水箱液位自动控制系统设计

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1、..目录摘要1关键词1引言21设计任务目的及要求21.1设计目的21.2设计要求22系统元件的选择32.1有自平衡能力的单容元件32.2无自平衡能力的单容元件42.3单容对象的特性参数63控制器参数的整定73.1参数的确定73.2电动机的数学模型93.3控制系统的数学模型103.4PID控制器的参数计算104控制系统的校正114.1控制器的正反作用124.2串级控制系统125系统的稳定性分析165.1系统的稳定性分析165.2控制系统的稳态误差17结束语19参考文献20致谢21word教育资料..水箱液位自动控制系统原理摘要：水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进行调

2、节和改变的系统，它自身具平衡能力，并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。水箱液位是由传感器检测水位变化并达到设定值时，水箱自己的阀门关闭，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的。关键词：有自平衡能力、无自平衡能力、电动机、单容对象、系统稳定引言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

3、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行。1设计任务目的及要求1.1设计目的通过课程设计，对自动控制原理的基本内容有进一步的了解，特别是水箱液位系统的设计。能把本学期学到的自动控制理论知识进行实践，操作。在提高动手能力的同时对常用的开闭环控制有一定的了解，在系统设计方面有感性的认识。而且在进行系统设计的时候遇到问题，通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。在经过课程设计后，更明白自动控制原理设计的一般方法，以及在遇到困难怎么排除问题

4、。word教育资料..1.2设计要求我选择的课程任务是设计一个水箱液位自动控制系统。设计要求包括：1有自平衡能力的单元原件以及无自平衡能力的单元原件；2控制器具有正反作用；3系统具有自校正系统。2系统元件的选择2.1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 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1单容水箱图1是单容水箱的示意图。我

5、们已经推导过水箱的传递函数为word教育资料..其中T=RC，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。2.2无自平衡能力的单容元件图2单容积分水箱图2也是一个单容水箱。不同的是水箱的出口侧安装了一台水泵，这样一来，水箱的流出水量就与水位无关，而是保持不变，即流出量的变化量。在静态下，流入水箱的流量与水泵的排水量相同都为Q，水箱的水位H保持不变。在流入量有一个增量时，静态平衡被破坏，但流出量并不变化，水箱的水位变化规律为式中C为水箱的横截面积。对

6、上式两端求取拉普拉斯变换，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word教育资料..图3两种水箱变化的比较（a）单容积分水箱（b）有自平衡能力的单容水箱图3（a）是水位变化的曲线。为了比较，我们把具有惯性环节特性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，具有惯性环节特性的单容水箱，在输入作用下，水位经过一个动态过程后，可以重新达到一个新的稳定状态。而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动之后，水位则无限地上升，永远不会达到一个新的稳定状态。我们称这种水箱为单容水箱。具有积分环节特性的单容对象的传递函数可以表示为  式中称为飞升速

7、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。当被控对象原来的平衡状态被扰动作用破坏后，如果不依靠自动控制或人工控制的外来作用，被控变量将一直变化下去，不可能达到新的平衡状态。我们称这类对象为无自平衡能力的对象。word教育资料..2.3单容对象的特性参数被控对象有无自平衡能力，是被控对象本身固有的特性。图4给出了两类水箱的方框图。图4（a）是有自平衡能力的单容水箱，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