液位控制系统课程设计报告文档格式.doc

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二、自动控制原理课程设计题目 1

三、控制对象分析 4

1、工作原理 5

2、系统运行方框图 5

3、建立数学模型求系统传递函数 5

4、系统稳定性分析 5

5、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃图 5

6、参数比较 5

7、系统校正 5

7.1、校正方法确定 6

7.2、校正过程 6

8、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

Summary

Intoday'

srapidsocialandeconomicdevelopment,waterplaysanincreasinglyimportantroleinpeople'

slivesandproduction.Inindustrialproductionanddailylifeapplications,oftenneedtolevelinthecontainerforautomaticcontrol.Suchasautomaticcontrolofwaterstoragecontainertanks,ponds,tanks,boilers,automaticwatercontrollifeinthetoilet,automaticelectricwaterheaters,electricwatermachineautomaticwatercontrol,sothewaterlevelcontrolsysteminlifebecameaessentialthing.Designareasonable,strongsenseofstabilitywaterlevelcontrolsystemforamajorlife,afulltanklevelcontrolsystemconsistsoftanks,motors,watervalves,floatrodandotheraccessoriescomponents:

simpleoperation,goodreliability,lowoperatingcost,scalabilitylines,andothercharacteristics,thepapergivenwaterlevelcontrolsystemanalysis,blockdiagramshown,thefunctiondescriptionofeachcomponent,andwritethetransferfunctionofeachcomponentwithMatlab/Simulinkforsystemsimulation,andanalysisoftheresults.

Keywords:

waterlevelcontrolsystemofthemotortransferfunctionmodeling

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0.1m2，进水管流量0<

=Q<

=1升/S，阀门转角θ与流量的关系为Q=Kfθ，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φ=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*φ*dθ,（忽略漏磁）转矩为：

T=K*φ*if。

电机运行规律为：

T=I*d2θ（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。

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：

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：

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）

G4

G2

K3

Ki

U=K5h

图2系统传递函数框图

4、系统稳定性分析：

系统闭环传递函数：

（16）

闭环特征方程：

（17）

即：

（18）

对应上式应用劳斯判据，有：

S20.8320

S210.3100

S111.9

S0100

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ts<

20s，满足要求

σ%>

30%，不满足要求，系统需校正

7、系统校正

7.1校正方法确定

σ%=（21）

（22）

（23）

（24）

（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：

σ%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，σ%=26.4%<

30%，ts=9.61s<

20s,符合题目要求

用MATLAB进行系统分析时所需程序代码：

B=0.1

>

num=[333100];

den=[27.6343.4676.3200];

G=tf（num,den）校正后开环传递函数

G=

333s+100

---------------------------------------

27.6s^4+343.4s^3+676.3s^2+20s

Continuous-timetransferfunction.

G1=feedback（G,1）校正后闭环传递函数

G1=

333s+100

----------------------------------------------

27.6s^4+343.4s^3+676.3s^2+353s+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SimulinkModel,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：

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，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，2008.1

[2]余成波张莲.自动控制原理[M]，北京：

清华大学出版社，2006.1

[3]张志涌，徐彦琴.MATLAB教程[M]，北京：

北京航空航天大学出版社，2005.2

[4]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2012.6

[5]孙亮，杨鹏.自动控制原理[M]，北京：

北京工业大学出版社，2007.1