiàn)代掌握理論采納狀態(tài)空間法描述系統(tǒng)，可以克服傳遞函數(shù)的這一缺點(diǎn)。盡管如此，傳遞函數(shù)作為經(jīng)典掌握理論的基礎(chǔ)，仍是非常重要的數(shù)學(xué)模型。

4.2傳遞函數(shù)的基本性質(zhì)

從線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)的定義式（2）可知，傳遞函數(shù)具有以下性質(zhì)。

（1）傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理真分式，而且全部系數(shù)均為實(shí)數(shù)，通常分子多項(xiàng)式的次數(shù)m低于（或等于）分母多項(xiàng)式的次數(shù)n，即m≤n。這是由于系統(tǒng)必定具有慣性，且能源又是有限的原因。

（2）傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)和元件的結(jié)構(gòu)參量，與外作用形式無(wú)關(guān)。（3）將式（2）改寫(xiě)成如下所謂“典型環(huán)節(jié)”的形式

m1

m2

2

2

G(s)

M(s)N(s)

K(ks1)(ls2lls1)s

v

k1n1

l1n2

2i

(T

i1

s1)(Ts2jTjs1)

j1

2

2

j

2

（4）

數(shù)學(xué)上的每一個(gè)因子都對(duì)應(yīng)著物理上的一個(gè)環(huán)節(jié)，我們稱(chēng)之為典型環(huán)節(jié)。其中：K

s1Ts11

1

放大(比例)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)

慣性環(huán)節(jié)或非周期環(huán)節(jié)

振蕩環(huán)節(jié)

Ts2Ts1

22

s1一階微分環(huán)節(jié)

2

2

二階微分環(huán)節(jié)

s2s1

我們所討論的自動(dòng)掌握系統(tǒng),都可以看成由這些典型環(huán)節(jié)組合而成.

(4)肯定的傳遞函數(shù)有肯定的零、極點(diǎn)分布圖與之對(duì)應(yīng)。將式（2）寫(xiě)成如下零、極點(diǎn)形式

G(s)

M(s)N(s)

K(sz1)(sz2)(szm)(sp1)(sp2)(spn)

*

（5）

式中z1,z2,,zm為傳遞函數(shù)分子多項(xiàng)式M(s)等于零的根，稱(chēng)為傳遞函數(shù)的零點(diǎn)

p1,p2,,pn為傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式N(s)等于零的根，稱(chēng)為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。把傳遞函數(shù)

的零點(diǎn)和極點(diǎn)同時(shí)表示在復(fù)平面[s]上的圖形，就叫做傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分布圖。圖（4-1）

表示了傳遞函數(shù)G(s)極點(diǎn)用“”表示。

式（5）中常數(shù)“K*”稱(chēng)為傳遞函數(shù)的根軌跡增益。K*與K之間的關(guān)系為

*

s2(s3)(s2s1)

2

的零、極點(diǎn)分布狀況，圖中零點(diǎn)用“0”表示，

KK

12

T1T2

2

2

（5）

（5）傳遞函數(shù)的拉氏反變換，即為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。所謂脈沖響應(yīng)，是指系統(tǒng)在單位脈沖函數(shù)(t)輸入下的響應(yīng)，也稱(chēng)為脈沖過(guò)渡函數(shù)。由于單位脈沖的拉氏變換式等于1，因此

k(t)[C(s)][G(s)]

明顯，系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)k(t)與系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，故可以用來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如圖（4-2）所示。

（6）若令sj（即sj，其中0），這是傳遞函數(shù)的一種特別形式，

G(s)|sj

11

=G(j)，稱(chēng)為頻率特性。G(j)是用頻率法討論系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。明顯，頻

率特性也是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的又一種數(shù)學(xué)模型。

4.3傳遞函數(shù)的應(yīng)用

傳遞函數(shù)主要應(yīng)用在三個(gè)方面。

1、確定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。對(duì)于傳遞函數(shù)G（s）已知的系統(tǒng)，在輸入作用u（s）給定后，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)y（s)可直接由G（s）U（s）運(yùn)用拉普拉斯反變換方法來(lái)定出。

2、分析系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)輸出響應(yīng)的影響。對(duì)于閉環(huán)掌握系統(tǒng)，運(yùn)用根軌跡法可便利地分析系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益的變化對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)、零點(diǎn)位置的影響，從而可進(jìn)一步估量對(duì)輸出響應(yīng)的影響。

3、用于掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。直接由系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),采納根軌跡法。依據(jù)頻率響應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，采納頻率響應(yīng)法。

5掌握方案確定

5.1理論確定

如圖示，系統(tǒng)中信號(hào)沿箭頭方向前進(jìn)，最終又回到系統(tǒng)原來(lái)的起點(diǎn)，形成一個(gè)閉合回路，這種系統(tǒng)叫做閉環(huán)掌握系統(tǒng)。在此閉環(huán)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號(hào)是被控參數(shù)，它通過(guò)傳感器（測(cè)量元件）這個(gè)環(huán)節(jié)再返回到系統(tǒng)的輸入端，與給定值進(jìn)行比較，這種將系統(tǒng)的輸出信號(hào)引回到輸入端的過(guò)程叫做反饋。被控參數(shù)的測(cè)量值稱(chēng)為反饋信號(hào)。反饋信號(hào)使系統(tǒng)原來(lái)的輸入信號(hào)減弱的為負(fù)反饋；反之為正反饋。正、負(fù)分別用“+”和“-”表示，用“⊙”代表比較器。

當(dāng)系統(tǒng)的被控參數(shù)受干擾而上升（或下降）時(shí)，我們盼望通過(guò)掌握使其盡快地回到給定值。假如采納正反饋，由于反饋的增加輸入信號(hào)的掌握，結(jié)果只能使被掌握參數(shù)越升越高（或月降越低），使偏差越來(lái)越大。這在自動(dòng)掌握系統(tǒng)中是不能允許的。一般采納負(fù)反饋。

5.2閉環(huán)系統(tǒng)原理方框圖與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制

掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是有很多對(duì)信號(hào)進(jìn)行單向運(yùn)算的方框和一些信號(hào)流向線組成，它包含四中基本單元：

信號(hào)線信號(hào)線是帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的流向，在直線旁標(biāo)記的時(shí)間函數(shù)或象函數(shù)。

引出點(diǎn)（或測(cè)量點(diǎn)）引出點(diǎn)表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置，從同一位置引出的信號(hào)在數(shù)值和性質(zhì)方面完全相同。

比較點(diǎn)（或綜合點(diǎn)）比較點(diǎn)表示對(duì)兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算，“＋”號(hào)表示相加，“-”號(hào)表示相減，“+”號(hào)可省略不寫(xiě)。

方框（或環(huán)節(jié)）方框表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換，方框中寫(xiě)入元部件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。明顯，方框的輸出變量等于方框的輸入變量與傳遞函數(shù)的乘積。即C（s）=G（s）U（s），因此，方框可視作單向運(yùn)算的算子。

在繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖時(shí)，首先要考慮負(fù)載效應(yīng)分別列寫(xiě)系統(tǒng)各元部件的微分方程或傳遞函數(shù)，并將他們用方框表示；然后，依據(jù)各元部件的信號(hào)流向，用信號(hào)線依次將各方框連接便得到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。依次，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)質(zhì)上系統(tǒng)原理圖與數(shù)學(xué)方程兩者的結(jié)合，既

補(bǔ)充了原理圖所缺少的定量描述，又避開(kāi)了純數(shù)學(xué)的抽象運(yùn)算。從結(jié)構(gòu)圖上可以用方框進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，也可以直觀了解各元部件的相互關(guān)系及其在系統(tǒng)中所起到的作用；更重要的是，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以便利地求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。所以，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也是掌握系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)模型。

選擇單回路閉環(huán)掌握系統(tǒng)即可滿(mǎn)意掌握要求（如圖5-1）方框圖如下：

圖5-1系統(tǒng)原理方框圖

閉環(huán)掌握系統(tǒng)是利用負(fù)反饋的作用來(lái)減小系統(tǒng)誤差的。當(dāng)輸出量偏離期望值時(shí)，這個(gè)偏差將被檢測(cè)出來(lái)，對(duì)掌握作用產(chǎn)生影響，從而使系統(tǒng)具有自動(dòng)修正被掌握量偏離的力量，減小系統(tǒng)誤差，較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掌握的功能。

6儀表選擇及應(yīng)用

6.1電動(dòng)單元組合儀表DDZ-Ⅱ

DDZ-Ⅱ型電動(dòng)組合儀是采納以晶體管為主要放大元件組成的儀表。采納0—10mADC電流作為統(tǒng)一信號(hào)

圖6-1DDZ-Ⅱ型電動(dòng)單元組合儀

6.2調(diào)整器DTL—321

將生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)的測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，得出偏差后依據(jù)肯定的調(diào)整規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)推動(dòng)執(zhí)行器消退偏差量，使該參數(shù)保持在給定值四周或按預(yù)定規(guī)律