水箱液位控制系统(二)正文部分--毕业设计

前 言

自古以来，水就在人们的日常生活中扮演了重要的角色。水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血液！一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护 的给水系统是值得我们研究的课题。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。但其原理都大同小异。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。

水箱液位控制系统是进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象（双容水箱）和两阶系统对象（三容水箱）。用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。这种系统不仅适用于工业用水的控制，也适用于日常生活和农业生产上的液位控制。

1 系统结构原理

1.1自动控制系统的组成

（1）自动控制系统是由被控对象和控制装置组成的一个有机总体。被控对象的输出

量即被控量是要求严格加以控制的物理量；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。

（2）被控参数是所需控制和调节的物理量或状态参数化，即控制对象的输出信号，如房间温度、水箱水位。

(3)被控参数的预定值（或理想值）称为给定值 （设定值）。给定值与被控参数的

测量值之差称为偏差。

（4）取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程称为反馈。 （5）扰动是指除给定输入之外，对系统的输出有影响的信号的总称。

(6)传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理量信号（如电阻、电势、电流、

气压、位移）的元件或仪表，如热电阻、热电偶等，如果传感器所发出的信号与后面控制所要求的信号不一致时，则需要增加一个变送器，将传感器的输出信号转换成后面所要求的信号。

(7)控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据比较结果的偏差大小，

按照预定的控制规律输出控制信号的原件或仪表。

（8）执行器是动力部件，它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开度，对控制对象施加控制作用，使被控参数保持在给定值。

1.2自动控制系统的分类

1.2.1按输入量变化的规律分类

恒值控制系统——系统的输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。

恒值控制系统分析、设计的重点是研究各种扰动对被控对象的影响以及抗扰动的措施。在恒值控制系统中，输入量可以随生产条件的变化而改变，但是，一经调整后，被控量就应与调整好的输入量保持一致。

随动系统——输入量是变化着，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。

随动控制系统的输入量是预先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量已尽可能小的误差跟随输入量的变化。在此类控制系统中，扰动的影响是次要的，系统分析、设计的重点是研究被控量 的快速性和准确性。

程序控制系统——输入量是按预定规律随时间变化的函数，要求被控量迅速、准确的加以复现。

程序控制系统和随动系统的输入量都是时间函数，不同之处在于前者是已知的时间函数，后者则是未知的任意时间函数，而恒值控制系统也可视为程序控制系统的特例。

1.2.2按系统传输信号对时间的关系分类

连续控制系统——各元件的输入量与输出量都是连续量或模拟量。 通常用微分方程

来描述。

离散控制系统——系统中有的信号是脉冲序列或采样数据量或数字量。通常用差分方程来描述。随着计算机被引入控制系统，使控制系统中有一部分不是时间的连续函数，而是一组离散的脉冲序列和数字序列。

1.2.3按系统的输出量和输入量间的关系分类

线性系统——系统全部由线性元件组成，它的输出量与输入量间的关系用线性微分方程来描述。 重要特性：可应用叠加原理。线性系统是一数学模型，是指用线性运算子组成的系统。相较于非线性系统，线性系统的特性比较简单。线性系统需满足线性的特性，若线性系统还满足非时变性（即系统的输入信号若延迟τ秒，那么得到的输出除了这τ秒延时以外是完全相同的），则称为线性时不变系统。非线性系统——系统中只要有一个元部件的输入-输出特性是非线性的，这类系统就成为非线性控制系统，这时要用非线性微分（或差分）方程描述其特性。非线性方程的特点是系统与变量有关，或者方程中含有变量及其导数的高次幂或乘积项。

1.2.4按系统中的参数对时间的变化情况分类

定常系统——系统的全部参数不随时间变化，它用定常微分方程来描述。假定某个系统的输入为x(t),相应的输出为y(t)。当输入经过t’的延时后，即输入为x(t+t’)

水 箱 液 位 控 制 系 统 毕 业 设 计

时，若输出也相应地延时t’，即输出y(t+t’)，那么这个系统即为定常系统。系统的输出与延时无关。

严格地说，没有一个物理系统是定常的，例如系统的特性或参数会由于元件的老化或其他原因而随时间变化，引起模型中方程的系数发生变化。然而如果在所考察的时间间隔内，其参数的变化相对于系统运动变化要缓慢得多，则这个物理系统就可以看作是定常的。定常系统分为非线性定常系统和线性定常系统。

时变系统——系统中有的参数是时间T的函数，它随时间变化而改变。时变系统的特点是，其输出响应的波形不仅同输入波形有关，而且也同输入信号加入的时刻有关。这一特点增加了分析和研究的复杂性。对于时变系统来说，即使系统是线性的,也只能采用时间域的描述。描述的基本形式是变系数的微分方程或差分方程。时变系统的运动分析比定常系统要复杂得多。

1.3 过程控制系统

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统称为过程控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。

一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。

1.3.1过程控制系统的特点

过程控制系统的特点是与其它自动控制系统相比较而言的，大致可归纳如下： 1、连续生产过程的自动控制

过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量地控制，而且应是连续可调的。若控制动作在时间上是离散的，但是其被控量需定量控制，也归纳入过程控制。 2、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。

3、被控过程是多种多样的最佳控制

在现代工业生产工程中，工业过程很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品品种多样，因此过程控制中的被控过程市多种多样的。

4、过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制

由于被控过程具有大惯性、大滞后等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。

5、过程控制方案十分丰富

随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂，对过程控制的要求也越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半数多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与工艺要求，过程控制中的控制方案是十分丰富的。通常有单变量控制系统，也有多变量控制系统；有仪表控制系统，也有计算机集散控制系统；有复杂控制系统，也有满足特定要求的控制系统。

1.4 PID控制系统的控制原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们 完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合 用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 （System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积

分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会 出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

1.5水箱液位控制系统结构原理

水箱尺寸：长×宽×高=25cm×20cm×40cm ,液位控制系统由被控水箱1、蓄水箱2,液位检测仪表差压变送器LT、调节器LC、调节阀Q1、Q2等组成。图1-1即为水箱液位控制系统原理图

图1-1 液位控制系统原理图

2 系统控制要求及指标

2.1水箱液位的控制要求：

液位：L=0.3m 稳态误差：ess≤±5mm 过滤时间：ts≤4分钟 衰减比：n＞4:1

在规定条件下激励时，在继电器的组成和形式相同的触点中、动作最快的触点的最小动作时间与动作最慢的触点的最大动作时间之差叫过渡时间。

衰减比n是衡量过度过程稳定性的动态指标，它是指过度过程曲线第一个波峰值与同相位第二个波峰值之比。

2.2对自动控制控制系统的基本要求：

自动控制理论是研究自动控制共同规律的一门学科。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统也都有不同的特殊要求，但对于各类系统来说，在已知系统的结构和参数时，我们感兴趣的都是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。但是，对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求都是一样的，且可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、快、准的要求。

(1) 稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。

(2) 准确性：实际情况下，由于系统结构，外作用形式以及摩擦、间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差存在，称为稳态误差。给定稳态误差和扰动稳态误差越小，表示稳态精度也越高。

(3) 快速性：控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求系统的响应。具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升时间﹑调整时间和峰值时间来表示。

自动控制的基本要求是它的稳定性。稳定性是指自动控制系统在外界干扰作用下，过度过程能否达到新的稳定状态的性能，系统的稳定程度用衰减比n或衰减率来衡量。衰减比n是衡量过度过程稳定性的动态指标，它是指过度过程曲线第一个波峰值与同相位第二

个波峰值之比。

用衰减比n判断控制系统是否稳定及克服干扰恢复平衡的快慢程度。n＜1时，系统为发散震荡，不稳定；n=1时，系统为等副震荡，也不稳定;n＞1时，系统为衰减震荡，是稳定过程。n太大，系统不灵敏，所以系统要工作在正常状态下，一般取n=4～10。

2.3 自动控制系统的基本控制方式 2.3.1 开环控制方式

开环控制方式是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有方向联系的控制过程，按照这种防止组成的系统称为开的环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。如工业上使用的数字程序控制机床。

图2-1 微型计算机控制机床（开环系统）

系统每一个输入信号，必有一个固定的工作状态和一个系统的输出量与之相对应，但是不具有修正由于扰动而出现的被控制量希望值与实际值之间误差的能力。

开环系统结构简单，成本低廉，工作稳定。但开环控制不能自动修正被控制量的误差、系统元件参数的变化以及外来未知干扰都会影响系统精度的。

2.3.2 反馈控制方式

反馈控制方式又称闭环控制方式是按偏差进行控制得当，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可以说，按反馈控制方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件多、 结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也比较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被 广泛应用的控制方式，自动控制理论主要的研究对象就是用这种控制方式组成的系统。

系统输出信号与输入端之间存在反馈回路的系统，叫闭环控制系统。闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。

图2-2 微型计算机控制机床（闭环系统）

在图中，引入了反馈测量元件，闭环控制系统由于有“反馈”作用的存在，具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化及外界扰动引起的误差，所以其控制效果好，精度高。闭环控制系统不足之处，除了结构复杂，成本较高外，一个主要的问题是由于反馈的存在，控制系统可能出现“振荡”。

2.3.3 复合控制方式

复合控制是闭环控制和开环控制相结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。

增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响所同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。两者的结合既能得到高精度控制，又能提高抗干扰能力。

3对象特征的求取

3.1理论分析计算法

液位高度L为输出变量，入水流量Q1为输入量。

由物料平衡原理

A:水箱截面积

Q1 Q2 A

dLdt

d L

增量式： （1） Q1 Q2 A

d t

Q2 L（2） R

定义： R液阻

R 流量变化液位变化

dL L

A Q1可求得： dtR

拉氏变换： AsL(s)+L(s)/R=Q1(S)

传递函数：(S)

LQ

(s)

RR S 1

KTs 1

K ：放大倍数＝R 时间常数 ：T＝RA

3.2实验测定法

初始稳定状态时：

DTL=3.5mA Q2=0.65kg/mm L1=15.7cm

输入阶跃变化则 DTL=5mA 阶跃响应曲线如下图3-1所示：

图3-1阶跃响应曲线

测得数据如下：

L2=25cm Q2=0.91kg/min Q2max=1.5kg/min L=30cm Q=1.1kg/min 可求得：

L25 15.7

R

0.362cmmin/kg K

Q20.91 0.65

T=AR=0.2×0.25×0.362=18分钟 对象特性传递函数为：

0.362L(S)

G

(s)

Q1

18s 1

为一阶惯性环节

(s)

4 传递函数的求取

4.1传递函数的概念与定义

所谓传递函数即线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换式与输入量的拉氏变换式之比。

设线性定常系统的微分方程一般式为

an

ddt

nn

c(t) an 1

mm

ddt

n 1n 1

c(t) a1

ddt

c(t) a0c(t)

bm

ddt

r(t) bm 1

ddt

m 1m 1

r(t) b1

ddt

r(t) b0r(t) （1）

式中c(t)为系统输出量，r(t)为系统输入量，a0，a1， ，an及b0，b1， ，bm均为由系统结构参数决定的实常数。

设初始条件为零，对式（1）两边进行拉氏变换，得

(ans an 1s

nn 1

a1s a0)C(s) (bms bm 1s

C(s)R(s)

bms bm 1sans an 1s

m 1

nm

m 1n 1

mm 1

b1s b0)R(s)

则系统的传递函数为

G(s)

m

b1s b0 a1s a0

（2）

令 M(s) bms bm 1s b1s b0

a1s a0

N(s) ans an 1s

式（2）可表示为

G(s)

C(s)R(s)

M(s)N(s)

nn 1

b0a0

（3）

若在式（2）中，令s 0，则有 G(0)

即为系统的放大系数。从微分方程（1）看，s 0相当于所有导数项为零，方程变为静态方程，

b0a0

恰好为输出、输入的静态比值。

传递函数是在初始条件为零（称零初始条件）时定义的。控制系统的零初始条件有两方面

含义：一是指输入作用是在t 0以后才作用于系统。因此，系统输入量及其各阶导数在t 0时的值为零；二是指输入作用加于系统之前，系统是“相对静止”的。因此，系统输出量及其各阶导数在t 0时的值也为零。实际的工程控制系统多属此类情况，这时，传递函数一般都可以完全表征线性定常系统的动态性能。

必须指出，用传递函数来描述系统动态特性，也有一定局限性。首先，对于非零初始条件，传递函数便不能完全描述系统的动态特性。因为传递函数只反映零初始条件下，输入作用对系统输出的影响，对于非零初始条件的系统，只有同时考虑由非零初始条件对系统输出的影响，才能对系统动态特性有完全的了解。其次，传递函数只是通过系统的输入变量与输出变量之间的关系来描述系统，亦即为系统动态特性的外部描述，而对系统内部其它变量的情况却不完全知道，甚至完全不知道。当然，现代控制理论采用状态空间法描述系统，可以克服传递函数的这一缺点。尽管如此，传递函数作为经典控制理论的基础，仍是十分重要的数学模型。

4.2传递函数的基本性质

从线性定常系统传递函数的定义式（2）可知，传递函数具有以下性质。

（1）传递函数是复变量s的有理真分式，而且所有系数均为实数，通常分子多项式的次数m低于（或等于）分母多项式的次数n，即m≤n。这是因为系统必然具有惯性，且能源又是有限的缘故。

（2）传递函数只取决于系统和元件的结构参量，与外作用形式无关。 （3）将式（2）改写成如下所谓“典型环节”的形式

m1

m2

2

2

G(s)

M(s)N(s)

K ( ks 1) ( ls 2 l ls 1) s

v

k 1n1

l 1n2

2i

(T

i 1

s 1) (Ts 2 jTjs 1)

j 1

2

2

j

2

（4）

数学上的每一个因子都对应着物理上的一个环节，我们称之为典型环节。 其中： K

s1Ts 11

1

放大(比例)环节 积分环节

惯性环节或非周期环节

振荡环节

Ts 2 Ts 1

22

s 1 一阶微分环节

2

2

二阶微分环节

s 2 s 1

我们所研究的自动控制系统,都可以看成由这些典型环节组合而成.

(4)一定的传递函数有一定的零、极点分布图与之对应。将式（2）写成如下零、极点形式

G(s)

M(s)N(s)

K(s z1)(s z2) (s zm)(s p1)(s p2) (s pn)

*

（5）

式中z1,z2, ,zm为传递函数分子多项式M(s)等于零的根，称为传递函数的零点

p1,p2, ,pn为传递函数分母多项式N(s)等于零的根，称为传递函数的极点。把传递函数

的零点和极点同时表示在复平面[s]上的图形，就叫做传递函数的零、极点分布图。图（4-1）

表示了传递函数G(s) 极点用“×”表示。

式（5）中常数“K*”称为传递函数的根轨迹增益。K*与K之间的关系为

*

s 2(s 3)(s 2s 1)

2

的零、极点分布情况，图中零点用“0”表示，

K K

1 2

T1T2

2

2

（5）

（5）传递函数的拉氏反变换，即为系统的脉冲响应。所谓脉冲响应，是指系统在单位脉冲函数 (t)输入下的响应，也称为脉冲过渡函数。因为单位脉冲的拉氏变换式等于1，因此

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

显然，系统的脉冲响应k(t)与系统传递函数G(s)有单值对应关系，故可以用来描述系统的动态特性，如图（4-2）所示。

（6）若令s j （即s j ，其中 0），这是传递函数的一种特殊形式，

G(s)|s j

1 1

=G(j )，称为频率特性。G(j )是用频率法研究系统动态特性的基础。显然，频

率特性也是描述系统动态特性的又一种数学模型。

4.3 传递函数的应用

传递函数主要应用在三个方面。

1、确定系统的输出响应。对于传递函数G（s）已知的系统，在输入作用u（s）给定后，系统的输出响应y（s)可直接由G（s）U（s）运用拉普拉斯反变换方法来定出。

2、分析系统参数变化对输出响应的影响。对于闭环控制系统，运用根轨迹法可方便地分析系统开环增益的变化对闭环传递函数极点、零点位置的影响，从而可进一步估计对输出响应的影响。

3、用于控制系统的设计。直接由系统开环传递函数进行设计时, 采用根轨迹法。根据频率响应来设计时，采用频率响应法。

5控制方案确定

5.1理论确定

如图示，系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到系统原来的起点，形成一个闭合回路，这种系统叫做闭环控制系统。在此闭环系统中，系统的输出信号是被控参数，它通过传感器（测量元件）这个环节再返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种将系统的输出信号引回到输入端的过程叫做反馈。被控参数的测量值称为反馈信号。反馈信号使系统原来的输入信号减弱的为负反馈；反之为正反馈。正、负分别用“+”和“-”表示，用“⊙”代表比较器。

当系统的被控参数受干扰而上升（或下降）时，我们希望通过控制使其尽快地回到给定值。如果采用正反馈，由于反馈的增强输入信号的控制，结果只能使被控制参数越升越高（或月降越低），使偏差越来越大。这在自动控制系统中是不能允许的。一般采用负反馈。

5.2闭环系统原理方框图与系统的结构图 5.2.1 系统结构图的组成和绘制

控制系统的结构图是有许多对信号进行单向运算的方框和一些信号流向线组成，它包含四中基本单元：

信号线 信号线是带有箭头的直线，箭头表示信号的流向，在直线旁标记的时间函数或象函数。

引出点（或测量点） 引出点表示信号引出或测量的位置，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。

比较点（或综合点） 比较点表示对两个以上的信号进行加减运算，“＋”号表示相加，“-”号表示相减，“+”号可省略不写。

方框（或环节） 方框表示对信号进行的数学变换，方框中写入元部件或系统的传递函数。显然，方框的输出变量等于方框的输入变量与传递函数的乘积。 即 C（s）=G（s）U（s），因此，方框可视作单向运算的算子。

在绘制系统结构图时，首先要考虑负载效应分别列写系统各元部件的微分方程或传递函数，并将他们用方框表示；然后，根据各元部件的信号流向，用信号线依次将各方框连接便得到系统的结构图。依次，系统结构图实质上系统原理图与数学方程两者的结合，既

补充了原理图所缺少的定量描述，又避免了纯数学的抽象运算。从结构图上可以用方框进行数学运算，也可以直观了解各元部件的相互关系及其在系统中所起到的作用；更重要的是，从系统结构图可以方便地求得系统的传递函数。所以，系统结构图也是控制系统的一种数学模型。

选择单回路闭环控制系统即可满足控制要求（如图5-1）方框图如下：

图5-1 系统原理方框图

闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的。当输出量偏离期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响，从而使系统具有自动修正被控制量偏离的能力，减小系统误差，较好地实现了自动控制的功能。

6仪表选择及应用

6.1电动单元组合仪表 DDZ-Ⅱ

DDZ-Ⅱ型电动组合仪是采用以晶体管为主要放大元件组成的仪表。采用0—10mA DC电流作为统一信号

图6-1 DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪

6.2调节器 DTL—321

将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器叫调节器。

图6-2 DTL调节器

DTL-321调节器目前在石油化工企业中用得比较广泛,该调节器采用了上下限限幅电路,

P=1～200% Ti=0～200s Td=0～300s

PID控制器（比例-积分-微分控制器），有比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

6.3伺服放大器、调节阀

伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电机的一种控制器伺服放大器。一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。图6-3为常用的一款电动伺服放大器。

图6-3 ZPE—3101电动伺服放大器

图6-4 ZAZ电动调节阀 其放大倍数 Q1 Z

Qmax QminImax Imin

1.510

K

v

0.15kg/mA

ZPE型电动伺服放大器是DKJ型、DKZ型电动执行机构的辅助单元，执行机构通行该单元接受调节器（或计算机）的调节信号，（4-20mA或0-10mA）并受该单元的控制，使执行机构按调节信号的大小，调整输出轴的转角或位移，实现执行器位移与信号成比例的目的。执行机构配置ZPE伺服放大器后，可以广泛应用于电站、冶金、石化、轻工等行业的过程自动调节系统。

调节阀（control valve），又名控制阀，在工业自动化过程控制领域中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。一般由执行机构和阀门组成。如果按行程特点，调节阀可分为直行程和角行程；按其所配执行机构使用的动力，可以分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三种；按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。调节阀适用于空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品等介质。

ZAZ(P/N/M)型电动调节阀由招待机械与各品种的阀体(单座阀、双座阀、套筒阀)组配而成，而具备了各种阀的特点。电动调节阀以单相交流220V电源为动力，接受统一的标准信号0-10mA-DC或4-20mA-DC，自动地控制阀门开度，达到对工艺流量、压力、温度、液位等参数的自动控制，是生产过程自动调节的重要

组成之一，该产品具有动作灵敏、能源取用方便、信号传输迅速等特点。广泛用于电力冶金、轻工、食品、石油、化工等工业的自动控制中。

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