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1、二、自动控制原理课程设计题目1三、控制对象分析41、工作原理5 2、系统运行方框图53、建立数学模型求系统传递函数54、系统稳定性分析55、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃图56、参数比较5 7、系统校正57.1、校正方法确定67.2、校正过程68、校正后根轨迹、伯德图、单位阶跃图5 9、系统仿真5 四、总结1五、参考文献1一、 一、摘要在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。在工业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位进行自动控制。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,所以

2、水箱液位控制系统在生活成为了必不可少的东西。设计一个合理、稳定性强的水箱液位控制系统对生活的意义重大，一个完整的水箱液位控制系统主要由水箱、电动机、进水阀门、浮子连杆等配件构成：操作简便，可靠性好，运行成本低，可扩展行强等特点，本文对给定的水箱液位控制系统进行分析，画出结构框图，描述每一个元件的函数，并写出每个元件的传递函数，用Matlab/Simulink对系统进行仿真，并分析结果。关键字：水箱 液位控制系统 电动机 建模 传递函数 SummaryIn todays rapid social and economic development, water plays an increasin

3、gly important role in peoples lives and production. In industrial production and daily life applications, often need to level in the container for automatic control. Such as automatic control of water storage container tanks, ponds, tanks, boilers, automatic water control life in the toilet, automat

4、ic electric water heaters, electric water machine automatic water control, so the water level control system in life became a essential thing. Design a reasonable, strong sense of stability water level control system for a major life, a full tank level control system consists of tanks, motors, water

5、 valves, float rod and other accessories components: simple operation, good reliability , low operating cost, scalability lines, and other characteristics, the paper given water level control system analysis, block diagram shown, the function description of each component, and write the transfer fun

6、ction of each component with Matlab / Simulink for system simulation, and analysis of the results.Keywords: water level control system of the motor transfer function modeling二、自动控制原理课程设计题目设计一液位控制系统，如下图示：原理为：当设定水箱水位为h时，输入电压经K1反向（比较）、K2放大驱动直流伺服电机通过减速器带动阀门旋转，调节进水。浮子检测水位高度，并通过绳系带动滑线变阻器反馈到K1。已知：1.水箱底面积为

7、0.1m2，进水管流量 0=Q=1 升/S，阀门转角与流量的关系为 Q=Kf，其中 Kf=0.1 升/S.弧度，Q2=K2h,即层流情况下，出水量与水位高度成正 比，K2=1 升/m.s。 2.输入设定、位置检测电位器灵敏度 10V/m，E=5V。减速器减速比为 Ki=10。3.直流电机：励磁线圈电阻 Rf=20，扭矩常数 K=6（N.m/A），磁极磁通=4，电机电动势常数 Ke=0.5。4.直流电机励磁电流和控制电压的关系为：u=Rf *if +Ke*d,（忽略漏磁）转矩为：T=K* if。电机运行规律为：T=I*d2（忽略阻力），I 为电机和阀门折合惯性矩，共为：I=1kg/m2，不计阻力

8、。要求：1、分析系统工作原理和特点，建立数学模型并画出结构图。2、分析系统性能，针对系统要求： a）稳定，无稳态误差。 b）液位在平衡位置提高为1cm时（即供水量提高一定值），调节时间不小于20s，超调量小于等于30%。3、如果系统不满足要求，用根轨迹法矫正系统并确定校正装置参数。并画出系统伯德图，指出校正方法三、控制对象分析液位控制系统的任务是使液面高度保持在一个设定的值上。系统各个元件如下：（1）、被控对象：水箱（2）、放大元件：放大器（3）、执行元件：电机，减速器，阀门（4）、测量元件：浮子连杆（5）、被控量：水箱液位（6）、给定量：电位器给定电压U（7）、输出量：实际水位1、工作原理：

9、当电位器电刷位于中间位置时（对应给定电压u）时，即水位处在希望的高度，同时出水量等于进水量，此时电动机不动，系统处在平衡状态。若流水量或出水量发生变化，当液面升高时浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中间位置下移，产生电位差，通过放大器放大，给电动机一个控制电压，驱动电动机通过减速器减小进水阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中间位置，系统重新恢复平衡。反之，液位下降，系统会增大进水阀门开度，加大进水量使液位升高到希望高度。2、系统运行方框图电动机阀门水箱体减速器 浮子电位器图1 系统方案框图3、建立数学模型求系统传递函数减速器K1

10、：由直流伺服电机直接作用来控制阀门q的转动大小。减速器的减速比为Ki=10，则减速器的传递函数： （1）阀门水箱体G2：以水箱和阀门为一整体由： （2）若以增量形式表示各变量相对于稳态值的变化量，即： （3） （4）则水箱阀门传递函数为： （5）放大器K3：放大器的放大倍数为K3，则放大器传递函数为： （6）电动机G4：直流电机励磁电流和控制电压的关系为： （7） （8） （9） （10） （11）将它进行拉普拉斯变换可得到电机与阀门开度的传递函数为： （12） （13）浮子电位器K5： （14）系统总传递函数： （15）G4G2K3KiU=K5h图2 系统传递函数框图4、系统稳定性分析：系统

11、闭环传递函数： （16）闭环特征方程： （17） 即： （18）对应上式应用劳斯判据，有：S2 0.83 20S2 10.3 100S1 11.9S0 100因为劳斯表第一列个元素为正，所以该系统稳定开环传递函数为： （19）因为，本系统开环传递函数为： （20）所以本系统为I 型系统 在阶跃输入h（t）=1（t）作用下，该系统稳态误差为0，满足要求（a）5、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃图3 校正前根轨迹图4 校正前伯德图图5 校正前阶跃响应6、比较参数由图可知，ts=6.2且ts30%，不满足要求，系统需校正7、系统校正7.1 校正方法确定% = （21） （22） （23） （24） （

12、25）位于根轨迹右方，选择串联滞后网络 （a） （b） 7.2 校正过程滞后网络传递函数： （26）矫正要求：% 30%，ts20s （27） （28） （29） （30）取 （31） （32）T=33.3 （33）滞后网络传递函数为： （34）则校正后系统传递函数为： （35）8、校正后单位阶跃、根轨迹、伯德图图6 校正后系统单位阶跃响应图7 校正后系统根轨迹图8 校正后系统伯德图由图可知，%=26.4%30%，ts=9.61s num=333 100; den=27.6 343.4 676.3 20 0; G=tf（num,den） 校正后开环传递函数G = 333 s + 100 - 2

13、7.6 s4 + 343.4 s3 + 676.3 s2 + 20 sContinuous-time transfer function. G1=feedback（G,1） 校正后闭环传递函数G1 = 333 s + 100 - 27.6 s4 + 343.4 s3 + 676.3 s2 + 353 s + 100 margin（G） 校正后系统伯德图 rlocus（G） 校正后系统根轨迹 step（G1） 校正后系统单位阶跃响应 9、系统仿真校正前：在MATLAB中调用Simulink仿真系统，新建Simulink Model,并绘制出系统框图：在单位阶跃响应的作用下，系统的输出为：校正后：

14、波形符合要求。四、 总结 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关自动控制原理、Matlab等方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能

15、遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了控制系统的设计方法和校正原理、熟练运用了Matlab软件。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要

16、的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的

17、，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。五、参考文献1 胡寿松.自动控制原理M，北京：科学出版社，2008.12 余成波 张莲.自动控制原理M，北京：清华大学出版社， 2006.13 张志涌，徐彦琴.MATLAB教程M，北京：北京航空航天大学出版社，2005.24 赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践M，北京：北京航空航天大学出2012.65 孙亮，杨鹏.自动控制原理M，北京：北京工业大学出版社，2007.1