闭环模拟控制09

1、沈阳理工大学课程设计 过程控制课程设计闭环模拟控制系统设计硬件制版图设计部分1 概述随着科学技术的进步，人们越来越多的用计算机来实现控制系统，因此，充分理解计算机控制系统是十分重要的。我们可以把计算机控制系统看作是模拟量控制系统的一种近似，但这种看法是相当贫乏的，因为它没有充分发挥计算机控制的潜力，最多只能获得与采用模拟制时一样的控制效果。近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的变革。人们利用这种技术可以完成常规控制技术无法完成的任务，达到常规控制技术无法完成的性能指标。随着计算机技术、高级控制策略、

2、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机技术水平必将打打提高。计算机控制系统原理图如图1.1所示。图1.1 计算机控制系统原理图1.2系统的原理图单闭环直流调速系统原理图如图1.2所示：图1.2单闭环转速负反馈直流调速系统原理图2 课程设计内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。 系统硬件设计为：以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。 具体内容如下： （1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数

3、字控制系统硬件设计。 （3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。 （4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。3 直流电动机调速器工作原理3.1 直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一

4、种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。 利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通

5、，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为： （式3.1） 式中 占空比，占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为01。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）、定

6、宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。 前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。图3.1 PWM调速控制原理产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。（2）、软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断

7、地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。（3）、专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。（4）、单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法

8、（4）获得PWM信号。3.2 转速负反馈单闭环直流调速系统原理3.2.1 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都

9、无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图3.3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。调节器调节器被控对象扰动量检测装置输出量反馈量偏差输入量+ 图3.3 闭环

10、系统方框图 对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统，如图3.4所示。图3.4 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图3.2.2速度负反馈单闭环系统的静特性由图3.4，按照梅森公式可以直接写出转速给定电压Un*和负载扰动电流IL与转速n的关系式如下： （式3.2） 其中,闭环系统的开环放大系数为： （式3.3）开环系统的负载速降为： （式3.4）由式3.2闭环时的负

11、载速降为： （式3.5）上式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小了（1+Kol）倍，使得闭环系统的机械特性比开环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小得多，可以大大增加闭环系统的调速范围。 3.2.3转速负反馈单闭环系统的基本特征 直流电动的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D/A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制点击的转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节器的输出系统式为：式中：y为调节器的输出；为调节器的输入，一般为偏差值；为比例系数。从式中可以看出，调节器的输出y与输入偏差成正比。因此，只要偏差一出现就产生与之成

12、比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差有关外，主要取决于比例系数，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，太大时会引起自激振荡。对于扰动较大、惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI（比例积分调节器）或PID（比例积分微分调节器）算法。3.3 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统前面所述的单闭环调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要用偏差来，只能减

13、少静差，但不能消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且足够的稳定欲量，并改善动态性能，实现无静差调速。图3.6为单闭环调速系统的动态结构图。利用结构图的运算法则，可以得到采用不同的调节器时，输出量与扰动量之间的关系如下。图3.6 带调节器的单闭环调速系统动态结构图当采用比例调节器时，得式 ：当采用比例积分调节器时，调节器的传递函数分别为： 得到负载扰动引起的稳态速度偏差为： 突加负载使，利用拉氏变换的终值定理可以求出负载扰动引起的稳态误差为

14、： 因此，比例积分控制的调速系统为无静差系统。但如果积分环节出现在扰动点以后，它对消除静差是无能为力的。 另外，采用比例积分控制的单闭环无静差调速系统，只是在稳态时无差，动态还是有差的。在整个调节过程中，比例部分在开始和中间阶段起主要作用，在的作用下，PI调节器立即输出比例调节部分,使晶闸管整流输出电压 出现，阻值转速n的继续下降，帮助转速的顺利回升，随着转速接近稳态值，比例部分作用变小。积分部分在调节过程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除转速偏差。在动态过程中最大的转速降落叫做动态速降（如果突减负载，则为动态速升），它表明了系统抗扰的动态性能。总之，采用PI调节器的单闭环调速系统，在稳定运

15、行时，只要不变，转速n的数值也保持不变，与负载的大小无关；但是在动态调节过程中，任何扰动都会引起动态速度变化。因此系统是转速无静差系统。需要指出，“无静差”是理论上的，因为比例积分调节器在稳态时电容器C两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上为无穷大，才能达到输入偏差电压为0，输出电压为任意所需值。实际上，这时的放大系数是运算放大器的开环放大系数，其数值很大，但任是有限的，因此仍存在着很小的，即仍有很小的偏差，只是在一般的精度要求下可以忽略不计。3.4 数字式转速负反馈单闭环系统原理3.4.1原理框图 该系统原理框图如图3.7 所示，转速反馈控制环的调节是利用单片机软件实现的PI调

16、节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能。+转速调节PI晶闸管装置+转速调节PI晶闸管装置直流电动机转速反馈 3.4.2 数字式PI调节器设计原理PI调节器的传递函数为：，其中，为积分时间常数，为比例系数。该调节器的模拟输出为： （式3.6）式中，e(t)为调节器的偏差输入，即给定值与反馈至只差。将式3.6按如下原则离散化： （1）、微分方程中的导数直接用差分项代替； （2）、积分用积分的求和式代替； （3）、时间t编程离散量kT，T为采样周期，kT为第k个采样周期的时刻。得到式3.6的差分方程为： 式3.7为使计算简便，将式3.6转换为递推式，有： 式3.8即 式3.9其中常数 。式3.9

17、表明：计算本次的控制量只需上次的控制量和上次与本次的偏差量即可。常数和A事先存于固定的存储单元中，每次PI运算只是进行两次乘法运算和两次加法运算。4 直流电动机调速器硬件设计4.1 系统硬件设计总体方案及框图4.1.1系统硬件设计总体方案 系统的硬件结构主要包括：C8051F020单片机、由霍尔元件A44E构成的转速检测及反馈电路、LED显示电路、功能键控制电路、H型PWM变换电路。4.1.2 总体框图DC MOTORDC MOTOR转速检测、反馈LED显示功能键控制PWMC8051F020图4.1系统总体框图4.2 系统硬件设计4.2.1 C8051F020单片机1 单片机简介C8051F0

18、20是Cygnal公司出品的完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。以下为其主要特性： （1）、高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS） （2）、全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） （3）、真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关 （4）、真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关 （5）、两个12位DAC,具有可编程的FLASH存储器 （6）、64K字节可在系统编程的FLASH存储器 （7）、4352字节的片内RAM （8）、可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口 （9）、硬件实现的SPIS

19、MBus、和两个UART串行接口 （10）、5个通用的16位定时器 （11）、具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 （12）、片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器 具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。 该单片机可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V到-3.6V的电压工作。端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F020为100脚TQFP封装

20、。 下面介绍的是实验中主要使用到的C8051F020的功能： （1）、JTAG调试和边界扫描：C8051F020具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式（不占用片内资源）、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范，位生产和测试提供完全的边界扫描功能。Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC

21、和SMBus除外）都停止运行，以保持与指令执行同步。（2）、可变成计数器阵列：除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F020 MCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到

22、MCU的端口I/O引脚。实验中使用了8位脉宽调制器的工作方式。（3）、可编程数字I/O和交叉开关：C8051F020具有标准8051的端口（0、1、2和3）。在F020/2中由4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。该单片机引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/0的微控制器不同，这

23、种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。2 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 当PCA 捕捉/比较模块配置为8位PWM方式时，出现在CEXn的波形周期等于256个PCA时钟周期，该信号的低电平时间等于在模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLn的低字节中所存储的8位数字，在主PCA计数器PCA0L的低字节发生溢出时，模块的比较寄存器的高字节被拷贝到模块的比较寄存器的

24、低字节中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通过更新PCA0CPHn就能改变占空比，拷贝过程保证在输出端不产生毛刺。输出波形的占空比（用%表示）如下式：占空比=(（256-PCA0CPHn）/256)100PCA0CPHn可以含有1个0255的数值，所以占空比的范围为0.38%100%，其分辨率为：（1/256）100=0.38。8位PWM方式的最大优点是不需要CPU的干预就可以输出一个固定占空比的波形。若CIDL位（PCA0MD.7）置为0（复位状态），即使CPU处于休眠状态，输出波形也将保持。因此改变占空比是通过向PCA0CPHn写入一个8位数来完成的。3 单片机端口配置 C8051F

25、020各端口连接图如图4.3所示。图4.2 C8051F020数字交叉开关图4.3 单片机各端口连接图4.2.2主电路 主电路为H型PWM变换电路，硬件电路如图4.4所示。该H型电路由2对功率晶体管芯片TIP31（NPN）/32(PNP)、4个三极管BC184构成。由图可知，该电路有两个输入端，当任一端输入高电压而另一端输入低电压时，高电压一边的BC184导通使得与之相连的TIP32、TIP31分别处于导通、截止的状态，而低电压一边的BC184截止使得与之相连的TIP32、TIP31分别处于截止、导通的状态，此时形成一个回路，电动机电枢绕组承受电压。当两端同时输入高电压时，两个TIP31同时截

26、止，电动机两端无回路形成，因此电动机两端因无电压而停转，即该电路可以防止上下直通的情况产生。两个输入端均可输入PWM0、PWM1两个脉宽调制信号，控制电动机正反转时的电枢电压。由前述的PWM控制工作原理可知，在程序进行控制时，将一端的PWM信号占空比设为0，则电动机此时将受另一端输入的PWM信号控制方向及转速大小。图4.4 H型PWM变换电路（主电路）4.2.3 LED显示电路LED显示电路由一个共阳极四位一体的LED实现，硬件电路如图4.5所示。使用单片机的P6.0P6.3口控制LED的位选信号，P5口控制段码选择信号。图4.5 LED显示电路4.2.4 按键控制电路 硬件电路如图4.6、4

27、.7所示。系统中使用这六个按键依次实现选位、置位、确定、升速、降速、反转六个功能。六个按键通过四个与门后与外部中断0、1口相连，则只要有按键按下，就会触发外部中断0、1。另外使用P3口作为键值输入口。程序上使用外部中断0、1（INT0、INT1）及键值扫描实现对按键的控制。当按下选位键时，可以对四位LED进行选择，选定某位后按下置位键则可在该位上选择09任一个数，当完成转速给定值设定后按下确定键，则系统开始调速。在电动机运行过程中按下升速、降速或反转键则能进行对电动机升、降速及反转的控制。图4.6 按键接入外部中断0、1图4.7 键值输入电路4.2.5 转速检测、反馈电路转速检测、反馈电路使用

28、霍尔元件A44E实现。 根据霍尔效应制成的霍尔传感器不仅可以用于磁场的测量,大量的还是以磁场为工作媒体,将物体的多种运动参量转变为电压输出，因而在自动控制、各种物理量的测量中得到了大量的应用。 随着集成电路技术的发展,集成霍尔传感器被大量研制和生产,其应用也愈来愈广泛。如:位移传感、速度传感、角度传感、电流感应、直流电机、汽车点火和自动控制等。 在工业中大量自动检测采用了霍尔传感技术。 集成霍尔传感器主要由霍尔片和放大器组 ,根据不同应用的需要,有的还加温度补偿电路、稳压电源或施密特触发器及开关电路等,加了不同附加器件后其应用和特性各不相同。集成霍尔传感器的特点是:体积小、频响宽、动态特性好、

29、对外围电路要求简单、使用寿命长及价格低廉。集成霍尔传感器一般可分为三种:集成线性霍尔传感器（也称位置传感器） 、集成霍尔开关和集成霍尔锁存器 。它们都具有传感和控制功能。集成霍尔开关：当霍尔器件所在位置的磁场尚未达到工作点之前 ,器件以高电平输出,当磁场增强到工作点 B时,霍尔片输出的电压 U 经差分放大器放大后,送至施密特触发器,使之翻转导通,从而使门电路输出端由高电平变为低电平,称此为“开”状态。 反之,当磁场减小到释放点 B 时,门电路输出端截止,则由低电平变为高电平, 称为“关”状态。常见的霍尔开关有UGN3109、A44E和US5881.由于该传感器只对一定强度的磁场起作用,抗干扰能

30、力强,因而应用广泛。A44E的应用。计数、转数和转速的测量。由于A44E灵敏度较高 ,抗干扰能力强,因而大量用于计数、转数和转速的测量中,一般有两种方法:在非铁磁性材料圆盘边缘粘一小磁钢 ,将霍尔开关固定于圆盘边缘附近,当圆盘转动 ,磁钢经过霍尔开关时,霍尔开关将输出一脉冲;另一方法是将小磁钢粘在霍尔开关背面,一起靠近转动的齿轮,由于齿轮的凹与凸,使霍尔开关的磁感应强度呈明显变化,霍尔开关同样输出脉冲,这样当脉冲输入频率测量仪,即可达到相应的测量与控制目的。本实验中采用的是第一种方法。硬件电路图如4.8所示。使用定时/计数器0作为16位定时器，定时/计数器1作为8位自动重载计数器并使用交叉开关

31、分配到P0.4口。将A44E输出接入P0.4（定时/计数器1），定时器每50ms定时中断一次，计数器计入每50ms电动机旋转次数，通过计算得出每分钟转数并显示。图4.8转速检测、反馈电路4.2.6 12V电源电路 硬件电路图如4.9所示。该电路完成AC 220V到DC 12V的转换，作为电动机的供电电压。图4.9 12V电源电路 其中，78L12为输出电压为12V的三端固定正稳压器，具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路使用安全可靠。主要性能： （1）、输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。 （2）、最大输出电流：0.1A。 （3）、失稳电压：2V。 （4）

32、、内部热过载保护。 （5）、内部过流、短路保护。 （6）、输出晶体管安全区保护。5水箱水位控制系统硬件设计5.1水箱液位控制系统液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，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的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运

33、行。图5.15.1.1有自平衡能力的单容元件如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，在没有外部干预的情况下（指没有自动控制或人工控制参与），被控变量依靠被控对象内部的反馈机理，能自发达到新的平衡状态，我们称这类对象是有自平衡能力的被控对象。具有自平衡能力的单容对象的传递函数为 (式5.1)这是个一阶惯性环节。描述这类对象的参数是时间常数T和放大系数K。图5.2 单容水箱图5.2是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为其中T=RC，C为水箱的横截面积，R为输出管道阀门的阻力。T称为水箱的时间常数。K称为水箱的放大系数。一阶系统的特性我们已经在时域分析中进行了详细的讨论，所有结论都

34、适用于单容对象。作为过程控制的被控对象，单容对象的时间常数比较大。5.1.2电动机的数学模型直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。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、 为电枢转动中产生的反电势、 为电机和负载的转动惯量根据电路的克希霍夫定理整理后 （式

35、5.2）式中： 称为直流电动机的电气时间常数； 称为直流电动机的机电时间常数；,为比例系数。直流电动机电枢绕组的电感比较小，一般情况下可以忽略不计，式5.2可简化为5.1.3减速器的传递函数减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，其传递函数如下：5.2系统的传递函数控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行

36、深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择

37、，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。写出控制器、执行结构、被控对象、反馈机构的传递函数，则系统的总传递函数为：=其中：为系统的控制器传递函数，为系统的执行器传递函数，为被控对象传递函数，为系统反馈装置传递函数。5.2.1控制器的确定根据本次试验，选择被控对象电机的数学模型为=，执行机构的传递函数为=，反馈系统的数学模型为=故确定当%30%时，系统控制器的传递函数为=故系统的传递函数为：=系统的特征方程为：劳斯表为： 25 50 8.2 75

38、0.164 0 23 8.2 0 18 0 8.2显然，劳斯表第一列系数符号相同，故系统是稳定的。5.3控制器的正反作用 控制系统要能正常工作，必须有一个负反馈控制系统。为了保证这一点，必须正确选择各环节的正反作用。控制器的正反作用是根据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系确定的。被控变量测量值增加时，控制器的输出也增加，则控制器为正作用控制器，并规定其稳态放大系数 为负。被控对象的测量值增加时，控制器的输出值减小，则控制器为反作用控制器，并规定器稳态放大系数 为正。被控对象的输出与调节阀内的介质流量变化决定了被控对象的正反作用。介质流量增加，被控对象的输出也增加，则被控对象为正作用，规定其

39、放大系数 为正。介质流量增加时，被控对象输出减小，则被控对象为反作用，规定其放大系数 为负。执行器气开式为正作用，气关式为反作用，并规定正作用调节阀的放大系数 为正，反作用的 为负。变送器的作用一般都是正作用，其放大系数 为正。要保证系统是负反馈系统，组成系统的各环节的正反作用的乘积必须为正。这可用各环节的放大系数来表示。即 为正。这里相乘只取正符号计算，不必计算放大系数的具体数值。选择控制器的正反作用的步骤是先根据工艺及安全要求确定调节阀正反作用，被控对象的正反作用是固有的特性，测量变送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再选择控制器的正反作用，使 的乘积为正。5.4硬件电路控制器传递

40、函数=，由传递函数可知系统控制器是由比例环节、积分环节、微分环节组成，用硬件实现控制器，经过计算，控制器可由运算放大器、电阻、电容组成，其结构如下图所示：由控制器的传递函数进而确定电阻电容的确定值，=,=0.02,选择为2千欧，则整定为9千欧，电容值为0.01微法。5.5控制系统的校正在工业生产过程中，被控对象的特性并不是不变的。当被控对象特性发生变化后，原定整定的控制参数就不是最合适的参数了，必须重新整定。这将给连续化的生产带来不利的影响。有一种控制系统，能根据被控对象特性的变化或其他条件的变化，自动调整控制系统的控制规律和控制器的控制参数，使控制系统始终处于最佳状态，我们称这种控制系统为自适应控制系统。能对控制器参数进行自动整定的自适应控制系统成为自校正系统或自整定系统。图5.3 自校正系统的工作原理图 5.3时自校整系统的工作原理图。自校正系统与一般控制系统