本科生课程设计（论文）工业生产过程控制课程设计（论文）题目：液位闭环反馈控制系统设计
院（系）：电气工程学院
专业班级：自动化093
学号： 0
学生姓名：
指导教师：（签字）
起止时间： 12.6.25--12.7.6
本科生课程设计（论文）
1
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：自动化
学 号
090302091 学生姓名 专业班级 自动化093 设计题
目 液位闭环反馈控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
设计一个液位闭环反馈控制系统 。
在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控制液
位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。 设计任务及要求
1、确定控制方案并绘制工艺P&ID 图、系统框图；
2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；
3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；
4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；
5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
测量范围：20～100cm ；
控制精度：±0.5cm ；
控制液位：80cm ；
最大偏差：1cm ；
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）
2、确定系统的控制方案，绘制P&ID 图、系统框图。（1天，实验室完成）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成）
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天）
5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成）
6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成） 指导教师评语及成绩
平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日
摘要
锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。
汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式,常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。本文将引入锅炉汽包水位双冲量控制。
关键词：汽包水位；三冲量；PID控制
Boiler drum water level, is to ensure the safe production and delivery of high quality steam parameters of modern industrial production, especially. Because modern boiler is one of the characteristics of evaporation increased significantly, drum volume is small, the water level changes very fast, little attention it is easy to cause the drum with water or burning pot. In the modern boiler operation, even the water shortage, but also very dangerous, this is because the water level is too low, serious when can make individual pipes on the formation of free water surface, generating flow stagnation. Both full of water or water can cause accident, therefore, must strictly control the water level in the specified range.Boiler water level control, the main purpose is to steam drum water level as the controlled variables, to regulate the water flow to the control means. At the same time, because the steam drum water level is not only influenced by the boiler side effects, also by turbine side effect, when the boiler load change or turbine steam volume, water supply control should be able to limit the steam drum water level in a given range only. Commonly used drum water level control method includes single impulse, double impulse and three impulse control.This paper will introduce the drum water level of boiler Double Impulse control.
Keywords: drum water level; three impulse; PID control
目录
第1章绪论 (4)
第2章课程设计的方案及论证 (5)
2.1提出方案 (5)
2.2总体方案论述 (7)
第3章系统设计及器件组成 (9)
3.1 三冲量控制系统原理 (9)
3.2硬件设计 (9)
3.2.1 液位变送器的选择 (9)
3.2.2 压力传感器与变送器选择 (11)
3.2.3 执行器的选择 (11)
3.2.4 控制器的选择 (11)
3.2.5 控制器的作用方式 (12)
3.2.6阀的开闭选择形式 (12)
3.3 软件设计 (12)
3.3.1 PID对控制的影响 (12)
3.3.2 PID控制器的参数调整 (13)
3.4给水调节对象的动态特性 (14)
第4章系统仿真及设计 (14)
第5章课程设计总结 (19)
参考文献 (19)
第1章绪论
“控制”是一种很常见的概念，人们生活中也随处可见。事实上，自然界中的万事万物都相互支配，相互制约，彼此之间都受到不同程度的控制。
在自动控制中，“控制”是为了克服各种扰动的操作，达到预期目标，对生产过程（或系统）中的某一个或一些物理量进行的操作。如：生活中对空调、电视；工业上对电机、水箱等的控制。
所谓自动控制系统就是在无人直接参与情况下，通过外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或过程（被控量）自动按照规定的要求进行。与其他自动控制系统比较，工业生产过程有许多特点，过程控制系统由过程检测，变送和控制仪表，执行装置等组成。过程控制是通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测，变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。它也具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点。工业生产过程的控制方案有多样性。由于工业过程多样性，为适应被控过程的特点，控制方案也具有多样性。除去控制方案多样性，实施过程控制的手段也具有多样性，尤其在开放系统互操作性和互连性等问题得到解决后，实现过程控制目标的手段丰富。
工业生产过程控制的发展有两个明显的特点：一、同步性。控制理论的开拓、技术工具手段的进展、工程应用的实现三者相互推动，相互促进，现实了一幅交错复杂，但又轮廓分明的画卷，三者间明显明晰的同步性；二、综合性。自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植借鉴，交流汇合，表现强烈的交流性。
典型的工业过程可分为三种：连续控制（continuous process）、离散过程（discrete process）和批量过程（batch process）。然而，锅炉汽包水位控制系统设计采集的是实时的液位和流量值，所以属于连续控制。
锅炉是工业生产中重要的供暖设备，而汽包水位又是锅炉安全运行的重要参数。同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此，锅炉汽包水位一直受到重视。保持锅炉汽包水位在一定的范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器关闭结垢，传热效率下降，过热温度下降，而汽包内水的全部汽化导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。
液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。
第2章 课程设计的方案及论证
2.1提出方案
方案一：单冲量水位控制系统额直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，这种系统称为单冲量水位控制系统。直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，在蒸汽流量忽然增加时，给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动，所以在负荷变化频繁情况下，不能采用单冲量水位控制系统。单冲量水位控制系统原理图如图2.1所示：
图2.1 单冲量水位控制系统原理图
方案二：双冲量水位控制系统将蒸汽负荷的作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统。在水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀门动作反向，因此可节省仪汽包
LC 省
煤
器
过热器
表。但由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此采用前馈时，不能保证水位无余差。双冲量水位控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位存在影响，但对给水量扰动为加考虑，因此，适用与给水流量波动较小的场合。
双冲量水位控制系统的优点：能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务，在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。
双冲量水位控制系统的缺点：调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧
扰动时，调节系统等于单冲量调节，因为，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。
双冲量水位控制系统原理图如图2.2所示：
方案三：三冲量水位控制系统，考虑到给水流量的扰动影响及由于被空对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲连不过控制系统中，组成三冲量水位控制系统。三冲量水位控制系统中，除了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三个冲量是给水流量。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被空变量，给水量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈串级反馈控制系统。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流汽包
LC 省
煤
器
蒸汽
过热器
LY FT
FY 图2.2 双冲量水位控制系统原理图
量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。
三冲量水位控制系统原理图如图2.3所示：
图2.3 三冲量水位控制系统原理图
2.2总体方案论述
通过比较看到三种控制方案中，第一个方案由于单纯采用流量控制的负反馈回路
对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求。第二种方案采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。第三种方案控制效果最好，三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。
汽包
LT 省煤
器
蒸汽
过热器
LY FT
FY FC
第3章 系统设计及器件组成
3.1 三冲量控制系统原理
三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器LC 与流量控制器FC 构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动时引起汽包液位变化因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入FC ，使给水流量做相应的变化，所以这是按干扰进行的控制，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。
控制过程：根据串级控制系统选择主、副控制器的正反作用的原则，水位控制器LC 反作用选反作用，流量控制器FC 为正作用，控制器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因LC 反作用，它的输出下降，进入加法器后，使FC 给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC 给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水量增加，保持水蒸气平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步稳定了水位的自动控制；给水量增加，FC 输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸气平衡。
我们知道，水位控制的主要干扰是蒸汽流量的波动，而单冲量调节系统出现这一干扰时，给水量的变化与负荷变化的方向相反，加剧了进出物料的不平衡，使水位偏差变大。双冲量调节能消除蒸汽流量变化对水位的影响，但是系统对水位时一个开环D
图3.1 三冲量水位控制结构框图
系统，当负荷与给水量之间有一个偏差时，水位的偏差会越来越大。
三冲量汽包水位控制系统能及时克服给水系统的干扰，改善了控制品质。但是调节过程中还需要解决一个输入信号系统的静态匹配问题，且动态整定过程也比较复杂，因此采用前馈串级控制方案。利用前馈使给水量及时跟踪输出量，利用内环实现对给水量的调节，利用外环实现对水位的调节。
串级控制系统由两个回路构成；主回路和副回路。副回路起粗调作用，主回路起细调作用。把副回路之外的扰动叫做一次扰动。副回路的频率比主回路的频率高的多，副调节器能很快的克服二次扰动。
带前馈的串级水位控制系统框图如图3.1所示。由Gc2、Gv2、Gp2、Gm2组成副回路，其中Gc2为副控制器，Kv就是副回路的控制对象。由Gc1、Gp1、Gm1及副回路一起构成副回路，Gc1为主控制器。因为所有变动器的时间常数都较小，因此忽略不计。主回路用于直接控制水位，主控制器一般都采用比例积分控制，维持水位不变。副回路是流量系统，副回路调节器可以采用比例或者比例积分控制。与一般串级系统不同的这里引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，所以这是一个静态前馈的串级控制系统。
由于水位变化对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动的影响速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化速度加以限制。由图3.1可知，带静态前馈的水位初级控制系统中蒸汽流量到给水量之间是一个随动系统，使给水量跟随蒸汽流量的变化而变化。水位串级控制系统中的水位扰动属于内部扰动，内环能很快控制稳定，而蒸汽流量扰动属于外部扰动，必须依赖于回路的控制器进行控制。
3.2硬件设计
3.2.1 液位变送器的选择
选择TK3051L液位变送器：
(1)工作原理：
工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。
(2)特点：
完整的变送系列；测量范围：20684（kPa）；精度等级：0.1；输出信号：4-20（mA）；防爆等级：1；防护等级：1；电源电压：6-12（V）；接口尺寸：M20*1.5（mm）结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路。
3.2.2 压力传感器与变送器选择
PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。
特点：
量程: -0.1~0～1～150(MPa)；综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；输出信号: 4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)；供电电压: 24DCV(9～36DCV)；介质温度: -20～85～150℃；环境温度: 常温(-20～85℃)；负载电阻: 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ；长期稳定性能: 0.1%FS/年；振动影响: 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS；电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计。
3.2.3 执行器的选择
RZXP型新系列气动调节阀采用顶导向结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。
本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有PN10、16、40、64；阀体口径范围DN20~200。适用流体温由-200℃~560℃范围内多种档次。泄漏量标准有IV级或VI级。流量特性为线性或等百分比。
3.2.4 控制器的选择
采用上海万讯仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12
智能调节仪控制挂件为AI-818，SA-13智能位式调节仪为AI-708型。AI-818型仪表为PID 控制型，输出为4~20mADC 信号。AI-708型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。AI 系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。
3.2.5 控制器的作用方式
当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。
经分析此系统为正作用方式。
3.2.6阀的开闭选择形式
关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。
锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全
开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故的发生。
3.3 软件设计
3.3.1 PID 对控制的影响
（1）比例P 调节
在P 调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即
比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大 称为比例带，其中KP 为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。
（2）积分I 调节
在I 调节中，调节的输出信号的变化速度
与偏差信号e 成正比，即
称为积分速度，其中TI 为积分时间常数。 p u K e =1
p K
d =d u d t 0du
S e =
增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I 调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I 调节的输出才保持不变。I 调节的稳定作用比P 调节差,如果只采用I 调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。
（3）微分D 调节 D 调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 。TD 为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P 结合PD 或与PI 构成PID 调节。
总之，PID 控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提
高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。
3.3.2 PID 控制器的参数调整
控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡
过程中的比例带δ，积分时间TI 和微分时间TD 的数值称为控制器参数整定。
控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。
（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID 控制器的经验法整定：先将TD 置为0，置TI 为∞，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI 由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD 由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。
（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图4.1。录此时的临界比例带δK 及两个波峰的时间TK 利用δK 和TK 值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数δ、TI 、TD 。
（3）衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI 为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS 的数值。利用4：1衰减整定参数表求得控制器的PID 数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。
D de u T dt
=
图 3.2
3.4给水调节对象的动态特性
锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。
汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。
t t t T T r
r r
r 0 0
0t y y 00t 0 41
第4章系统仿真及设计
根据仿真所采用的模型划分，可将仿真分为数学仿真和物理仿真两大类。
物理仿真亦称为实物仿真，它是在系统生产出样机后，将系统实物全部或部分的引入回路，由于物理仿真能将系统的实际参数、数学仿真中难以考虑到的非线性因素和干扰因素引入仿真回路，因此物理仿真更接近系统的实际情况，通过仿真可以检验实物系统工作的可靠性，可以准确地调整系统元部件的参数。
数学仿真就是将数学模型编排成模拟计算机的排题图或数值计算机的程序。这一过程是将原始数学模型转换成仿真模型，通过对计算机模型的运行达到对原始系统研究的目的，数学仿真在系统设计阶段和分析阶段是十分重要的，通过数学仿真可以检验理论设计的正确性。
1.通过对参数进行比较分析,选出各器件的最佳参数:
主控制器（Gc1）：1/（6s+1）
副控制器（Gc2）：1/（8s+1）
执行器（Gv2）:3
主检测变送器（Gm1）：0.5/（0.1s+1）
副检测变送器（Gm2）：1/（0.1s+1）
前馈检测变送器（Gm）：0.2
扰动通道传函（Gf）：2/（3s+1）
前馈通道的传函（Gff）：0.2
根据上述叙述，得到仿真图如下：
图4.1 三冲量控制系统的仿真图
调整系统参数对系统的影响：改变执行器（Gv2）为40，
图4.3 MATLAB 系统仿真图
图4.2 MATLAB 系统仿真图
由上图可知，系统改变执行器放大倍数之后，系统出现了等幅振荡的情况，说明了改变了执行器的增益使得系统的偏差信号增强，控制器的控制不能在其控制的范围内，系统此时不能够恢复稳定的状态，系统处于临界稳定的状态。
调整系统参数对系统的影响：改变主检测变送器（Gm1）为0.5/（4s+1）
图4.4 MATLAB系统仿真图
由上图可知，增加主控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，不利于系统的稳定。
调整系统参数对系统的影响：改变副检测变送器（Gm2）：1/（8s+1）
图4.5 MATLAB系统仿真图
由上图可知，增加副控制回路检测变送环节的时间常数后，由系统的输出曲线可知，系统出现了振荡的现象，而且在曲线的起始位置有一小段的时滞，说明检测变送环节的时间常数过大，系统会出现振荡，而且会使系统发生滞后。不利于系统的稳定。
综上所述，各器件的最佳参数为：主控制器（Gc1）：1/（6s+1）；副控制器（Gc2）：1/（8s+1）；执行器（Gv2）:3；主检测变送器（Gm1）：0.5/（0.1s+1）；副检测变送器（Gm2）：1/（0.1s+1）；前馈检测变送器（Gm）：0.2；扰动通道传函（Gf）：2/（3s+1）；前馈通道的传函（Gff）：0.2。
第5章课程设计总结
设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈-串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要求。接着分析了PID对系统的影响，及PID的参数整定，然后MATLAB中进行了仿真，能够更好分析锅炉汽包水位的情况。通过分析证明了汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。
如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。 1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。 2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。 3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ） A.二极管V6内部断路 B.三极管V3内部击穿（短路） C.电阻R4与三极管V3基极虚焊 D.继电器线圈内部短路 如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。 4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。 上限 V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V
5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。 6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ） A.集成运放2脚与3脚接反 B.二极管V4接反 C.电阻R2断路 D.三极管V3损坏 如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。 7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。 8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。 9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏 C.二极管V3接反 D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图， (第4~6题) (第7~9题) R4 10k ?R5 4.7k R3 4.7k
课程设计(综合实验)报告 ( 2011-- 2012 年度第二学期) 名称：过程计算机控制系统 题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院 班级： 学号： 学生： 指导教师：朱耀春 设计周数：一周 成绩：
日期：2012 年 6 月20 日
一、 课程设计的目的与要求 1.设计目的 在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程容的理解。 2.设计要求 本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。 二、 设计正文 1.设计思想 本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。 设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤 （1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件； (1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）； (1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用 （2） PID 的设计 (2.1)PID 的离散化 理想微分PID 算法的传递函数形式为：??? ? ??++=s T s T K s G d i p 11)( 采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0]; 其中各项系数为： q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/T);
闭环控制系统的干扰与反馈 教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2） 文档内容：闭环控制系统的干扰与反馈 章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈 课时：第1课时 作者：叶朝晖（海南省海南中学） 一、教学目标 1. 知识与技能目标 （1）能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。 （2）熟悉闭环控系统中反馈环节的作用。 （3）能识读和画出简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用。 2. 过程与方法目标 （1）通过课堂小试验亲身体验“反馈”的作用。 （2）通过典型闭环控制系统的分析，熟悉闭环控制系统的基本组成及工作过程。 （3）逐步形成理解和分析闭环控制系统的一般方法，学会使用逆推法分析问题。 3. 情感态度与价值观目标 （1）通过“神奇”的自动控制装置，感受科技的魅力，形成和保持探究控制系统的兴趣与热情。 （2）通过对闭环控制系统的探究，形成勇于探索敢于创造优良品质。 二、教学重点 本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。 三、教学难点 分析闭环控系统的基本组成及工作过程 四、教学方法 演示法、逆推分析法、游戏法 五、设计思想： 1. 教材分析 本节是“控制与设计”第三节的内容，其内容包括“干扰因素”、“反馈”、“功能模拟方法”和“黑箱方法”。闭环控制系统相对于开环控系统要复杂些，但闭环控制系统因其控制准，自动化程度高，有着“神奇”的控制效果，对学生来说也同样具有一定的吸引力，成为学生进一步学习的动力。本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。
《闭环控制系统》教案分析 一.开环和闭环控制系统的定义分析 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 三.闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系 四.闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结 五.开闭环,自动和手动控制系统的总结 问题研讨1: .人开电灯的控制方式 问提研讨:人打开电灯开关后,不看电灯是否亮不亮,这是一种什么控制? 人打开电灯开关后,要看电灯是否亮不亮,如不亮,要多次开关电灯,甚至检修开关,直到开亮为止,这是一种什么控制? 2.人开汽车 人手握方向盘开汽车是什么控制方式? 人两手离开方向盘去发手机短信,有拐弯时,或有情况时手再扶方向盘,这种开汽车方式是什么控制方式? 问提研讨2: 自动控制系统是否一定是闭环控制? 举例说明之 按照控制的总定义,是否有人参加的控制 系统一定是闭环控制系统?
开环控制系统一定没有检测,反馈回路吗? 水箱水位自动控制系统中,被控对像是水箱吗? 现在有些教材中出现“输出量”的概念,它是什么?它等于被控量吗? 一.开环和闭环控制系统的定义分析 例1. 飞镖（图4-7）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标，然后再根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，取决于飞镖在投掷时的初始状态，即投掷者的投掷水平。 实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 开、闭环控制的定义 能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制的系统，称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分，称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为
单闭环控制系统设计及仿真 班级电信2014 姓名张庆迎 学号142081100079
摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统 一、单闭环直流调速系统的工作原理 1、单闭环直流调速系统的介绍 单闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。 2、双闭环直流调速系统的介绍 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图1—1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称
双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德 日期：2010年03月10日 随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得 良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic
process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10
本科生课程设计（论文）工业生产过程控制课程设计（论文）题目：液位闭环反馈控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 0 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间： 12.6.25--12.7.6
本科生课程设计（论文） 1 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 090302091 学生姓名 专业班级 自动化093 设计题 目 液位闭环反馈控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 设计一个液位闭环反馈控制系统 。 在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控制液 位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。 设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺P&ID 图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 测量范围：20～100cm ； 控制精度：±0.5cm ； 控制液位：80cm ； 最大偏差：1cm ； 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制P&ID 图、系统框图。（1天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天） 5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日
目录 摘要 0 双闭环流量比值控制系统设计 (1) 1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (1) 2、课程设计使用的设备 (1) 3、比值系数的计算 (2) 4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (2) 5、总结 (6) 6、参考文献 (6)
摘要 在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。 这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。
目录 第1章概述 (1) 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 2.1 原系统的工作原理 (2) 2.2 原系统的动态结构图 (3) 2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 3.1 调节器的选择 (5) 3.2 PI调节器的设计 (5) 3.3 校正后系统的动态结构图 (8) 3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (10)
转速单闭环调速系统设计 1、概述 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器. 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负 反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标， 就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要 想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环 调节系统。 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 n=1500rpm,U N=220V,I N=17.5A,Ra=1.25Ω。主回路总电阻电动机参数：P N=3KW, N R=2.5Ω，电磁时间常数T l=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 设计要求： （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 设计任务： （1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计；
控制系统课程设计报告书 系部名称： 学生姓名： 专业名称： 班级： 时间：
直流电机的闭环调速系统设计 一、设计要求： 利用PID 控制器、光电传感器及F/V 转换器设计直流电机的闭环调速系统。 要求：给定直流小电机，设计模拟PID 控制器，利用传感器检测速度（ST15、 LM331），搭建成闭环控制电机转速系统。 （1）阶跃响应的超调量：σ%≤20%； （2）阶跃响应的调节时间：t s =1s ±0.02s 。 二、设计方案分析 1、方案设计： 器材：电路板、PID 控制器、小型直流电机、LM331、ST151各一片 电阻、电容若干、导线、LM324若干 原理框图： 输入 输出 注： 1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID 控制器调节，驱动电机工作。 2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V 转换器；F/V 转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID 控制器对输出电压进行校正。 2、背景知识介绍： 减 PID 控制器 直流电机 F/V 转换器Lm331 光电传感器ST151
（1）选题背景及意义 在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对直流的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使直流电机的PID控制控制逐渐成为主流，实现对电机转速的精确控制。 （2）系统校正 系统校正，就是在系统中加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生改变，从而满足给定的各项性能指标，在系统校正中，当系统的性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用的是根轨迹校正法，实验所用软件为MATLAB、EWB软件，使用MATLAB软件绘制系统校正前后的根轨迹图，系统的闭环阶跃响应，观察系统校正前后的各项性能指标是否满足系统所需性能指标，在Simulink界面下或使用EWB软件对校正前后的系统进行仿真运行，观察系统输出曲线的变化。 在控制系统设计中，常用的校正方法为串联校正和反馈校正，串联校正比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的转换，特别在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适合采用串联校正。在确定校正装置的具体形式时，根据校正装置所需提供的控制规律选择相应的元件，常常采用比例、微分、积分控制规律，或基本规律的组合，如比例微分、比例积分等。而本次课题选择的正是PID即比例积分微分控制器。 三、硬件设计： 总体仿真电路：
控制工程学院课程实验报告： 现代控制理论课程实验报告 实验题目：状态反馈控制系统的设计与实现 班级自动化（工控）姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1-6 一、实验目的及内容 实验目的： （1 ）掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法； （2 ）比较输出反馈与状态反馈的优缺点； （3 ）训练程序设计能力。 实验内容： （1 ）针对一个二阶系统，分别设计输出反馈和状态反馈控制器；（2 ）分别测出两种情况下系统的阶跃响应； （3 ）对实验结果进行对比分析。 二、实验设备 装有的机一台 三、实验原理 一个控制系统的性能是否满足要求，要通过解的特征来评价，也就是说当传递函数是有理函数时，它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。因此若被控系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置极点，使被控系统达到期望的时域性能指标。
闭环系统性能与闭环极点（特征值）密切相关，在状态空间的分析和综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息。 (一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是：受控系统可控。 设（ ）受控系统的动态方程为 状态向量x 通过状态反馈矩阵k ，负反馈至系统参考输入v ，于是有 这样便构成了状态反馈系统，其结构图如图1-1所示 图1-1 状态反馈系统结构图 状态反馈系统动态方程为 闭环系统特征多项式为 ()()f I A bk λλ=-+ （1-2） 设闭环系统的期望极点为1λ，2λ，…，n λ，则系统的期望特征多项式 x b v u 1 s C A k - y x &
为 )())(()(21*n f λλλλλλλ---=Λ （1-3） 欲使闭环系统的极点取期望值，只需令式（1-2）和式（1-3）相等，即 )()(* λλf f = （1-4） 利用式（1-4）左右两边对应λ的同次项系数相等，可以求出状态反馈矩阵 []n k k k Λ 2 1 =k (二) 对线性定常连续系统∑(),若取系统的输出变量来构成反馈,则所得到的闭环控制系统称为输出反馈控制系统。输出反馈控制系统的结构图如图所示。 开环系统状态空间模型和输出反馈律分别为 H 为r ＊m 维的实矩阵,称为输出反馈矩阵。 则可得如下输出反馈闭环控制系统的状态空间模型: 输出反馈闭环系统可简记为H(),其传递函数阵为: (s)()-1B B ? A C H y - x u v + + + x ' 开环系统 A B C H '=+?? =?=-+x x u y x u y v ()A BHC B C '=-+??=? x x v y x
闭环控制系统的干扰与反馈教学设计 1．教材分析及教学设计介绍 本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节章节。为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。 【教学目标】 知识目标：了解闭环控制系统的干扰与反馈的各方面因素 能力目标：能结合身边的案例找出干扰的因素，并作出分析。 情感目标：培养学生对一个控制系统的理解能力和分析能力，并能从物性到理性过渡，能对学习与人生产生干扰影响的因素进行分析。 【重点与难点】 重点：学会分析干扰在控制系统的影响，反馈在技术发明和革新中的作用。 难点：干扰系统的全面分析，反馈环节的使用。 【教法设计】 本课通过“案例分析法”，采用启发式、讲述式、分析等多种教学方式，以课程目标为依据，努力提高教学的生动性和逻辑性，激发学生的学习兴趣，提高学生的注意力，使学生能够自己建构出本课的知识点。 【学法设计】 本节课的教学对象是刚刚对控制系统有了初步的了解学生，对控制的干扰还蒙着一层神秘的面纱。好奇心较强，思维活跃，虽然他们的生活经验不是很丰富，但根据他们现有的认知水平和认知风格还是很容易接受本节课的内容。 本课教给学生的学法是“分析案例——合作探究——得出结论——思维扩展”。【教学资源准备】
教学相关资料的准备，包括文本（骑自行车的干扰分析，学生生活经验）、图片（各种自行车图片、影响因素图片）；教师演示教学课件。课件容纳一些图片和例子说明。 图片可以从网上下载，也可以把书中照片用数码相机拍摄，通过电脑处理后使用。【教学策略】 根据本课的教学目标，我采用教师讲授，媒体演示，任务驱动，学生自主思考、合作讨论等多种教学方法相结合的策略。 2．教案 【创设情境、导入新课】 做一个简单的调查：每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？ 在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风，（活跃课堂气氛，激发学生的求知欲。） 大部分同学应该是有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素，同时乘车也有干扰，而且不论是骑自行车还是乘车干扰因素不止一个，有主要的，有次要的。 这节课我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。 【新课教学】 1、干扰因素 本环节通过对二个典型的案例的分析，由学生归纳闭环控制系统的干扰与反馈。再联系实际生活，由学生列举生活中的例子，证明他们的观点。 案例一：逆风中骑自行车。 案例二：飞机飞行。 结论：在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干个 案例三：战士在大风大雨中进行射击练习。
课程设计报告 课程课程设计 课题双闭环控制系统设计 班级 姓名 学号
目录 第1章双闭环系统分析.................................................................................. 错误!未定义书签。 系统介绍.................................................................................................... 错误!未定义书签。 系统原理.................................................................................................... 错误!未定义书签。 双闭环的优点............................................................................................ 错误!未定义书签。第2章系统参数设计...................................................................................... 错误!未定义书签。 电流调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 时间参数选择.................................................................................... 错误!未定义书签。 计算电流调节参数............................................................................ 错误!未定义书签。 校验近似条件.................................................................................... 错误!未定义书签。 转速调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环等效时间常数：.................................................................... 错误!未定义书签。 转速环截止频率为............................................................................ 错误!未定义书签。 计算控制器的电阻电容值................................................................ 错误!未定义书签。第3章仿真模块.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。第4章仿真结果.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 稳定性指标的分析.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。结论.................................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献............................................................................................................ 错误!未定义书签。
目录 第1章实验装置介绍 (1) 1.1对象系统组成 (1) 1．2 对象系统主要特点 (2) 第2章系统的方案设计 (3) 2.1硬件设计 (5) 2.2软件设计 (6) 第3章组态王软件设计 (10) 3.1组态王软件介绍 (10) 3.2使用组态王 (11) 3. 3 创建组态画面 (14) 3. 4 动画连接 (18) 第4章系统中的问题和解决方案 (22) 4.1控制规律的确定 (22) 4.2调节器参数的整定方法 (23) 总结 (27) 参考文献 (28)
第1章实验装置介绍 1.1 对象系统组成 （1）过程控制实验对象系统 实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kw电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加热筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。 系统动力系统两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。 整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板、甚至小到每一颗紧固螺钉。如图1-1
（2）对象系统中的各类检测变送及执行装置 扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位； 涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量； Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温； 控制模块：包括电磁阀、电动调节阀各一个； 三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵； 1．2 对象系统主要特点 （1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数； （2）执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器； （3）系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动； （4）一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣； （5）能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验。
9.1 概述 9.2 系统振荡原理 9 .3误差放大器幅频特性曲线的设计 、零点和极点 误差放大器的传递函数、 9 .4 误差放大器的传递函数 9.5 零、极点频率引起的增益斜率变化规则 9.6 含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导 、极点位置计算它的相位延迟9.7 根据II型误差放大器的零 型误差放大器的零、 9.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟 型误差放大器） ） 设计实例（ 9.9 设计实例 （II型误差放大器
9.10 III 型误差放大器的使用及其传递函数 9.11 III 型误差放大器传递函数的零极点位置引起的相位滞后 、传递函数和零极点位置型误差放大器的原理图、 9.12 III 型误差放大器的原理图 9.13 III 型误差放大器增益曲线的元件选择 （III 型误差放大器 ） 型误差放大器） 9.14 设计实例 设计实例（ 9.15 不连续模式下反激变换器的稳定 9.16 不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数 ） 不连续模式下反激变换器的稳定） 9.17 设计实例 （不连续模式下反激变换器的稳定 设计实例（ 9.18 本章小结
第九章闭环控制系统设计 9.1 引言 为什么反馈环路会振荡为什么反馈环路会振荡？？ 例：一个典型的正激变换器负 反馈系统
第十二章闭环控制系统设计 9.2 系统振荡原理 1、电路稳定的增益准则 电路稳定的第一个准则电路稳定的第一个准则：： 在开环增益为1的频率的频率（（剪切频 率、交越频率或截止频率交越频率或截止频率））处， 系统所有的总开环相位延迟必 须小于360o 。 相位裕量相位裕量？？ 实际的设计准则实际的设计准则：：至少 35～45o 的相位裕量
/***************************************** 文件名：ACC6-2-1.C 功能描述：实现温度闭环控制，采用位置式PID算法 *****************************************/ #include