自控原理课程设计水位控制系统

本文介绍了基本的水位控制系统，列举了机电控制式水位控制、全机械结构的水位控制方式、古老的水位控制以及最简单的自动水位控制装置。

在水位控制系统中，水槽是常见的水位控制系统的被控对象。

所以又主要针对了双容水槽的数学模型进行了基本参数设定及求其传递函数，微分方程，校正与仿真。

关键词：
双容水槽，水位控制。

引言 (1)
一、水位控制系统 (2)
1、机电控制式水位控制 (2)
2、全机械结构的水位控制方式 (3)
3、最简单的自动水位控制装置 (4)
二、双容水槽 (5)
三、双容水槽系统校正与仿真 (7)
结论 (8)
心得与体会 (9)
参考文献 (10)
引言
自动控制学科有自动控制技术和自动控制理论两部分组成。

近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。

随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。

比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。

在工业方面主要分为两大类：一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。

需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。

另一类是对已成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。

控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

经典控制理论最初称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。

随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。

经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。

主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。

现代控制理论的产生：随着科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类高速飞行器的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。

此外，对控制性能的要求也在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是最优的，而且对环境的变化要有一定适应能力等。

这些新的要求用经典理论是无法解决的，这同时也为现代控制理论的形成创造了条件。

现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。

自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。

近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域，并为个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，自动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。

自动控制技术的应用不仅使生产过程自动化，从而提高了劳动生产率和产品质量，降低成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在人类探索新能源，发展空间技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。

一、水位控制系统
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）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。

虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，如下图所示，它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式，以及控制器上的区别。

1、机电控制式水位控制
下图是这种控制方式的结构示意。

漂浮在水面上的浮球与控制器中的“检测机构”通过连杆机构相连，当水位发生变化时，浮球上下运动带动“检测机构”产生位移，这个位移可以直接用来
驱动阀门动作，关闭或者开启进水口，调节水位。

如果需要控制的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电控制驱动装置，具体控制过程为：①“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；②位移开关控制电机的转动；③电机驱动水阀门。

这种控制方式结构比较复杂，但可以对大型蓄水装置进行控制，因此常常应用于工农业生产中。

2、全机械结构的水位控制方式
家用抽水马桶是典型的全机械结构水位控制，以下是原理示意图：
当用户进行冲水操作之后，蓄水箱的水被排空，浮球下降，这个信号通过连杆机构传递给进水阀门，使进水阀门开启，对蓄水箱补水；随着水量的增加，浮球逐步上移，直至达到设定的某个水位时，正好能够关闭进水阀，停止进水。

由此可见，在这种水位控制系统中，浮球=水位检测器（传感器），连杆机构=控制器，水位的“给定量”通过进水阀门与连杆机构的相对位置来设定。

3、最简单的自动水位控制装置
在工厂化的家禽饲养中，由于饲养的的空间很小，家禽密度很高，饮水槽不可以做的很大，否则将被家禽践踏而使引水受到污染。

但又要保持有充足的水量，不断的自动补充新鲜的饮水。

解决这个矛盾的办法就是需要一套自动水位控制系统，使得很小、很浅的饮水槽中始终有水而且水位维持不变。

这个水位控制系统其实非常的简单，基本结构如下图所示
由于蓄水桶上方密闭的空间气压比外界大气压强低，所以能够保持蓄水桶中的水位高于水槽中的水位，当水槽中的水被饮用之后，外部的空气将通过蓄水桶的下方桶口进入到桶上方的密闭区域中，降低了密闭区的压强，蓄水桶中的水位降低，补充了水槽中的水，直至水槽中的水平面高过蓄水桶下方的桶口。

下面介绍一下水位控制系统中的被控制对象—双容水槽
二、双容水槽
水槽是常见的水位控制系统的被控对象。

下图是俩个串联单容水槽构成的双容水槽。

其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化△u ，而输出量为第二个水槽的液位增量△h 2。

在水流量增量、水槽液位增量及液阻之间。

经平衡点线性化后，可以导出如下关系式：
dt
h d C Q Q 2
2
21∆=∆-∆ （2.1）
2
2
2111,R h Q R h Q ∆=
∆∆=∆ （2.2）
dt
h d C Q Q i 1
1
1∆=∆-∆ （2.3）
u K Q u i ∆=∆ （2.4）
式中，C 1和C 2为两液槽的容量系数；R 1和R 2为两液槽的液阻。

将式（2.2）代
Q i +△Q i
Q 10+△Q 1
Q 20+△Q 1
h 10+△h 1
h 20+△h 1
入式（2.1）得
dt
h d C R h R h 2
2
2211∆=∆-∆
故有
2
22211[R h dt h d C R h ∆+
∆=∆ （2.5）
dt h d R R dt
h d C R dt h d 2
21222211∆+∆=∆ （2.6）
将式（2.4）及（2.2）代入（2.3），得
u K R h dt h d C u ∆=∆+∆1
1
11
分别将式（2.5）和（2.6）代入上式，整理后可得双容水槽的微分方程
u K h dt h d T T dt
h d T T ∆=∆+∆++∆22
212
2221)( （2.7）
式中，T 1=R 1C 1为第一个水槽的时间常数；T 2=R 2C 2为第二个水槽的时间常数；K
为双容水槽的传递系数。

再零初始条件下，对式（2.7）进行拉氏变换，得双容水槽的传递函数
1)()()()(212212+++=
∆∆=s T T s T T K
s U s H s G
三、双容水槽系统校正与仿真因此系统为稳定系统不需要校正，仿真图如下
结论
此设计介绍了几个水位控制系统，着重的阐述了双容水槽的结构，并且对双容水槽进行了参数设定以及线性分析，列出了传递函数和微分方程，建立了数学模型并对其进行了仿真，再整个系统中，水流入量由调节阀开度加以控制，流出量则由用户根据需要通过负载阀来改变，被调量为水位h，它反应水的流入与流出之间的平衡关系。

水位控制系统主要是调节流入与流出之间平衡关系的系统。

心得与体会
通过这次的设计使我对自动控制原理课程中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生活中，在实际生活中拓展自己的能力和自己的学习热情。

通过这次的设计也使我对经典控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。

通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。

在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程，校正仿真等问题。

这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。

还有通过这两天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。

在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。

最后更要感谢在设计过程中帮助我的闫馨老师。

参考文献
1.《自动控制原理》胡寿松主编，科学出版社。

2001年2月第四版。

2. 《智能控制工程及其应用实例》罗均..北京:化学工业出版社社,2005.86-91.。