自动控制原理水箱
自动控制原理答案——第一章
第1章 习 题1-1 日常生活中存在许多控制系统，其中洗衣机的控制是属于开环控制还是闭环控制？卫生间抽水马桶水箱蓄水量的控制是开环控制还是闭环控制？解：洗衣机的洗衣过程属于开环控制，抽水马桶的蓄水控制属于闭环控制。
1-2 用方块图表示驾驶员沿给定路线行驶时观察道路正确驾驶的反馈过程。
解：驾驶过程方块图如图 所示。
图 驾驶过程方块图1-3自动热水器系统的工作原理如图T1.1所示。
水箱中的水位有冷水入口调节阀保证，温度由加热器维持。
试分析水位和温度控制系统的工作原理，并以热水出口流量的变化为扰动，画出温度控制系统的原理方块图。
图T1.1 习题1-3图解：水位控制：输入量为预定的希望水位,设为H r, 被控量为水箱实际水位,设为H。
当H=H r时，浮子保持一定位置，冷水调节阀保持一定开度，进水量=出水量，水位保持在希望水位上。
当出水量增加时，实际水位下降，浮子下沉，冷水入口调节阀开大，进水量增加，水位上升直到H=H r。
同理，当出水量减少时，实际水位上升，浮子上升，冷水入口调节阀关小，进水量减少，水位下降直到H=H r。
温度控制：在热水电加热器系统中，输入量为预定的希望温度（给定值），设为T r，被控量（输出量）为水箱实际水温，设为，控制对象为水箱。
扰动信号主要是由于放出热水并注入冷水而产生的降温作用。
当T=T r时，温控开关断开，电加热器不工作，此时水箱中水温保持在希望水温上。
当使用热水时，由于扰动作用使实际水温下降，测温元件感受T<T r的变化，并把这一温度变化转换为电信号使温控开关接通电源工作，电加热器工作，使水箱中的水温上升，直到T=T r为止。
温度控制系统的原理方块图如图 所示。
图 热水电加热器控制原理方块图1-4 仓库大门自动开闭系统原理示意图如图T1.2所示。
试说明自动控制大门开闭的工作原理并画出原理方块图。
图T1.2 习题1-4图解：当合上开门开关时，电位器桥式测量电路的偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起，与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动。
自动控制系统综合实验报告——水箱液位控制
自动控制系统综合实验报告水箱液位控制J自动化0703班XXX学号：XXXXX`目录自动控制系统综合实验报告 (1)第一章现场总线控制系统（FCS）的组成 (1)一、系统简介 (1)二、系统组成 (1)1. 被控对象 (2)2. 检测装置 (2)3. 执行机构 (3)4. 控制器 (3)5. 空气压缩机 (3)三、总线控制柜 (3)四、系统软件 (3)1、SIEMENS简介 (4)2、STEPS简介 (4)3、WINCC简介 (4)第二章下位机程序的边协调是与下载 (5)一、STEP 7简介 (5)二、STEP 7的安装 (5)三、STEP 7的硬件配置和程序结构 (5)四、工程新建 (6)五、程序编写 (6)1、添加导轨(０)Rail (6)2、在机架的１号槽添加电源PS 307 5A (6)3、添加CPU 315-2 DP (7)4、添加PROFIBUS-DP通信总线 (8)5、添加以太网通信处理器CP 343-1 (8)6、添加以太网 (8)7、添加DP/PA 连接器IM 153-2 OD (9)8、添加分布式Ｉ/O设备ET200M (9)9、添加变频器MICROMASTER 4 (10)11、添加PROFIBUS-PA设备 (11)六、程序下载 (11)第三章上位机组态软件编写 (12)一、WINCC 概述 (12)二、WINCC的安装 (12)三、WINCC的通讯连接和画面组态方法 (12)1. 通讯驱动程序 (13)2. 通道单元 (13)3、连接 (13)4、WINCC变量 (14)四、WINCC组态程序的编写 (14)1．打开WINCC组态环境 (14)2．新建一工程 (15)3．组态变量 (16)4．画面组态 (20)5．实时曲线和历史曲线的组态 (23)6．添加按钮动作 (24)7．保存组态画面 (26)第四章基于OPC技术的matlab与wincc的数据交换 (27)第一节OPC技术简介 (27)第二节Matlab 作为客户端访问OPC服务器的通信流程 (30)第三节MATLAB 与WINCC 数据通讯的实现 (31)自动控制系统综合实验报告第一章现场总线控制系统（FCS）的组成一、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。
水箱液位控制课程设计-自动化
水箱液位控制课程设计-自动化-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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 (6)进水流量和上水箱液位模型 (8)副回路流量与上水箱液位数学模型 (9)双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (10)4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (11)结构原理 (11)单容水箱控制器PID参数整定 (13)单容水箱比例系数Kp的整定 (13)单容水箱积分时间参数整定 (13)单容水箱微分时间参数整定 (14)单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (14)单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (15)干扰频繁剧烈变化的解决办法 (16)5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (16)双容水箱单回路控制系统原理 (16)双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (18)比例参数的整定 (18)积分常数参数的整定 (19)微分常数参数的整定 (19)双容水箱抗干扰能力检验 (20)双容水箱提高控制质量方法 (20)6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 (21)串级副回路参数整定 (23)串级主回路参数整定 (24)串级主回路比例参数整定 (25)串级主回路积分参数整定 (25)串级主回路微分参数整定 (26)串级控制系统给定负阶跃响应曲线 (26)副回路进水流量剧烈变化解决办法 (27)7 副回路进水流量的前馈控制 (27)副回路进水流量和水箱上液位前馈-反馈复合控制系统 (27)前馈控制器模型的确立 (27)前馈-反馈复合控制系统PID参数整定 (28)前馈-反馈复合控制系统不加前馈控制器 (29)8 收获体会和建议 (29)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。
水箱液位自动控制系统设计2
目次摘要1症结词1引言21设计义务目标及请求21.1 设计目标21.2 设计请求22体系元件的选择3有自均衡才能的单容元件32.2 无自均衡才能的单容元件4单容对象的特点参数63控制器参数的整定73.1 参数的肯定73.2 电念头的数学模子93.3 控制体系的数学模子103.4 PID控制器的参数盘算104控制体系的校订114.1 控制器的正反感化124.2 串级控制体系125体系的稳固性剖析165.1 体系的稳固性剖析165.2 控制体系的稳态误差17停止语19参考文献20申谢21水箱液位主动控制体系道理摘要：水箱液位主动控制体系就是应用自身的水位变更进行调节和转变的体系,它自身具均衡才能,并由电念头带动下主动完成水位恢复的功效.水箱液位是由传感器检测水位变更并达到设定值时,水箱本身的阀门封闭,防止溢出,当检测液位低于设定值时,阀门打开,使液位上升,从而达到控制液位的目标.症结词：有自均衡才能.无自均衡才能.电念头.单容对象.体系稳固引言液位主动控制是经由过程控制投料阀来控制液位的高下,当传感器检测到液位设定值时,阀门封闭,防止物料溢出;当检测液位低于设定值时,阀门打开,使液位上升,从而达到控制液位的目标.在制浆造纸工场罕有有两种方法的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制,例如浆池和蒸汽闪蒸罐.液位主动控制体系由液位变送器（或差压变送器）.电动履行机构和液位主动控制器构成.依据用户须要也可采取控制泵启停或转变电机频率方法来进行液位控制.构造简略,装配便利,操纵轻便直不雅,可以长期持续稳固在无人监控状况下运行.1 设计义务目标及请求1.1 设计目标经由过程课程设计,对主动控制道理的根本内容有进一步的懂得,特殊是水箱液位体系的设计.能把本学期学到的主动控制理论常识进行实践,操纵.在进步着手才能的同时对经常应用的开闭环控制有必定的懂得,在体系设计方面有感性的熟悉.并且在进行体系设计的时刻碰到问题,经由过程自力的思虑有利于进步解决问题的才能.在经由课程设计后,更明确主动控制道理设计的一般办法,以及在碰到艰苦怎么清除问题.1.2 设计请求我选择的课程义务是设计一个水箱液位主动控制体系. 设计请求包含：1有自均衡才能的单元原件以及无自均衡才能的单元原件;2控制器具有正反感化;3体系具有自校订体系.2体系元件的选择有自均衡才能的单容元件假如被控对象在扰动感化下偏离了本来的均衡状况,在没有外部干涉的情形下（指没有主动控制某人工控制介入）,被控变量依附被控对象内部的反馈机理,能自蓬勃到新的均衡状况,我们称这类对象是有自均衡才能的被控对象.具有自均衡才能的单容对象的传递函数为这是个一阶惯性环节.描写这类对象的参数是时光常数T和放大系数K.图1单容水箱图1是单容水箱的示意图.我们已经推导过水箱的传递函数为个中T=RC,T称为水箱的时光常数.K称为水箱的放大系数.一阶体系的特点我们已经在时域剖析中进行了具体的评论辩论,所有结论都实用于单容对象.作为进程控制的被控对象,单容对象的时光常数比较大.2.2 无自均衡才能的单容元件图2单容积分水箱图2也是一个单容水箱.不合的是水箱的出口侧装配了一台水泵,如许一来,水箱的流出水量就与水位无关,而是保持不变,即流出量的变更量.在静态下,流入水箱的流量与水泵的排水量雷同都为Q,水箱的水位H保持不变.在流入量有一个增量时,静态均衡被损坏,但流出量其实不变更,水箱的水位变更纪律为式中C为水箱的横截面积.对上式两头求取拉普拉斯变换,可得水箱的传递函数：这是一个积分环节.它的单位阶跃响应为图3两种水箱变更的比较（a）单容积分水箱（b）有自均衡才能的单容水箱图3（a）是水位变更的曲线.为了比较,我们把具有惯性环节特点的水箱在单位阶跃输入下的水位响应曲线也画出来,如图3（b）所示.很明显,具有惯性环节特点的单容水箱,在输入感化下,水位经由一个动态进程后,可以从新达到一个新的稳固状况.而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动之后,水位则无穷地上升,永久不会达到一个新的稳固状况.我们称这种水箱为单容水箱.具有积分环节特点的单容对象的传递函数可以暗示为式中称为飞升速度.其单位阶跃响应为这是一条直线方程,如图3（a）所示.是直线的斜率.当被控对象本来的均衡状况被扰动感化损坏后,假如不依附主动控制某人工控制的外来感化,被控变量将一向变更下去,不成能达到新的均衡状况.我们称这类对象为无自均衡才能的对象.被控对象有无自均衡才能,是被控对象本身固有的特点.图4给出了两类水箱的方框图.图4（a）是有自均衡才能的单容水箱,从方框图中可以看出,水箱的水位既与流入量有关,也受流出量的制约,在被控对象内部形成了一个负反馈机制.当流入量增大时,将引起水位的上升.水位上升的成果,流出量就会增长.流出量的增大又限制了水位的进一步上升.经由一个动态进程后,总能从新找到一个均衡点,使流入量与流出量相等,水位不再变更.图4（b）是无自均衡才能的单容水箱,在其内部不消失负反馈机制,水位只与流量有关.具有自均衡才能的被控对象,本身对扰动有必定的战胜才能,控制机能较好.而无自均衡才能的被控对象,其传递函数的顶点位于虚轴上,是不稳固的.被控变量若要按请求的纪律变更,必须完整依附于对象外部的控制体系.图4 两种类型的单容水箱（a）有自均衡才能（b）无自均衡才能容量系数可界说为C=被控对象储存的物资或能量的变更量/输出的变更量.容量系数对不合的被控对象有不合的物理意义,如水箱的横截面积,电容器的电容量.热力体系得热容量等.在我们推导体系或环节的传递函数时,经常碰到T 称为体系或环节的时光常数,它是体系或环节惯性大小的量度.式中的R称为阻力系数.如电路的电阻,流体流淌的液阻,传热进程的热阻等.被控对象的容量系数,暗示了被控对象抵抗扰动的才能,如水箱的横截面积大,同样流入量下,水位上升得就慢.电路的电容量大,在同样充电电流下,电压上升得就慢.惯性环节的惯性,其根起源基本因就是因为它具有存贮才能.但这其实不是决议惯性大小的独一身分.还有另一个身分就是阻力系数.阻力系数是对流入存贮元件净流入量的制约.在R-C充电电路里,它限制了流入电容器的电流,在单容水箱中,它限制了水箱的净进水量.惯性环节因为其具备了自均衡才能,在其动态参数上,用时光常数来暗示,而单容积分环节则不消失阻力系数,只用容量系数就可以表征其特点.描写有自均衡才能单容被控对象的参数有两个：放大系数K和时光常数T,称为被控对象的特点参数.放大系数K暗示输入旌旗灯号经由过程被控对象后稳态输出是输入的K倍.对于同样的输入旌旗灯号,放大系数大,对应的输出旌旗灯号就大.K暗示了被控对象的稳态放大才能,是被控对象的稳态参数.T是描写被控对象惯性大小的参数,时光常数T越大,被控对象在输入感化下的输出变更得越慢.T是单容被控对象的动态参数.无自均衡才能的被控对象在输入感化下不会达到新的稳固状况,描写其机能的参数只有一个动态参数：飞升速度.3控制器参数的整定3.1 参数的肯定控制器参数的整定,对PID控制纪律来说,就是适当选择比例度（或比例放大系数）.积分时光常数和微分时光常数的值.控制器参数整定的办法有两类,一类是理论盘算法,一类是工程整定法.已知被控对象较精确的数学模子,可以应用理论盘算法.用传统的时域法.频率法.根轨迹法都可以进行整定,应用盘算机进行参数整定和优化的办法也很多.往往因为数学模子的原因,理论盘算得到的数据精度不高,但它却可认为工程整定法供给指点.工程整定法易于控制,是比较实用的办法.经常应用的工程整定法有稳固鸿沟法.衰减曲线法.响应曲线法等.稳固鸿沟法又称为临界比例度法.具体进程是,先将控制器变成比例控制器,逐渐减小比例带,直到消失等幅振荡.这是的比例度称为临界比例度,记为.记下两个波峰相距的时光（临界振荡周期）,依据和,按表一进行盘算.表一稳固鸿沟法盘算公式表（衰减率）控制纪律比例度（%）积分时光(min) 微分时光(min)衰减曲线法.衰减曲线法是使体系产生衰减振荡,依据衰减振荡参数来肯定控制器参数.工程上认为,衰减率(衰减比为4：1）时,体系的动态进程较合适.是以,一般都采取4：1衰减曲线来进行整定.具体进程是：先将控制器变成比例控制器,比例度取较大的值,给定值为阶跃函数,不雅察曲线的衰减情形.然后逐渐减小比例度,直到衰减比为 4：1,此时的比例度为,衰减周期为,如图5所示图5 4:1衰减曲线依据和,按表二进行盘算.表二衰减曲线法盘算表控制纪律比例度（%）积分时光(min) 微分时光(min)响应曲线法与以上两种办法不合.以上两种办法都是在闭环体系下进行的,而响应曲线轨则要测出体系的开环阶跃响应.把控制体系从控制器输出点断开.在调节阀上加一个阶跃输入,测量变送器的输出作为响应曲线.响应曲线一般的情势如图6所示.依据响应曲线可近似求出如下传递函数图6 体系的开环阶跃响应依据求出的K,T 和值 ,按表三盘算.表三响应曲线盘算表（衰减率）被控对象控制纪律3.2 电念头的数学模子直流电念头的数学模子.直流电念头可以在较宽的速度规模和负载规模内得到持续和精确地控制,是以在控制工程中应用异常广泛.直流电念头产生的力矩与磁通和电枢电流成正比,经由过程转变电枢电流或转变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制.在这种控制方法中,激磁电流恒定,控制电压加在电枢上,这是一种广泛采取的控制方法.设为输入的控制电压电枢电流为电机产生的主动力矩为电机轴的角速度为电机的电感为电枢导数的电阻为电枢迁移转变中产生的反电势为电机和负载的迁移转变惯量依据电路的克希霍夫定理整顿后式中：称为直流电念头的电气时光常数; 称为直流电念头的机电时光常数; ,为比例系数.直流电念头电枢绕组的电感比较小,一般情形下可以疏忽不计,可简化为3.3 控制体系的数学模子图7 进程控制体系构造图传递函数为控制器参数的肯定测的该控制体系开环阶跃响应的参数后得到的近似传递函数为3.4 PID控制器的参数盘算minmin4 控制体系的校订在工业临盆进程中,被控对象的特点其实不是不变的.当被控对象特点产生变更后,原定整定的 PID控制参数就不是最适合的参数了,必须从新整定.这将给持续化的临盆带来晦气的影响.有一种控制体系,能依据被控对象特点的变更或其他前提的变更,主动调剂控制体系的控制纪律和控制器的控制参数,使控制体系始终处于最佳状况,我们称这种控制体系为自顺应控制体系.能对控制器参数进行主动整定的自顺应控制体系成为自校订体系或自整定体系.图8 自校订体系的工作道理图8是自校整体系的工作道理图.自校订体系与一般控制体系比拟,增长了两种功效：一是依据控制器输出和被控对象输出剖析对象的特点,即对对象进行辨认;二是依据辨认成果盘算并转变控制器参数,称为决议计划.例如假定被控对象的模子为:对象辨认环节就会依据测量的值对K,T和进行估量.决议计划环节则依据求出的对象参数按划定的整定例则盘算出控制器参数并对控制器参数进行修正.4.1 控制器的正反感化控制体系要能正常工作,必须有一个负反馈控制体系.为了包管这一点,必须精确选择各环节的正反感化.控制器的正反感化是依据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系肯定的.被控变量测量值增长时,控制器的输出也增长,则控制器为正感化控制器,并划定其稳态放大系数为负.被控对象的测量值增长时,控制器的输出值减小,则控制器为反感化控制器,并划定器稳态放大系数为正.被控对象的输出与调节阀内的介质流量变更决议了被控对象的正反感化.介质流量增长,被控对象的输出也增长,则被控对象为正感化,划定其放大系数为正.介质流量增长时,被控对象输出减小,则被控对象为反感化,划定其放大系数为负.履行器气开式为正感化,气关式为反感化,并划定正感化调节阀的放大系数为正,反感化的为负.变送器的感化一般都是正感化,其放大系数为正.要包管体系是负反馈体系,构成体系的各环节的正反感化的乘积必须为正.这可用各环节的放大系数来暗示.即为正.这里相乘只取正符号盘算,不必盘算放大系数的具体数值.选择控制器的正反感化的步调是先依据工艺及安然请求肯定调节阀正反感化,被控对象的正反感化是固有的特点,测量变送器一般是正感化,所以往往可以清除在外,最后再选择控制器的正反感化,使的乘积为正.4.2 串级控制体系串级控制体系是在单回路控制体系的基本上成长起来的,对改良控制体系的控成品德异常有用,在进程控制中应用相当广泛,是一种典范的庞杂控制体系.图9夹套反响器的温度控制我们经由过程一个实例来解释串级控制道理.图九是夹套式反响釜温度控制的例子.反响釜中的放热化学反响所产生的热量必须被传输出去,以包管化学反响的温度前提.冷却水经由过程夹套把反应热带走.图9（a）是一个单回路控制体系.TT暗示温度测量变送器,TC暗示温度控制器.这个控制体系的构造图见图10.影响反响釜反响温度的身分来自反响物料和冷却水两个方面,用暗示物料方面的扰动,用暗示冷却水方面的扰动.因为这两个扰动的感化点不合,对反响釜温度的影响也不一样.若冷却水产生扰动,如冷却水进口水温度忽然升高或冷却水流量忽然减小,这个扰动经由夹套.反响釜的槽壁.反响釜（反响槽）才干对产生影响,因为被控对象热容量大,热传递进程的惯性很大.在产生变更后,控制器才干开大冷却水进水调节阀,加大流量,但影响到又要经由一个热传递进程.这将使反响釜的温度产生较大的误差.可见单回路体系不克不及知足控制的请求.因为冷却水方面的扰动会很快影响到夹套温度,假如把单回路控制体系改变成图9（b）的情势,即增长一个夹套温度控制体系,当冷却水扰动产生时,这个控制回路会立刻产生控制造用,稳固因为这个控制回路惯性小,反响快,很快会被稳固下来,根本上不受扰动的影响,控制质量就大大得到改良.图11是这个体系的构造图.图10 夹套反应器单回路温度控制体系图11夹套反响器串级温度控制体系图12 被控对象若被控对象可以分为两部分,称为进程Ⅰ,进程Ⅱ,如图12 所示.进程Ⅱ的输出是进程Ⅰ的输入,会对被控变量产生重大影响.一般情形下,进程Ⅱ的惯性较小,进程Ⅰ的惯性较大.对于这种情形,采取单回路控制计划,对产生在进程Ⅱ上的扰动,控制后果很差,采取串级控制方法,则能收到较为知足的控制后果.图13 串级控制体系的道理图串级控制体系的构造图见图13.串级控制系总共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路.副回路包含副控制器(副调节器),调节阀,副对象(即进程Ⅱ)和副变送器.产生在副回路内的扰动称为二次扰动.外部的控制回路称为主回路.主回路包含主控制器(主调节器),全部副回路,主对象(进程Ⅰ )和变送器.产生在主对象上的扰动称为一次扰动.假如把全部副回路当成一个等效环节,它串联在主回路的前向通道上.这就是串级控制名称的由来.串级控制在构造上有两个特色:一个特色是串级控制固然有两个控制器,两个变送器和两个测量参数,但仍然是一个单输入单输出体系,体系只有一个需工资设定的给定值,只有一个控制变量(即副控制器输出),只有一个履行机构,因而也只能有一个被控变量,这一点和单回路控制体系极其类似;串级控制的另一个构造的特色是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接收设定的给定值,所以全部串级控制体系是一个定值调节体系.副控制器的给定值是主控制器的输出,因为这个输出要跟着扰动而变更,所以副回路是一个随动体系.进程控制中还会经常碰到具有两个回路的控制体系,只要不相符以上两个特点,就不是串级控制体系.14是某个串级控制体系的构造图,图中标清楚明了各环节的传递函数.为了比较控制后果,图15给出了统一被控对象的单回路控制构造图.图14 串级控制体系当二次扰动进入副回路后,二次扰动至控制体系输出(称为主参数)的传递函数为而单回路体系, 至主参数的传递函数为:图15 单回路控制体系比较两式,串级体系的传递函数分母比单回路体系大的多.这解释,串级控制体系使二次扰动对主参数的增益明显减小,与单回路比拟,二次扰动的影响可以减小10-100倍.从感化道理上看,二次扰动起首影响副对象的输出（称为副参数）,副控制器立刻产生控制造用,因为副对象（或副进程）惯性较小,所以扰动的影响很快得到战胜,不会对被控变量产生大的影响.串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的战胜才能.这是串级控制的一个明显的特色.在设计串级控制体系时,必定要把被控对象的重要扰动包含在副回路内.这是设计串级控制体系的根起源基本则.对于一次扰动,是不经由副回路的.但副回路的消失却可以使副回路的等效传递函数的惯性大大减小,改良了体系的动态特点,加速了体系的响应速度.这是串级控制的另一个明显特色.在串级控制中,副回路主如果为了克制二次扰动,其实不要将二次扰动完整清除,所以精度请求其实不高,副控制器选比例控制就可以了.主回路的义务是包管体系输出与给定值一致,控制精度请求高,所以主控制器应选择比例积分（PI）或(PID)控制器.副回路起“粗调”感化,请求响应快,主回路起“细调”感化,请求精度高.这是选用主副控制器的原则.串级控制体系主副控制器参数定有多种办法.当主副对象惯性相差不大,主副回路互相影响时,可采取慢慢逼近法.即先断开主回路整定副控制器参数,然后再整定主回路参数,接着再次在闭环下整定副回路参数.先副后主,慢慢逼近,直到控制机能指标知足.二步整定法实用于主副对象时光常数相差较大的情形.在体系闭应时先整定副回路,然后把副回路当成一个环节,整定主回路.这种办法应用较广.如今,临盆进程的新技巧.新工艺以及新型的临盆装备都对主动控制提出了更高的请求.在新的控制理论指点下的很多高等.先辈的控制方法正在慢慢获得应用.例如最优控制体系,自顺应控制体系,猜测控制体系,智能控制体系等.5 体系的稳固性剖析5.1 体系的稳固性剖析已知体系的特点方程为用劳斯判据剖析体系的稳固性如下1 12106 1522显然,劳斯表第一列系数符号雷同,故体系是稳固的.5.2 控制体系的稳态误差开环传递函数暗示为式中K暗示体系的开环放大系数.N暗示开环传递函数所包含的积分环节数.在剖析控制体系的稳态误差时,我们依据体系开环传递函数所含的积分环节数来对体系进行分类.若N=0,即控制体系开环传递函数不含积分环节,称为0型体系.若N=I,则称为I型体系.N= Ⅱ,称为Ⅱ型体系.如今,我们来评论辩论不合类型的控制体系在典范输入旌旗灯号感化下的稳态误差. 单位斜坡函数输入的稳态误差.单位斜坡函数输入下控制体系的稳态误差为界说则体系的稳态误差为式中,称为速度误差系数.对于0型体系=0稳态误差为稳态误差为式中K为体系的开环放大系数.对于Ⅱ型体系稳态误差为在单位斜坡函数输入下,0型体系的稳态误差为无穷大.这解释0型体系不克不及跟踪斜坡函数.I型体系固然可以跟踪单位斜坡输入函数,但消失稳态误差,即I型体系对斜坡输入是有差的.若要在单位斜坡函数感化下达到无稳态误差的控制精度,体系开环传递函数必须含有二个以上的积分环节.经由过程对该体系的断定得知该体系是稳固的体系.设计对体系的各类情形进行了剖析,对主动控制理论有了深入的懂得.停止语此次设计重点从PID对体系进行了校订与控制,对体系的稳固性也进行了剖析,对体系所须要的部分元件也进行了须要的剖析,并对部分部件树立了数学模子设计消失缺少之处是对电源的要乞降电念头的请求高.此次设计对体系的时域剖析与频域剖析部分略了些,因为在设计处对此已经进行了深入的研讨和谈讨.设计同时参考了一些课外原料引入了一些新的名词,不过在文章中都有所介绍.设计填补了在进修上的一些缺少,丰硕了一些新的思绪在设计之中.此次课程设计充分的把我所学的常识用到实践中,并且使我初步控制了主动控制体系设计的根本办法.我们要先设计总体框架,然后把框架进行分化.剖析.我们只有把每个小模块都设计好了才干设计成大电路.在搭接电路时更应当如斯,我们搭完每个小模块时就要开端对它进行调试,调试成功今后再把模块一个一个衔接起来并且每接入一个模块就要进行调试.所以调试是一个很艰苦的阶段,我们必须做到仔细.耐烦.恒心;不然电路很难会成功.经由过程几周的课程设计,使我对主动控制体系有了进一步的懂得经由过程翻阅材料,上彀搜刮等,我对道理有了更深一层次的熟悉,既加强了我的懂得才能,也使我能更好的应用所学的常识.在此我要感谢先生的谆谆教诲和同窗们的帮忙,我信任这几天的不懈尽力会给我将来的进修带来很多的启示,我会在今后的工作生涯中更好的理论接洽现实,证实本身的才能.。
自动控制原理答案 第二版(孟庆明)
+
K1K3
2-2 解：对微分方程做拉氏变换
⎧ X1(s) = K[R(s) − C(s)]
⎪ ⎪
X
2
(
s
)
=
τ
sR
(s)
⎪⎪⎨⎪((Ts s++1)1X) X3(4s()s)==XX1(3s()s+)
X 2 (s) + X5(s
)
⎪C(s) ⎪
=
X 4 (s)
−
N (s)
⎪⎩ X5 (s) = (Ts +1)N (s)
P1 = G1G2G3, Δ1 = 1
P2 = 1, Δ2 = 1
（3）闭环传递函数 C/R 为
后τs
N(s)
X5(s)
Ts+1
R(s)
课 X1(s) K
-
1 X3(s) s +1
1
X4(s) — C(s)
Ts +1
K
+ τs
C(s)
R(s)
=
(s
+ 1)(Ts 1+
+ 1)
(s +1)(Ts +1) =
K +τs
k
Ts2 + (T +1)s + (K +1)
(s +1)(Ts +1)
C(s) N(s) = 0
1-5 解： 系统的输出量：电炉炉温 给定输入量：加热器电压 被控对象：电炉
仓库大门自动控制开（闭）的职能方框图
1
放大元件：电压放大器，功率放大器，减速器 比较元件：电位计 测量元件：热电偶 职能方框图：
给定 炉温
自动控制课程设计双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计课程名称：双容水箱液位串级控制学院：机电与汽车工程学院专业：电气工程与自动化学号：631224060430姓名：颜馨指导老师：李斌、张霞2014/12/30目录纲要.......................................................... (2)1前言.......................................................... (2)2对象剖析和液位控制系统的成立 (2)水箱模型剖析 (2)阶跃响应曲线法成立模型 (3)控制系统选择 (3)【2】3控制系统性能指标.............................................方案设计.......................................................4串级控制系统设计 (4)被控参数的选择 (4)控制参数的选择 (5)主副回路设计 (5)控制器的选择 (5)3PID控制算6法...............................................................PID算法 (6)PID控制器各校订环节的作用 (6)4系统仿真............................................ (7)系统构造图及阶跃响应曲线 (7)PID初步伐整 (10)PID不一样参数响应曲线 (12)系统阶跃响应输出曲线 (17)5加有扰乱信号的系统参数调整 (20)6心得领会..................................................................227参照文件..................................................................22纲要液位控制是工业生产以致平时生活中常有的控制，比方锅炉液位，水箱液位等。
家用水箱如何实现自动控制
1现在很多家庭使用简易水箱，用一个单相泵或电磁阀向水箱里供水或排水。
如何实现液位的自动控制呢？可以有多种控制方式。
比如，做一个电极插在水里，控制交流接触器就可以了。
这种方式价格便宜，但使用寿命很短，只有几个月。
好一点的用干簧管去控制，安装比较麻烦，寿命也不长，一般一年多。
如果用压力传感器或超声波液位传感器，成本就太高了。
建议采用通用液位控制器UGKY ，这套设备价格和干簧管差不多，但使用寿命长，厂家三年内包换。
家用水箱一般用的都是单相泵，直接采用GKYDX 控制箱就可以实现自动控制。
GKYDX 控制箱的原理很简单，自己动手制作一个简单的配电盘也可以，这样可以节省一笔费用。
下面介绍具体的制作方法。
第一步：先找一块木板宽20cm*高30cm 的木板。
第二步：将二相的空气开关固定在顶端。
第三步：购买一个通用液位控制器UGKY （含液位传感器），固定在空气开关下面。
第四步：在最下端再固定一个两端的接线柱接水泵。
第五步：按照下图接线：
这个接线图很简单，只要注意火线L1与零线N 的区别，按照上图接线，即可达到自动控制水泵或电磁阀的目的。
注意通用液位控制器UGKY 可以设置为供水或排水，出厂时可以根据客户需求设置好。
自动控制原理课后答案(第五版)
第 一 章1-1 图1-2是液位自动控制系统原理示意图。
在任意情况下，希望液面高度c 维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。
图1-2 液位自动控制系统解：被控对象：水箱；被控量：水箱的实际水位；给定量电位器设定水位r u （表征液位的希望值r c ）；比较元件：电位器；执行元件：电动机；控制任务：保持水箱液位高度不变。
工作原理：当电位电刷位于中点（对应r u ）时，电动机静止不动，控制阀门有一定的开度，流入水量与流出水量相等，从而使液面保持给定高度r c ，一旦流入水量或流出水量发生变化时，液面高度就会偏离给定高度r c。
当液面升高时，浮子也相应升高，通过杠杆作用，使电位器电刷由中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机，通过减速器带动进水阀门向减小开度的方向转动，从而减少流入的水量，使液面逐渐降低，浮子位置也相应下降，直到电位器电刷回到中点位置，电动机的控制电压为零，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度r c。
反之，若液面降低，则通过自动控制作用，增大进水阀门开度，加大流入水量，使液面升高到给定高度r c。
系统方块图如图所示：1-10 下列各式是描述系统的微分方程，其中c(t)为输出量，r (t)为输入量，试判断哪些是线性定常或时变系统，哪些是非线性系统?（１）222)()(5)(dt t r d tt r t c ++=；（２）)()(8)(6)(3)(2233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++；（３）dt t dr t r t c dt t dc t )(3)()()(+=+； （４）5cos )()(+=t t r t c ω；（５）⎰∞-++=t d r dt t dr t r t c ττ)(5)(6)(3)(；（６）)()(2t r t c =；（７）⎪⎩⎪⎨⎧≥<=.6),(6,0)(t t r t t c解：（1）因为c(t)的表达式中包含变量的二次项2()r t ，所以该系统为非线性系统。
自动控制原理(非自动化类)答案_第二版(孟庆明)
自动控制原理（非自动化类）习题答案第一章 习题1-1（略） 1-2（略） 1-3 解：受控对象：水箱液面。
被控量：水箱的实际水位 h c 执行元件：通过电机控制进水阀门开度，控制进水流量。
比较计算元件：电位器。
测量元件：浮子，杠杆。
放大元件：放大器。
工作原理：系统的被控对象为水箱。
被控量为水箱的实际水位 h 。
给定值为希望水位 h （与电位器设定 c r 电压 u r 相对应，此时电位器电刷位于中点位置）。
当 h c = h r 时，电位器电刷位于中点位置，电动机不工作。
一但 h c ⎺ h r 时，浮子位置相应升高（或降低），通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移（或上移），从而给电动机提供一定的工作电压，驱动电动机通过减速器使阀门的开度减小（或增大），以使水箱水位达到希望值 h r 。
水位自动控制系统的职能方框图1-4 解：受控对象：门。
执行元件：电动机，绞盘。
放大元件：放大器。
受控量：门的位置测量比较元件：电位计工作原理：系统的被控对象为大门。
被控量为大门的实际位置。
输入量为希望的大门位置。
当合上开门开关时，桥式电位器测量电路产生偏差电压，经放大器放大后，驱动电动机带动绞盘转动， 使大门向上提起。
同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，直到桥式电位器达到平衡，电动机停转，开 门开关自动断开。
反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘反转，使大门关闭。
仓库大门自动控制开（闭）的职能方框图1-5 解：系统的输出量：电炉炉温 给定输入量：加热器电压 被控对象：电炉放大元件：电压放大器，功率放大器，减速器 比较元件：电位计 测量元件：热电偶 职能方框图：第二章 习题2-1 解：对微分方程做拉氏变换：♣ X 1 (s ) = R (s )C (s ) + N 1 (s ) ♠ ♠ X 2(s ) = K 1 X 1 (s )♠ X 3 (s ) = X 2 (s )X 5 (s )♦ ♠TsX 4 (s ) = X 3 (s ) ♠ X 5 (s ) = X 4 (s ) K 2 N 2 (s )♠ ♠K X (s ) = s 2C (s ) + sC (s ) ♥ 3 5绘制上式各子方程的方块图如下图所示：1(s)3(s)5(s)K 1K 3C (s ) / R (s ) = ， Ts 3+ (T + 1)s 2+ s + K K 1 3C (s ) / N 1 (s ) = C (s ) / R (s ) ，K 2 K 3Ts C (s ) / N (s ) = 2Ts 3 + (T + 1)s 2 + s + K K 1 32-2 解：对微分方程做拉氏变换♣ X 1 (s ) = K [R (s )C (s )] ♠♠ X 2 (s ) = ⎜ sR (s )♠(s + 1) X 3 (s ) = X 1 (s ) + X 2 (s ) ♦♠(Ts + 1) X 4 (s ) = X 3 (s ) + X 5 (s ) ♠C (s ) = X (s ) N (s ) 4 ♠ ♠♥ X 5 (s ) = (Ts + 1) N (s )绘制上式各子方程的方块如下图：⎜s K + K + ⎜ s = (s + 1)(Ts + 1) (s + 1)(Ts + 1) =C (s ) R (s ) k Ts 2 + (T + 1)s + (K + 1) 1 +(s + 1)(Ts + 1)C (s )N (s ) = 02-3 解：（过程略） C (s ) 1 C (s ) =G 1 + G 2(a)= R (s ) ms 2+ fs + K(b)R (s ) 1 + G G G G + G G G G 1 3 1 4 2 3 2 4C (s ) =G 2 +G 1G 2 C (s ) = G1G 2 (c)(d)R (s ) 1 + G 1 + G 2G 1R (s ) 1 G 2G 3C (s ) =G 1G 2G 3G 4 (e)R (s ) 1 + G 1G 2 + G 2G 3 + G 3G 4 + G 1G 2G 3G 42-4 解 ：（1）求 C/R ，令 N=0G (s ) = K 1K 2 K3s (Ts + 1)K 1K 2 K 3G (s ) C (s ) / R (s ) = = 1 + G (s ) Ts 2 + s + K K K 1 2 3求 C/N ，令 R=0，向后移动单位反馈的比较点K 3K 2 ) Ts + 1 = K n K 3 s K 1K 2 K 3G n C (s ) / N (s ) = (K G K n n 1 K K Ts 2 + s + K K K s 1 + 3 2K 1 2 3 1 Ts + 1 s（2）要消除干扰对系统的影响C (s ) / N (s ) = K n K 3 s K 1K 2 K 3G n = 0Ts 2 + s + K K K 1 2 3K n sG (s ) =n K 1K 22-5 解：（a ）（1）系统的反馈回路有三个，所以有3La= L 1 + L 2 + L 3 = G 1G 2G 5 G 2G 3G 4 + G 4G 2G 5a =1三个回路两两接触，可得 ⊗ = 1La= 1 + G 1G 2G 5 + G 2G 3G 4 G 4G 2G 5（2）有两条前向通道，且与两条回路均有接触，所以P 1 = G 1G 2G 3 , ⊗1 = 1 P 2 = 1, ⊗2 = 1（3）闭环传递函数 C/R 为C =G 1G 2G 3 + 1 R 1 + G 1G 2G 5 + G 2G 3G 4 G 4G 2G 5（b ）（1）系统的反馈回路有三个，所以有3La= L 1 + L 2 + L 3 = G 1G 2 G 1 G 1a =1三个回路均接触，可得 ⊗ = 1La= 1 + G 1G 2 + 2G 1（2）有四条前向通道，且与三条回路均有接触，所以P 1 = G 1G 2 , ⊗1 = 1 P 2 = G 1 , ⊗2 = 1 P 3 = G 2 , ⊗3 = 1 P 4 = G 1 , ⊗4 =1 （3）闭环传递函数 C/R 为C = G 1G 2 + G 1 + G 2 G 1 = G 1G 2 + G 2 R 1 + G 1G 2 + 2G 1 1 + G 1G 2 + 2G 12-6 解：用梅逊公式求，有两个回路，且接触，可得 ⊗ = 1La= 1 + G 1G 2G 3 + G 2 ，可得C (s ) = G 1G 2G 3+ G 2G 3 C (s )= C (s ) / R (s ) R (s ) 1 + G 1G 2G 3 + G 2 N 1 (s )(1 + G 2 )G 3C(s ) =1⋅ (1+ G 1G 2G 3 + G 2 ) = 1C(s ) = N 2 (s ) 1 + G 1G 2G 3 + G 2 1 + G 1G 2G 3 + G 2 N 3 (s )E (s )= 1 + G 2 G 2G 3E (s )= C (s ) = G 2G 3 G 1G 2G 3R (s ) 1 + G 1G 2G 3 + G 2N 1 (s ) N 1 (s ) 1 + G 1G 2G 3 + G 2E (s ) =C (s ) (1 + G 2 )G 3 E (s )=C (s ) = = 1 N 2 (s ) N 2 (s ) 1 + G 1G 2G 3 + G 2 N 3 (s ) N 3 (s )第三章 习题10 3-1 解：（原书改为 G (s ) =）0.2s + 1采用 K 0 , K H 负反馈方法的闭环传递函数为10K 0⎫ (s ) =C (s )= K G (s ) 1 + 10K H = R (s ) 0 1 + G (s )K 0.2s + 1H 1 + 10K H要使过渡时间减小到原来的 0.1 倍，要保证总的放大系数不变，则：（原放大系数为 10，时 间常数为 0.2）10K 0♣ = 10 ♣ K = 10 ♠0 ♦1 + 10K ® ♦ H ♥K = 0.9 ♠ H 1 + 10K = 10 ♥H 3-2 解：系统为欠阻尼二阶系统（书上改为“单位负反馈……”，“已知系统开环传递函数”）⎛ % = e⎩⋅100% = 1.31 ⋅100%1 t p == 0.1解得：⎤n = 33.71 ⎩ = 0.358所以，开环传递函数为：1136 47.1G (s ) = = s (s + 24.1) s (0.041s + 1)3-3 解：（1） K = 10s 1时：100G (s ) =s 2 + 10s⎤ 2 = 100 n 2⎩⎤n = 10解得：⎤n = 10, ⎩ = 0.5, ⎛ % = 16.3%, t p = 0.363 （2） K = 20s 1时：200 G (s ) = s 2+ 10s⎤ 2 = 200 n 2⎩⎤n = 10解得：⎤n = 14.14, ⎩ = 0.354, ⎛ %=30%, t p = 0.238结论，K 增大，超调增加，峰值时间减小。
水箱液位控制系统
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：**************指导教师：王姝梁岩设计时间：2012年5月7号----5月25号摘要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。
因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。
在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。
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，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。
最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及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。
在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。
通过这次课程设计加深我们对《自动控制原理》、《过程控制系统及仪表》等科目的理解。
关键词：水箱液位控制PID参数整定串级控制前馈控制MATLAB仿真目录1．概述....................................................... - 4 -2．课程设计任务及要求......................................... - 5 -2.1 实验系统熟悉及过程建模................................. - 5 -2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计.............. - 5 -2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计.... - 6 -2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计.......... - 6 -2.5实现副回路进水流量的前馈控制............................ - 7 -3 实验系统熟悉及过程建模...................................... - 8 -3.1 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。
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自动控制原理水箱
水箱自动控制原理主要是指通过对水箱内水位进行监测并进行相应的控制，实现水箱中水位的自动调节和控制。
在水箱自动控制系统中，一般会使用水位传感器来获取水箱内水位信息。
水位传感器可以采用浮球式、电极式、压力式等不同工作原理，其中浮球式水位传感器是应用最为广泛的一种。
浮球式水位传感器通过浮球的浮沉来反映水位高低，当水位升高时，浮球随着水位的上升而上升，反之水位降低时，浮球随之下降。
传感器通过检测浮球位置的变化来得到相应的电信号，并将其传递给控制系统。
控制系统会不断接收传感器传来的水位信息，并根据设定的水位调节范围进行判断和处理。
当水位低于设定的下限时，控制系统会输出控制信号，打开给水阀门，让水进入水箱，提升水位；当水位高于设定的上限时，控制系统会输出控制信号，关闭给水阀门，停止供水，以保持水位稳定。
这样，通过对水位信号的实时监测和控制处理，实现了水箱水位的自动调节和控制。
在水箱自动控制系统中，还可以加入水位报警功能。
当水位异常超过预设的安全范围时，控制系统会发送报警信号，以提醒用户进行相应的处理和维护。
这样，能够保证水箱的安全运行，避免水箱溢满或干涸。
此外，为了提高水箱自动控制的精确度和可靠性，还可以结合其他感知信号进行控制。
例如，可以加入温度传感器，通过监测水温信息，实现对水温的自动控制。
当水温过高时，控制系统会启动降温措施，例如打开散热装置；当水温过低时，控制系统会启动加热措施，例如打开加热装置。
这样，在保证水位稳定的同时，还能够保持合适的水温，满足用户的需求。
综上所述，水箱自动控制原理主要是通过水位传感器获取水位信息，并通过控制系统对水位进行实时监测和控制处理，以实现水箱水位的自动调节和控制。
通过此种原理，能够提高水箱的运行效率和安全性，减轻人工操作的负担，提高水箱的使用效果。