自控课程设计-液位控制系统

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1、指导教师评定成绩：审定成绩：控制系统设计课程设计报告设计题目：液位控制系统单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：______专业：__________班级：_______学号：__________指导教师：______设计时间：2013年12月目录一、设计题目1二、设计报告正文21、摘要22、系统的组成分析23、控制系统建模34、参数选择45、系统稳定性分析与矫正66、系统仿真10三、总结11四、附录11五、参考文献12一、设计题目液位控制系统原理如下图所示。要求：（１）查阅相关资料，分析系统的工作原理，指出被控对象

2、、被控量和给定量，画出系统方框图。（２）分析系统每个环节的输入输出关系，代入相关参数求取系统传递函数。（３）分析系统时域性能和频域性能。（４）运用根轨迹法或频率法校正系统，使之满足给定性能指标要求。（已知条件和性能要求待定）（５）分析和校正过程要求应用MATLAB工具，给出源代码。1二、设计报告正文1、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

3、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2、系统的组成分析自动控制系统的组成（1）自

4、动控制系统由控制对象和制动控制设备组成。即由控制对象、传感器、控制器和执行器所组成的闭环控制系统。（2）所谓的控制对象是指所需控制的机器、设备、或生产过程。（3）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，如锅炉温度、水箱水位等。（4）被控参数的预定值（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成为偏差。（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的原件或仪表，如热电阻，热电偶等，如果传感器所发出的信号与后

5、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，使被控对象保持在给定值。23、控制系统建模液位控制系统模型：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：电压放大器，功率放大器（3）、执行元件：电动

6、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（即液位的希望值）（7）、输出量：实际水位具体工作原理：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

7、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。系统的方块图如下：实际水位给定电压u放大器电动减速进水阀门水箱—机器—浮子连杆、电位器3现将每个环节用s域的传递函数表示，画出系统动态结构图，如下图所示:给定电压uⅰuu12η实际水位hK1G2K3K4G5—η—K6ηuo︒K1:放大元件传递函数,是设定电位与反馈信号比较后输出的误差信号经放大器后增益的倍2数。G2:电动机传递函数，是输入电压与电机转速的或电机轴转角的传递函数。K2G,K2为

8、电机模块开环增益，Tm为机电时间常数，是一个二阶函2s（Ts1)m数。K3:减速器传递函数,K3=1/i，i为速比。K4:进水阀门的传递系数，电机转动实现了阀门的开度调节，进而控制入水量，电动机转速与入水量可以简化为一个K4。G5:入水量与水箱液位的传递函数。K6:浮子连杆传递函数,液位通过浮子反映在电位上的传递参数。根据以上s域方框图及每个