课程设计报告
设计题目：水箱液位控制系统
班级：自动化0901班
学号：
姓名：刘弟文
指导教师：王姝梁岩
设计时间：2012年5月7日至5月25日
摘要
水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。
本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。
关键词：水箱液位控制器 PID参数整定串级控制前馈控制
目录
1 引言 (2)
2 课程设计任务及要求 (2)
实验系统熟悉及过程建模 (2)
实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 (2)
实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 (3)
实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 (3)
实现副回路进水流量的前馈控制 (4)
3 实验系统熟悉及过程建模 (4)
系统结构 (4)
过程建模 (5)
进水流量和主管道流量模型 (5)
进水流量和上水箱液位模型 (7)
副回路流量与上水箱液位数学模型 (8)
双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (9)
4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (10)
结构原理 (10)
单容水箱控制器PID参数整定 (11)
单容水箱比例系数Kp的整定 (11)
单容水箱积分时间参数整定 (11)
单容水箱微分时间参数整定 (12)
单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (12)
单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (12)
干扰频繁剧烈变化的解决办法 (13)
5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (13)
双容水箱单回路控制系统原理 (13)
双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (14)
比例参数的整定 (15)
积分常数参数的整定 (15)
微分常数参数的整定 (15)
双容水箱抗干扰能力检验 (15)
双容水箱提高控制质量方法 (16)
6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 (16)
串级副回路参数整定 (17)
串级主回路参数整定 (18)
串级主回路比例参数整定 (18)
串级主回路积分参数整定 (18)
串级主回路微分参数整定 (18)
串级控制系统给定负阶跃响应曲线 (19)
副回路进水流量剧烈变化解决办法 (19)
7 副回路进水流量的前馈控制 (19)
副回路进水流量和水箱上液位前馈-反馈复合控制系统 (19)
前馈控制器模型的确立 (19)
前馈-反馈复合控制系统PID参数整定 (20)
前馈-反馈复合控制系统不加前馈控制器 (20)
8 收获体会和建议 (20)
1 引言
通过本次课程设计，加深了对自控控制系统理论知识的理解，了解了一些工业生产过程中控制系统设计的过程，结合了所学的理论知识和实际工业应用过程，提高了动手能力。
通过对系统过程的建模及PID参数整定，对自动控制系统设计步骤有了更清晰的步骤。并发现自己理论知识的不足的地方，在今后的过程中应加强学习自己所缺乏的理论知识。
针对本次课程设计过程对老师们提出一点建议，本次课程设计的程序，界面都是事先做好的。我觉得下次老师可以把写程序和编界面作为课设的内容，让同学们有机会真正的熟悉设计一套控制系统的过程。
2 课程设计任务及要求
实验系统熟悉及过程建模
描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。
利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果。
利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。
利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。
⑤利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。
实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计
画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。
采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。
控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录
与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计
画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。
采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。
控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。
实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计
画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。
采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。
在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。
打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡
过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。
打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。
实现副回路进水流量的前馈控制
画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。
试求解前馈控制器的模型。
采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。
3 实验系统熟悉及过程建模
系统结构
实验室有两套水箱液位系统控制，主管道控制系统是由控制器、调节阀、电磁流量计、上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成。副管道控制系统由控制器、变频器、涡轮流量计、上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成。下面以主管道上水箱液位控制系统为例说明控制系统工作过程。
系统有自动和手动模式，如图3-1所示，调节阀为气开阀，水箱液位过程为正过程，控制器为反作用方式。
图3-1 系统结构图模式
当设置系统工作方式为自动时，可以设置水箱液位高度r，通过PID控制器的设置，控制调节阀的开度，从而保持水箱的液位高度稳定。如果出现扰动，通过水箱液位检测器反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，则e<0，通过反作用方式控制器，使控制器输出为正，调节阀开度增大，使水箱液位输出增大，保证了液位高度保持稳定值不变。
如果反馈值小于设定值，则e>0，通过反作用方式控制器时控制器的输出为负，减小调节阀的开度，从而使水箱液位减小，同样能保证液位保持稳定值不变。其调节过程如下：
图3-2 水箱液位调节过程
系统也可以设置手动模式，此时通过开关切换跳过PID控制器直接对调节阀的开度进行设置。可以改变进水流量，从而改变水箱液位高度，使液位高度达到新的平衡。
过程建模
控制质量的优劣是工业过程自动控制中最重要的问题，它主要取决于自动控制系统的结构及组成控制系统的各个环节的特性。为了很好的控制一个过程，需要知道当控制量变化一个已知量时，被控量如何改变并最终将改变多少以及向哪个方向改变、被控量的变化将需要经历多长时间、被控量随时间变化的曲线形状等。这些均依赖于被控过程的数学模型。因此，建立被控过程的数学模型是自动控制系统分析与设计中的重要环节。被控过程的数学模型是指被控过程的输出变量与输入变量之间的函数关系数学表达式。
测取阶跃响应曲线的目的是为了得到表征所测对象的数学模型，为分析、设计控制系统，整定控制器参数或改进控制系统提供必要的参考依据。由阶跃响应曲线确定过程得数学模型，首先就要选定模型得结构，然后再由阶跃响应曲线确定过程的放大系数、时间常数以及时间滞后，就可以得到被控过程的数学模型。
进水流量和主管道流量模型
关闭副管道回路控制系统，利用主管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。
图3-3 手动模式给定阶跃响应曲线
首先将阀的开度设置为20%，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。突然改变阀的开度，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3所示。
图中红线为阀的开度曲线，可以看出是一个阶跃信号。粉红色曲线为电磁流量曲线，通过放大可以近似为无滞后一节惯性模型。可以假设流量变化模型为：
000()1
K W s T s =+ （） 一阶非周期过程比较简单，只需确定放大系数0K 及时间常数0T 即可获得传递函数模型。
确定静态放大系数0K ：利用所测取的阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值
)(∞y ，如图4所示，放大系数0K 为：
x y y K ?-∞=)]0()([0 （）
确定时间常数0T ：由响应曲线起点作切线与)(∞y 相交点在时间轴上的投影，就是时间常数0T 。由于切线不易作准，从式（3-15）可知)(632.0632.0)(00∞?=?=?y x K T y ，所以响应曲线)(632.0)(1∞=y t y 所对应的时间1t 就是时间常数0T ，同理响应曲线)(865.0)(2∞=y t y 所对应的时间2t 是2倍时间常数，即02T 。
0(y (∞y 00(865.0?y (632.0?y y
图3-4 无滞后一阶对象的响应曲线
通过wincc 界面测得数据，电磁流量初始稳态值y1=，给定幅值R ?%为10%阶跃响应后重新达到稳态值y2=。可以计算出：
300.25170.1885[()(0)] 6.321010
K y y R --=∞-?==? （） 同时可以计算出T 0时刻电磁流量值：
0(0.25170.1885)0.6320.18850.2063T y =-?+= （）
可以对应查找t
1%)的值如下表所示：
表3-1 电磁流量T 0时刻表
由此可以计算出T 0的值：
0108T t t s =-= （）
综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：
30 6.3210()81
W s s -?=+ （） 进水流量和上水箱液位模型
图3-3所示黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和主管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为：
01111()1
T s W s K T s +=+ （） 但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即10T T >>，所以模型可以近似
为一阶惯性模型：
111()1
K W s T s =+ （） 通过Wincc 界面测得数据，电磁流量初始稳态值h1=，进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把最大值和最小值换算成100%的阶跃，当阀的开度为100%时，电磁流量为，所以有：
0.25170.1885%100%0.6948
x -?=? （） 重新达到稳态值h2=。可以计算出K 0，同时可以计算出T 0时刻电磁流量值：
0[()(0)] 1.19K h h x =∞-?= （）
0(13.60 2.90)0.63213.609.66T h =-?+= （）
可以对应查找h 1%)的值如下表所示：
表3-2 上水箱液位T 1时刻表
由此可以计算出T 0的值： 110160T t t s =-= （）
综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：
1 1.19()1601
W s s =+ （）
副回路流量与上水箱液位数学模型
关闭主管道回路控制系统，利用副管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将变频器输出频率设置为30Hz ，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。
突然改变变频器输出为35Hz ，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3-5黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和副管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为：
2221()1
Ts W s K T s +=+ （）
图3-5 副回路手动模式给定阶跃响应曲线
但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即1T T >>，所以模型可以近似为一阶惯性模型：
222()1
K W s T s =+ （） 通过wincc 界面测得数据，电磁流量初始稳态值h1=，副管道进水流量近似为阶跃响应，同样，计算其幅值时可以把变频器输出最大值和最小值换算成100%的阶跃，当变频器最大为60HZ 时，涡轮流量为。于是：
0.19130.091%100%0.4513
x -?=? （） 重新达到稳态值h2=。可以计算出K 0同时可以计算出T 2时刻电磁流量值：
0[()(0)]0.78K h h x =∞-?= （）
2(18.25 2.092)0.63218.2512.304T h =-?+= （）
可以对应查找h 1%)的值如下表所示：
表3-3 上水箱液位T 2时刻表
由此可以计算出T 0的值： 210169T t t s =-= （）
综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：
20.78()1691
W s s =+ （） 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型
下水箱液位高度曲线如下图绿色曲线所示：
图3-6 下水箱液位高度曲线
从图可以看出为S 状的阶跃响应曲线若对模型精度要求较高，则应采用二阶对象的模型结构，故可以假设下水箱液位和进水流量液位之间的模型为：
312()(1)(1)
o K W s T s T s =++ （） 式中，0K 、1T 、2T 的求法如下：
第一，求取过程的静态放大系数0K 。
3[()(0)]=1.3K y y x =∞-? （）
第二，1T 、2T 可根据阶跃响应曲线上的两个点来确定，如图7所示，首先读取)
(4.0)(1∞=y t y 和)(8.0)(2∞=y t y 所对应的时间1t 和2t 值，测量时刻如表3所示。由此可以计算出1238t s =，2510t s =。然后利用下式计算1T 、2T 。
图3-7 S 状阶跃响应曲线
表3-4 双容下水箱液位时刻表
计算发现46.021=t t ，可采用下式所示的二阶环节近似，即：
332
3()(1)K W s T s =+ （） 此时，时间常数为：
123171.562 2.18
t t T +==? （） 综上所述可知双容水箱串级下水箱液位与进水流量模型
2
1.3()(171.561)o W s s =+ （） 4 单容水箱液位的单回路控制系统设计
结构原理
在设计过程控制系统时，如何选择控制器，以满足生产工艺要求至关重要，如果选择不当，可能根本达不到控制要求。本次课程设计通过对PID 控制器参数整定，进一步熟悉了过程控制系统设计过程。
单回路控制系统的控制原理图如图4-1所示。
图4-1 单回路控制系统原理图
根据原理图可以画出对应的系统方框图如下：
图4-2 单回路控制系统的控制原理方框图
PID 控制器是调节器，需要我们手动设置参数，其传递函数为：
1()(1)c d i W s K T s T s
=++ （） 调节阀为气关阀，随输入信号增大通过水流量也增大。上水箱液位控制过程之前已经建立过模型，其传递函数为：
0()1
o o K W s T s =+ （） 当工作模式切换到自动模式时，PID 控制器工作。手动设定液位高度，液位检测器检测实际水箱液位高度与设定值进行比较，如果有偏差，通过PID 控制器，可以改变调节阀的开度，从而改变水箱液位高度，使得水箱液位与设定值相等。
当出现扰动使液位高度改变时，通过PID 控制器同样能使液位高调节到设定值不变。
单容水箱控制器PID参数整定
系统设计需要调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。本次课程设计中采用经验凑试法整定PID参数，达到的控制效果满足控制要求。
经验凑试法（现场凑试法）是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上，直接在闭环控制系统中通过改变设定值施加扰动，观察过渡过程曲线形状，运用δ、
I
T、D T对过渡过
程的影响为依据，按规定的顺序对比例度δ、积分时间
I
T和微分时间D T逐个进行反复凑试，直到获得满意的控制质量．
本次课程设计认为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用以消除余差，最后加入微分作用以进一步提高控制质量。
实验操作时,需要把控制方式切换到自动模式，首先设定积分时间常数∞
=
I
T，微分时间常数0
=
D
T，比例系数P从小到大改变以试出比较理想的控制效果。
单容水箱比例系数Kp的整定
如图4-3、图4-4所示为调试比例系数过程，K
P
=5时达到稳定的时间比较大，需要增大
比例作用，所以K
P 应该增大。当K
P
=18时达到稳定的时间短，超调也很小，所以认为此时比
例系数比较合理。
图4-3 K P=5控制效果图4-4 K P=18控制效果
但是图4-4所示的液位高度设定值是22，而达到稳定时液位高度为，存在比较大的偏差，所以需要引入积分作用。
单容水箱积分时间参数整定
根据经验凑试法调节步骤，首先将比力度放大10%~20%,取K=15不断调节T
I
的大小，使之达到合适的效果。
图4-5 T I=104ms 图4-6 T I=7×104ms 图4-7 T I=8×104ms
如图3-12所示，当T
I
=104ms，阶跃响应震荡过于剧烈，积分作用太强，应该减弱积分作
用，增大T
I 。T
I
=7×104ms，递减比为:1。控制效果比较好，再增大积分时间时，递减比反而
增大，如图12，T
I =8×104ms，递减比为:1。综合以上叙述可知，T
I
=7×104ms相对最合理。
从实验效果来看可以不加微分作用就能满足要求。而实际上单容水箱滞后不明显，可以不加微分。为了加强对控制系统设计的了解，我们仍然引入了微分作用，但是改善效果作用不大。
单容水箱微分时间参数整定
先将比例度减小10%~20%，取K
P =，时间常数T
I
=7×104ms，调节微分作用。T
D
=×104ms时
效果比较好，从图4-8所示。
从图可以看出，引入微分起到的效果并不太理想，所以可以不加微分，只用PI调节。
图4-8 PID调节效果
单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线
通过PID控制器参数的整定，可以使输出稳态值达到设定值，且响应速度比较快，控制效果好。但是要评价一个系统的好坏，不能只看输出值是否能达到设定值，还要看系统是否有抗干扰能力。工业现场有很多因素会影响控制过程，我们称之为扰动。为检验系统是否有抗干扰能力，可以在控制系统达到稳态时，打开旁路干扰阀，不同开度的旁路阀可以模拟不同的阶跃扰动。
图4-9 旁路阶跃扰动
如图4-9所示，当系统达到稳态时，打开一个较小开度的旁路阀，通过PID控制器的调节，能很快抑制干扰。但是如果旁路阀开度太大，即干扰太大，超出了系统的调节范围，此时调节阀开度已经为0，但系统却无法重新平衡，水箱液位曲线呈发散状态。从整体效果来看，控制系统能抑制较大的干扰，而且能快速响应扰动，控制效果好。
单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线
我们都知道，工业现场有很多因素会干扰控制效果，也有很多通道会出现这种干扰，刚刚我们通过改变旁路阀的开度来模拟旁路通道扰动对控制系统的影响。为了进一步检验系统的抗干扰能力，我们选择打开副回路进水阀，模拟系统扰动因素，通过给副回路进水阀不同开度可以不同幅值的阶跃扰动。
如图4-10所示，当系统达到稳态时，给副回路进水阀一个合适的开度，通过PID控制器
的调节，能很快抑制干扰。但是如果开度太大，即干扰太大，超出了系统的调节范围，此时调节阀开度已经为0，但系统却无法重新平衡，水箱液位曲线呈发散状态。从整体效果来看，再次说明控制系统能抑制较大的干扰，而且能快速响应扰动，控制效果好。
图4-10 副回路阶跃扰动
干扰频繁剧烈变化的解决办法
如果干扰频繁剧烈变化，一般可以通过设计串级控制系统和前馈控制系统来解决。但是两种方法有不同的适应条件。例如可测不可控干扰无法设计前馈控制系统来抑制干扰。而可测可控的因素可以通过设计串级控制系统，快速抑制扰动。在已知被控过程传递函数的情况下，前馈控制系统理论上可以完全消除干扰。
因为旁路流量是可以测量也可以通过调节变频器的输出来控制，如果旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，可以设计串级控制系统来抑制扰动对控制质量的影响。
而副回路进水是可测不可控的量，所以只能设计前馈控制系统来抑制扰动对控制质量的影响。
5 双容水箱液位的单回路控制系统设计
双容水箱单回路控制系统原理
双容水箱单回路控制系统是由两个水箱，一个液位高度检测器，一个控制器，一个调节阀组成，控制对象是下水箱液位。控制原理与单容水箱一致，不同的是，双容水箱有较大的容量滞后，所以PID控制器的设计比较麻烦，而且如果仅仅通过负反馈调节，有时候不一定能达到控制要求。本次课程设计可能由于设备的原因，调节效果不是很理想，没有达到需要的控制指标，所以采用MATLAB进行仿真模拟双容水箱PID控制器设计过程。
双容水箱单回路控制原理图和对应的系统方框图如下：
图5-1 双容水箱单回路控制系统原理图
图5-2 双容水箱单回路控制系统的控制原理方框图 PID 控制器是调节器，需要我们手动设置参数，其传递函数为：
1()(1)c d i W s K T s T s
=++ （） 调节阀为气关阀，随输入信号增大通过水流量也增大。上水箱液位控制过程之前已经建立过模型，下水箱液位控制过程机理与双水箱液位一样，其传递函数形式都为：
0()1
o o K W s T s =+ （） 综合来看，双容水箱串联可以写成两个水箱过程相乘，通过之前的建模可以知道其传递函数为：
32
1.3()(171.561)W s s =+ （） 与单容水箱单回路控制系统类似，当工作模式切换到自动模式时，PID 控制器工作。手动设定液位高度，液位检测器检测实际水箱液位高度与设定值进行比较，如果有偏差，通过PID 控制器，可以改变调节阀的开度，从而改变水箱液位高度，使得水箱液位与设定值相等。与单容水箱单回路控制系统不同的是，双容水箱液位控制有滞后，调节时间长，PID 参数整定比较麻烦。
当出现扰动使液位高度改变时，通过PID 控制器同样能使液位高度调节到设定值稳定不变。
双容水箱控制器PID 参数整定仿真实验
可能因为实验设备的原因，无法完成PID 参数整定实验，所以我们对于双容水箱液位控制系统控制器设计采用MATLAB 仿真，以熟悉控制系统设计过程。
与实验单容水箱单回路控制系统实验过程一样，采用经验凑试法完成PID参数整定MATLAB仿真实验。
比例参数的整定
双容水箱比例参数整定仿真过程如下，如图5-3，图5-4，图5-5所示。
图5-3 双容水箱K=8 图5-4 双容水箱K=
图5-5 双容水箱K= 图5-6 双容水箱K=
如图5-3所示，K=8时，曲线响应快，但是曲线波动太大，说明比例作用太强，应减小K，当K=时，曲线响应平缓，说明比例作用太弱，应该增大K。综合来看，当K=时，比较合理。积分常数参数的整定
图5-7 双容水箱Ti= 图5-8 双容水箱Ti=
图5-9 双容水箱Ti=
如图所示，积分作用Ti=时，曲线太平缓，作用太弱，需要增大Ti。Ti=时作用，超调太大，需要且达到稳态时间太长，需要减小Ti。Ti=时，超调较小，上升时间和稳态时间都比较短。所以Ti=比较合理。
微分常数参数的整定
K=，Ti=的情况下，整定微分作用。
图5-10 双容水箱Td=100 图5-11 双容水箱Td=
图5-12 双容水箱Td=
如图所示双容水箱Td=100时，微分作用太大，需要减小Td，Td=和Td=时效果不是很明显，但是放大图仔细观察Td=时效果稍微好一些。
双容水箱抗干扰能力检验
利用MATLAB仿真在采样t为1400时刻加入一个扰动，观察双容水箱控制器参数整定后抗
干扰能力。有图31可以看出，通过控制器PID参数的整定，双容水箱可以抑制扰动对水箱液位高度的影响。
图5-13 双容水箱抗干扰能力
双容水箱提高控制质量方法
无论是实验，仿真，还是实际生产过程，双容水箱液位控制由于存在较大的容量滞后而使得响应缓慢，减弱了控制作用。响应时间慢，超调增大。在这种情况下，首先可以通过引入微分作用抵消部分滞后造成的影响。
但是双容水箱的液位控制调节时间长，动态偏差也较大，是典型的大滞后系统。若采用简单液位信号单回路控制进水流量很难达到理想效果，因此，可以选用串级控制系统，以充分利用其改善过程的动态特性、提高其工作频率的特点。为此，可选择一个滞后较小的副参数，组成一个快速动作的副回路，以减小等效过程的时间常数，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。因为实际液位受到进水流量的直接影响，应采用串级回路调节。
图5-16 上下水箱液位串级原理图
根据原理图可以画出方框图如下图所示。
图5-17 上下水箱液位串级方框图
6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计
水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统原理图如下，该系统相对于单回路控制系统而言，抑制干扰能力强。干扰对液位的的影响首先会引起流量的变化，流量检测器检测到流量变化之后，首先通过内环进行快速调节，如果扰动较小，内环能消除干扰，如果扰动较大，通过内环能快速抑制扰动，再通过外环作用完成水箱液位控制。使液位达到稳态值。总而言之，串级能过加快控制器消除扰动对液位高度稳态值的影响，提高抗干扰性能。
图6-1 上水箱液位与进水流量的串级原理图
根据上水箱液位与进水流量的串级原理图可以画出对应的方框图如下所示：
图6-2 上水箱液位与进水流量的串级方框图
为使串级控制系统运行在最佳状态，必须对其参数进行正确整定。串级控制系统有主环和副环两个回路，也就有主、副两个控制器，其中任一控制器的任一参数值发生变化，对整个串级系统都有影响。因此，串级控制系统控制器的参数整定比单回路控制系统要复杂一些。但整定的实质却是相同的，这就是通过改变控制器的参数，来改善控制系统的静、动态特性，以获得最佳的控制质量。串级控制系统从主回路来看，是一个定值控制系统，因而其控制质量指标和单回路定值控制系统是一样的。从副回路来看，它是一个随动系统，一般讲，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。
根据实际串级系统，可以将串级控制系统分为主，副两个闭合回路的实际情况，分两步进行。第一步整定副控制器参数；第二步，把已整定好的副控制器视为串级控制系统的一个环节，对主控制器参数进行整定。这就是所谓两步整定法。利用下图通过MATLAB对上述要求进行仿真。
图6-3 上水箱液位与进水流量的串级仿真结构图
串级副回路参数整定
图6-4 串级回路内环k=1 图6-5 串级回路内环k=10
图6-6 内环K=10抗干扰能力图6-7 内环k=100抗干扰能力
图6-8 K=300抗干扰能力图6-9 K=400抗干扰能力
因为副回路是一个随动系统，对它的控制质量要求不高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。所以只需加比例作用并进行整定。
如上述几个图可以看出PID参数整定过程，内环比例系数K在一定范围内越大越好，比例系数越大，阶跃响应时间越短，且抗干扰能力越强。但是如果内环K太大容易引起不稳定。如下图所示。所以选取内环比例作用K=400。
成都理工大学工程技术学院《过程控制系统课程设计实验报告》 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号：
目录 前言 一．过程控制概述 (2) 二．THJ-2型高级过程控制实验装置 (3) 三．系统组成与工作原理 (5) （一）外部组成 (5) （二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块 (5) （三）其它模块和功能 (8) 四．调试过程 (9) （一）P调节 (9) （二）PI调节 (10) （三）PID调节 (11) 五．心得体会 (13)
前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的建设应紧紧围绕这一思想进行。 首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面的基础训练基地。通过对基础训练设施的 集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、 电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的综合训练基地，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。 第三，以创新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设创新教育基地。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 课程设计说明书（论文） 课程名称：自动控制理论课程设计 设计题目：直线一级倒立摆控制器设计 院系：电气学院电气工程系 班级： 设计者： 学号： 指导教师： 设计时间：2016.6.6-2016.6.19 手机： 工业大学教务处
*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
直线一级倒立摆控制器设计 摘要：采用牛顿—欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型。采用MATLAB 分析了系统开环时倒立摆的不稳定性，运用根轨迹法设计了控制器，增加了系统的零极点以保证系统稳定。采用固高科技所提供的控制器程序在MATLAB中进行仿真分析，将电脑与倒立摆连接进行实时控制。在MATLAB中分析了系统的动态响应与稳态指标，检验了自动控制理论的正确性和实用性。 0.引言 摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，通过倒立摆系统实验来验证我们所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。 本次课程设计中以一阶倒立摆为被控对象，了解了用古典控制理论设计控制器(如PID控制器)的设计方法和用现代控制理论设计控制器(极点配置)的设计方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法。 1.系统建模 一级倒立摆系统结构示意图和系统框图如下。其基本的工作过程是光电码盘1采集伺服小车的速度、位移信号并反馈给伺服和运动控制卡，光电码盘2采集摆杆的角度、角速度信号并反馈给运动控制卡，计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车运动方向、移动速度、加速度等)，并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，通过皮带带动小车运动从而保持摆杆平衡。
湖南工程学院 系统综合训练报告 目录 概述 二硬件介绍说明 (4)
2.1电动调节阀 (4) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.2扩散硅压力液位变送器 (5) 2.4远程数据采集模块ICP-7017、ICP-7024面板 (5) 三.软件介绍说明 (7) 3.1工艺流程 (7) 3.2制作总体回路 (8) 3.2制作总体回路 (9) 四.调试结果与调试说明 (11) 4.1调试说明： (11) 4.2调试结果 (12) 五．实训心得12
第1 章系统总体方案 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。单容水箱是个比较简单的控制系统，因为在该设计中，只要控制一个液位的高度，初步设计采用水泵恒定抽水，改变电动调节阀的开度来控制水的流量从而控制水箱液位的高度。本设计选用压力传感器对液位高度进行测量，将测量的值与系统的给定值进行比较，来确定阀的开度。 1.1被控参数的选择 根据设计要求可知，水箱的液位要求保持在一恒定值。所以，可以直接选取水箱的液位作为被控参数。 1.2控制参数的选择 影响水箱液位有两个量，一是流入水箱的流量。二是流出水箱的流量。调节这两个流量的大小都可以改变液位高低，这样构成液位控制系统就有两种控制方案。 对两种控制方案进行比较，假如系统在停电或者失去控制作用时，第一种通过控制水箱的流入量的方案将出现的情况是：水箱的水将流干；第二种通过控制水箱的流出量的方案则会形成水长流或者水溢出的情况，因此，选择流入量作为控制参数更加合理。 1.3调节阀的选择 在工程中，当系统的控制作用消失时，如果调节阀没有关闭则会造成水的浪费甚至出现事故，因此，需要关闭调节阀。故选择电动气开式调节阀。
过程控制课程设计 设计题目：贮槽液位控制系统设计 学院：电气工程学院 专业：自动化 班级：091班 2012年6月4日
小组成员： 序号学号姓名设计分工 16 0902100138 姚航程总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 17 0902100140 韦寿德测量变送器的选型、控制参数的整定、查阅 资料 18 0902100141 张印测量变送器的选型、控制参数的整定 19 0902100142 邓世杰调节阀的选型、水箱的建模 20 0902100147 杨奉志总方案的确定及原理、控制参数的整定、 simulink仿真 21 0902100148 钟昌帅simulink仿真、调节阀的选型 22 0902100149 李晓明控制器的选型、控制参数的整定、设计总结、 整理报告 23 0902100202 张凯强simulink仿真、水箱的建模、查阅资料 24 0902100203 农志兴调节阀的选型、水箱的建模 25 0902100204 袁剑波控制器的选型、查阅资料 26 0902100206 李季调节阀的选型、控制器的选型 27 0902100208 黄灵浩测量变送器的选型、水箱的建模、查阅资料 28 0902100209 谭雷调节阀的选型、水箱的建模 29 0902100213 吴高阳控制参数的整定、水箱的建模、查阅资料 30 0902100216 潘敏调节阀的选型、测量变送器的选型
目录 一、设计目的 (4) 二、设计任务及要求 (4) 三、工艺过程及要求 (5) 四、系统总体方案的选择及说明 (6) 五、系统结构框图与工作原理 (7) 1.系统结构框图 (7) 2.工作原理 (8) 3.水箱建模 (8) 六、各单元软硬件 (10) 1.控制对象 (10) 2.控制器 (10) 3.调节阀 (11) 4.差压变送器 (12) 七、参数的整定及仿真结果 (13) 1.经验法（现场实验整定法） (13) 2.常见被控量的PID参数选择范围 (13) 3.控制器各校正环节的作用 (13) 4.仿真结果 (14) 八、分析总结 (16) 设备清单 (17) 参考文献 (18)
北京理工大学珠海学院 课程设计 课程设计（C） 学院：信息学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 201 年月日 北京理工大学珠海学院
北京理工大学珠海学院 课程设计任务书 2011 ～2012 学年第 1 学期 学生姓名：专业班级：自动化 指导教师：工作部门：信息学院 一、课程设计题目水塔水位控制系统 二、课程设计内容： 1、硬件设计 （1）用80C51设计一个单片机最小控制系统。其中P1.0接水位下限传感器，P1.1接水位上限传感器，P1.2输出经反相器后接光电耦合器，通过继电器控制水泵工作，P1.3输出经反相器后接LED，当出现故障时LED闪烁；P1.4输出经反相器后接蜂鸣器，当出现故障时报警。 （2）用塑料尺、导线等设计一个水塔水位传感器。其中A电级置于水位10CM处，接5V电源的正极，B级置于水位15CM处，经4.7K下拉电阻接单片机的P1.0口，C 电级置于水位的20CM处，经4.7K下拉电阻接单片机的P1.1口。 （3）设计一个单片机至水泵的控制电路。要求单片机与水泵之间用反相器、光电耦合器和继电器控制，计算出LED限流电阻，接好继电器的续流二极管。 2、软件设计 （1）根据功能要求画出控制程序流程图。 （2）根据控制程序流程图编写80C51汇编语言或C51程序。 三、功能要求： 1、水塔水位下降至下限水位时，启动水泵,水塔水位上升至上限水位则关闭水泵。 2、水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态。 3、供水系统出现故障时，自动报警。 四、调试 1、在Kerl-uvision上单步调试，观察累加器寄存器存储器的运行之间是否正常。 2、将程序下载到仿真仪上，进行模拟仿真，检查程序工作是否正常。 3、将模拟水塔、传感器、控制电路和水泵联成一个完整的系统，进行整机调试，观察系统工作是否正常。 撰搞人教研室主任院长 签名 日期2010.10.6
实验上水箱液位定值控制系统 一. 实验目的 1．了解闭环控制系统的结构与组成。 2．了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 3．观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。 二. 实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 三. 实验原理 单回路控制系统的结构/方框图: 它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。其实验图如下：
过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给LC1，LC1控制电动调节阀的开度进而控制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。 四．实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1 五．实验内容及步骤 1．按图要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。 5．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验： 设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：
课程设计(论文) 题目名称： 课程名称： 学生姓名： 学号： 学院： 指导教师：
课程设计任务书
目录 摘要 (4) 引言 (5) 1几种方案的比较 (6) 1.1 简单的机械式控制方式 (6) 1.2 复杂控制器控制方案 (6) 1.3通过水位变化上下限的控制方式 (6) 2水塔水位控制原理 (8) 3电路设计 (9) 3.1原件的介绍 (9) 3.2引脚功能 (10) 3.3 水位检测接口电路 (13) 3.4报警接口电路 (14) 3.5 存储器扩展接口电路.................. .. (14) 4系统软件设计 (15) 4.1 流程图 (15) 4.2程序 (16) 5实验仿真 (18) 6结语 (19)
7参考文献 (19) 摘要 随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。 关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真
指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学 移通学院 自动控制原理课程设计报告 系部： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：2013年12 月 重庆邮电大学移通学院制
目录 一、设计题目 二、设计报告正文 摘要 关键词 设计内容 三、设计总结 四、参考文献
一、设计题目 《自动控制原理》课程设计（简明）任务书——供2011级机械设计制造及其自动化专业（4-6班）本科学生用 引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学环节，既有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。 一设计题目：Ｉ型二阶系统的典型分析与综合设计 二系统说明： 该Ｉ型系统物理模拟结构如图所示。 系统物理模拟结构图 其中：Ｒ＝1MΩ；C =1uF；R0=41R 三系统参量：系统输入信号：x(t)； 系统输出信号：y(t)；
四设计指标： 设定：输入为x(t)=a×1（t）（其中：a=5） 要求动态期望指标：M p﹪≤20﹪；t s≤4sec； 五基本要求： a)建立系统数学模型——传递函数； b)利用根轨迹方法分析和综合系统（学号为单数同学做）； c)利用频率特性法分析和综合系统（学号为双数同学做）； d)完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验； 六课程设计报告： 1.按照移通学院课程设计报告格式写课程设计报告； 2.报告内容包括：课程设计的主要内容、基本原理； 3.课程设计过程中的参数计算过程、分析过程，包括： （1）课程设计计算说明书一份； （2）原系统组成结构原理图一张（自绘）； （3）系统分析，综合用精确Bode图一张； （4）系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）； 4.提供参考资料及文献 5.排版格式完整、报告语句通顺； 6.封面装帧成册。
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图1-1为单容水箱液位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图。 图1-1 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定
值无偏差存在。图1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2 单容液位控制系统结构图 比例积分微分（PID ）调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P 、PI 、PID 调节系统的阶跃响应分别如图1-3中的曲线①、②、③所示。 图1-3 P 、PI 和PID 调节的阶跃响应曲线 二、单容水箱液位控制系统建模 t(s) T( c) . 1 e ss 2 3 1
上海电力学院 自动控制原理实践报告 课名：自动控制原理应用实践 题目：水翼船渡轮的纵倾角控制 船舶航向的自动操舵控制 班级： 姓名： 学号：
水翼船渡轮的纵倾角控制 一．系统背景简介 水翼船(Hydrofoil)是一种高速船。船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面(称为水翼飞航或水翼航行，Foilborne)，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。 水翼船的高速航行能力主要依靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。 航向自动操舵仪工作时存在包括舵机（舵角）、船舶本身（航向角）在内的两个反馈回路：舵角反馈和航向反馈。 当尾舵的角坐标偏转错误!未找到引用源。，会引起船只在参考方向上发生某一固定的偏转错误!未找到引用源。。传递函数中带有一个负号，这是因为尾舵的顺时针的转动会引起船只的逆时针转动。有此动力方程可以看出，船只的转动速率会逐渐趋向一个常数，因此如果船只以直线运动，而尾舵偏转一恒定值，那么船只就会以螺旋形的进入一圆形运动轨迹。 二．实际控制过程 某水翼船渡轮，自重670t，航速45节（海里/小时），可载900名乘客，可混装轿车、大客车和货卡，载重可达自重量。该渡轮可在浪高达8英尺的海中以航速40节航行的能力，全靠一个自动稳定控制系统。通过主翼上的舵板和尾翼的调整完成稳定化操作。该稳定控制系统要保持水平飞行地穿过海浪。因此，设计上要求该系统使浮力稳定不变，相当于使纵倾角最小。
上图：水翼船渡轮的纵倾角控制系统 已知，水翼船渡轮的纵倾角控制过程模型，执行器模型为F（s）=1/s。 三．控制设计要求 试设计一个控制器Gc（s），使水翼船渡轮的纵倾角控制系统在海浪扰动D （s）存在下也能达到优良的性能指标。假设海浪扰动D（s）的主频率为w=6rad/s。 本题要求了“优良的性能指标”，没有具体的量化指标，通过网络资料的查阅：响应超调量小于10%，调整时间小于4s。 四．分析系统时域 1.原系统稳定性分析 num=[50]; den=[1 80 2500 50]; g1=tf(num,den); [z,p,k]=zpkdata(g1,'v'); p1=pole(g1); pzmap(g1) 分析：上图闭环极点分布图，有一极点位于原点，另两极点位于虚轴左边，故处于临界稳定状态。但还是一种不稳定的情况，所以系统无稳态误差。 2.Simulink搭建未加控制器的原系统（不考虑扰动）。
单容液位定值控制系统 一、实验目的 1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。 2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。 3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。 4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。 5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置、AT-1智能仪表挂件一个、RS485/232转换器一个、RS485通讯线一根、计算机一台、万用表一个、软管若干。 三、实验原理 图3-6 中水箱单容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图 本实验系统结构图和方框图如图3-6所示。被控量为上小水箱（也可采用上大水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。 四、实验内容与步骤 本实验选择上小水箱作为被测对象（也可选择上大水箱或下水箱）。以上小水箱为例叙述实验步骤如下： 1. 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-3、F1-4、F1-6全开，将上小水箱出水阀门F1-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。 2. 管路连接：将工频泵出水口和支路1进水口连接起来；将支路1出水口和上小水箱
进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。 3. 采用智能仪表控制： 1）将“AT-1智能调节仪控制”挂件挂到网孔板上，并将挂件的通讯线插头通过RS485通讯线与RS485/232转换器连接到计算机串口1。 2）强电连线：单相I电源L、N端对应接到AT-1挂件电源输入L、N端。 3）弱电连线：上小水箱液位LT1的1-5V+、-端对应接到智能调节仪I的1-5V电压输入1、2端；智能调节I输出7、5对应接到电动调节阀控控制输入+ 、-端。 4）管路、阀门、接线检查无误后接通总电源开关，打开24V电源开关、电动调节阀开关、单相I开关。 5）检查智能调节仪基本参数设置：ctrl=1, dip=1,Sn=33, DIL=0，DIH=50，OPL=0,OPH=100,run=0。 6）打开上位机MCGS组态环境，打开“THPCAT-2智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验六、单容水箱液位定值控制实验”，进入“实验六”的监控界面。 7）先将仪表设置为手动状态，将磁力泵开关打到“手动”位置，磁力驱动泵上电打水，适当增加或减小仪表输出值，使水箱液位平衡在设定值。 8）按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。 9）待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： a.突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）。 b.将电动调节阀的旁路F1-5（同电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。 c.适当改变上小水箱出水阀F1-10开度（改变负载）。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。 图3-7 单容水箱液位的阶跃响应曲线 10)分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤9，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
基于PID的上水箱液位控制系统设计 过程控制系统课程设计 基于PID的上水箱液位控制系 统设计
一、课程设计任务书 1.设计内容 针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。 2.设计要求 1、以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 2、PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤120s； 3、组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线； 4、选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； 5、通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； 6、分析系统基本控制特性，并得出相应的结论； 7、设计完成后，提交打印设计报告。
3.参考资料 1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.2003 2.崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内） 3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.2007 4.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007 4.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日） 时间设计内容 2010年12月27日布置设计任务、查阅资料、进行硬 件系统设计 2010年12月28日～ 2010年12月29日 编制PLC控制程序，并上机调试； 2010年12月30日～2010年12月31日利用MCGS组态软件建立该系统的工 程文件 2011年1月2日～2011年1月4日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定 2011年1月5日～2011年1月6日系统运行调试，实现单容水箱液体 定值控制 2011年1月7日～ 2011年1月9日 写设计报告书 5.设计时间及地点 设计时间：周一～周五，上午：8：00～11：00 下午：1：00～4：00 设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 电气工程学院机房（320）
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
、液位控制系统的原理分析 1.1水箱液位控制系统的原理框图 本次课程设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单的控制系统， 所谓简单 液位控制系统通常是指有一个被控对象，一个检测变松单元一个控制器和一个执 行器所组成的单闭环负反馈控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统有着共同的特征，他们均有四个基本环节组成，即被控对象， 测量变送装置，控制器和执行器。对不同对象的简单控制系统尽管其具体装置和 变量不相同，但都可以用相同的方框图表示： 图1控制系统方框图 这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用 一个调节器保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控 制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度， 即控制的任务 是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。 根据控制框图，这是一个闭环反馈单 回路液位控制，采用工业智能仪表控制。 1.2被控过程传递函数的一般形式 根据被控过程动态特性的特点，典型工业过程控制所涉及及被控对象的传递 函数一般具有下述几种形式 1一阶惯性加纯迟延 2 二阶惯性环节加纯迟延 G(s) 二 k Ts 1 e s 1-1
3 N 阶惯性环节加纯迟延 二、建立被控对象数学模型 2.1求传递函数 根据阶跃响应的实验数据如表1 使用Matlab 编辑.m 文件，得出阶跃响应曲线。Matlab 程序如下: t = [0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800]; h = [0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20]; plot(t,h) grid on hold on 得到阶跃响应曲线再取0.39和0.62处的t 值如图2、图3 G(s) = (T i S 1)幽 1) V s (1-2) G(s) = K (Ts 1)n e —s (1-3) 上述3个公式只适用于自衡过程 个积分环节，即 G(s)二丄e 「s Ts G(s) - e 「s 71s(T 2 s +1) 对于非自衡过程，其传递函数应包含有一 (1-4) (1-5)
摘要 在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。过程时间常数一般比较小。以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置! 本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。 液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。而其中应用最广泛的就是PID 控制器。 这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。学会建立了最初的四种模型。接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。 关键词：水箱液位；PID控制；串级控制；前馈控制；经验凑试法
目录 1引言 (1) 2 实验设备 (2) 2.1 THJ-FCS型或THJ-3型高级过程控制系统实验装置 (2) 2.2计算机及相关软件。 (6) 2.2.1 SIMATIC WinCC简介 (6) 2.2.2 监控界面 (7) 3 设备工作原理及运行过程 (8) 3.1 设备工作原理 (8) 3.2 控制系统流程图 (9) 3.3系统投运及步骤 (10) 4 参数整定与结果分析 (12) 4.1 参数整定 (12) 4.1.1 比例（P）调节 (12) 4.1.2 比例积分（PI）调节 (14) 4.1.3 比例积分微分（PID）调节 (17) 4.2 结果分析 (19) 总结 (20) 参考文献 (21)
扬州大学水利与能源动力工程学院 课程实习报告 课程名称：自动控制原理及专业软件课程实习 题目名称：三阶系统分析与校正 年级专业及班级：建电1402 姓名：王杰 学号： 141504230 指导教师：许慧 评定成绩： 教师评语： 指导老师签名： 2016 年 12月 27日
一、课程实习的目的 （1）培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力； （2）掌握自动控制原理的时域分析法、根轨迹法、频域分析法，以及各种校正装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标； （3）学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试； （4）学会使用硬件搭建控制系统； （5）锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力，为今后从事控制相关工作打下较好的基础。 二、课程实习任务 某系统开环传递函数 G(s)=K/s(0.1s+1）（0.2s+1） 分析系统是否满足性能指标： （1)系统响应斜坡信号r(t)=t,稳态误差小于等于0.01； （2）相角裕度y>=40度； 如不满足，试为其设计一个pid校正装置。 三、课程实习内容 （1）未校正系统的分析： 1）利用MATLAB绘画未校正系统的开环和闭环零极点图 2）绘画根轨迹，分析未校正系统随着根轨迹增益变化的性能（稳定性、快速性）。 3）作出单位阶跃输入下的系统响应，分析系统单位阶跃响应的性能指标。 4）绘出系统开环传函的bode图，利用频域分析方法分析系统的频域性能指标（相角裕度和幅值裕度，开环振幅）。 （2）利用频域分析方法，根据题目要求选择校正方案，要求有理论分析和计算。并与Matlab计算值比较。 （3）选定合适的校正方案（串联滞后/串联超前/串联滞后-超前），理论分析并计算校正环节的参数，并确定何种装置实现。
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使 水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图 1-1为单容水箱液 位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的 选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之， 控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个 很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十 分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图 GK-07 图i-i 单容水箱液位控制系统的方块图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调 节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度3的大 小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分 电帖泵2 04 上水箱
（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数3, Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2单容液位控制系统结构图 比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中 二、单容水箱液位控制系统建模 2.1液位控制的实现 液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换,
过程控制课程设计——液位控制系统综合设计 目录 目录 0 1.引言 (1) 2.系统工作原理 (1) 3. 硬件设计部分 (2) 3.1控制回路硬件图 (2) 3.2系统硬件设计 (3) 3.3控制系统的结构组成 (3) 3.4 设备连接 (4) 4.PID控制器程序设计 (4) 4.1 PID原理如下 (4) 4.2 A/D、D/A转换控制环节 (5) 4.3 PID控制程序 (5) 5.设计总结及心得体会 (7) 参考文献 (8)
1.引言 液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。 本课程设计所控制的是单容下水箱液位，根据控制系统要求，设计采用过程控制器件液位变送器、电动调节阀以及可编程逻辑控制器组成单回路闭环控制系统。从而熟悉PID算法在过程控制中的应用和闭环回路调节系统的设计方法。 2.系统工作原理 整个液位控制系统采用典型的反馈式闭环控制，液位控制系统原理图如图2.1所示： 图2.1 液位控制系统原理图 图2.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID 调节系统的阶跃响应分别如图3-2中的曲线①、②、③所示。
金陵科技学院课程设计目录 目录 绪论 (1) 一课程设计的目的及题目 (2) 1.1课程设计的目的 (2) 1.2课程设计的题目 (2) 二课程设计的任务及要求 (3) 2.1课程设计的任务 (3) 2.2课程设计的要求 (3) 三校正函数的设计 (4) 3.1理论知识 (4) 3.2设计部分 (5) 四传递函数特征根的计算 (10) 4.1校正前系统的传递函数的特征根....... 错误！未定义书签。 4.2校正后系统的传递函数的特征根....... 错误！未定义书签。五系统动态性能的分析.. (13) 5.1校正前系统的动态性能分析 (13) 5.2校正后系统的动态性能分析 (15) 六系统的根轨迹分析 (19) 6.1校正前系统的根轨迹分析 (19) 6.2校正后系统的根轨迹分析 (21) 七系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.1校正前系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.2校正后系统的奈奎斯特曲线图 (244) 八系统的对数幅频特性及对数相频特性 (24) 8.1校正前系统的对数幅频特性及对数相频特性 (25) 8.2校正后系统的对数幅频特性及对数相频特性错误！未定义书签。总结 (267) 参考文献................................ 错误！未定义书签。
绪论 在控制工程中用得最广的是电气校正装置，它不但可应用于电的控制系统，而且通过将非电量信号转换成电量信号，还可应用于非电的控制系统。控制系统的设计问题常常可以归结为设计适当类型和适当参数值的校正装置。校正装置可以补偿系统不可变动部分（由控制对象、执行机构和量测部件组成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系统能满足事先要求的性能指标。常用的性能指标形式可以是时间域的指标，如上升时间、超调量、过渡过程时间等（见过渡过程），也可以是频率域的指标，如相角裕量、增益裕量（见相对稳定性）、谐振峰值、带宽（见频率响应）等。 常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。在工业控制系统如温度控制系统、流量控制系统中，串联校正装置采用有源网络的形式，并且制成通用性的调节器，称为PID（比例-积分-微分）调节器,它的校正作用与滞后-超前校正装置类同。
绪论 (1) 一课程设计的目的及题目 (2) 1.1课程设计的目的 (2) 1.2课程设计的题目 (2) 二课程设计的任务及要求 (3) 2.1课程设计的任务 (3) 2.2课程设计的要求 (3) 三校正函数的设计 (4) 3.1理论知识 (4) 3.2设计部分 (5) 四传递函数特征根的计算 (8) 4.1校正前系统的传递函数的特征根 (8) 4.2校正后系统的传递函数的特征根 (10) 五系统动态性能的分析 (11) 5.1校正前系统的动态性能分析 (11) 5.2校正后系统的动态性能分析 (15) 六系统的根轨迹分析 (19) 6.1校正前系统的根轨迹分析 (19) 6.2校正后系统的根轨迹分析 (21) 七系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.1校正前系统的奈奎斯特曲线图 (23) 7.2校正后系统的奈奎斯特曲线图......... 错误!未定义书签。4 八系统的对数幅频特性及对数相频特性...... 错误!未定义书签。 8.1校正前系统的对数幅频特性及对数相频特性 (25) 8.2校正后系统的对数幅频特性及对数相频特性 (27) 总结................................... 错误!未定义书签。8 参考文献................................ 错误!未定义书签。
在控制工程中用得最广的是电气校正装置，它不但可应用于电的控制系统，而且通过将非电量信号转换成电量信号，还可应用于非电的控制系统。控制系统的设计问题常常可以归结为设计适当类型和适当参数值的校正装置。校正装置可以补偿系统不可变动部分（由控制对象、执行机构和量测部件组成的部分）在特性上的缺陷，使校正后的控制系统能满足事先要求的性能指标。常用的性能指标形式可以是时间域的指标，如上升时间、超调量、过渡过程时间等（见过渡过程），也可以是频率域的指标，如相角裕量、增益裕量（见相对稳定性）、谐振峰值、带宽（见频率响应）等。 常用的串联校正装置有超前校正、滞后校正、滞后-超前校正三种类型。在许多情况下,它们都是由电阻、电容按不同方式连接成的一些四端网络。各类校正装置的特性可用它们的传递函数来表示，此外也常采用频率响应的波德图来表示。不同类型的校正装置对信号产生不同的校正作用，以满足不同要求的控制系统在改善特性上的需要。在工业控制系统如温度控制系统、流量控制系统中，串联校正装置采用有源网络的形式，并且制成通用性的调节器，称为PID（比例-积分-微分）调节器,它的校正作用与滞后-超前校正装置类同。