水箱液位控制系统

水箱水位控制系统设计

一、系统结构原理

1.1自动控制系统的组成

（1）自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，如房间温度、水箱水位。

(4)被控参数的预定值（或理想值）称为给定值（设定值）。给定值与被控参数的测量值之差称为偏差。

（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（如电阻、电势、电流、气压、位移）的元件或仪表，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，使被控参数保持在给定

值。

1.2 水箱水位结构原理

水箱尺寸：长×宽×高=25×20×40 液位控制系统由被控水箱1、蓄水箱2

液位检测仪表差压变送器LT 、调节器LC 、调节阀等组成。

3

cm

二、系统控制要求及指标

2.1水箱水位的控制要求：

液位L=30cm(可任意设置)

稳态误差ess（余差）≤±5mm

过度时间ts≤4分钟

衰减比n＞4:1

2.2对自动控制控制系统的基本要求：

(1) 稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定，一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状态，但当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。

(2) 准确性：给定稳态误差和扰动稳态误差越小，表示稳态精度也越高。

(3)快速性：控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求系统的响应具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升时间﹑调整时间和峰值时间来表示。

自动控制的基本要求是它的稳定性。稳定性是指自动控制系统在外界干扰作用下，过度过程能否达到新的稳定状态的性能，系统的稳定程度用衰减比n或衰减率来衡量。

衰减比n是衡量过度过程稳定性的动态指标，它是指过度过程曲线第一个波峰值与同相位第二个波峰值之比。

用衰减比n 判断控制系统是否稳定及克服干扰恢复平衡的快慢程度。N ＜1时，系统为发散震荡，不稳定；n=1时，系统为等副震荡，也不稳定;n ＞1时，系统为衰减震荡，是稳定过程。N 太大，系统不灵敏，所以系统要工作在正常状态下，一般n=4～10时。

三、 对象特征的求取

3.1理论分析计算法

液位高度L 为输出变量，入水流量Q1为输入量。

由物料平衡原理

A:水箱截面积

增量式： （1） （2）

定义： R 液阻 可求得：

K 放大倍数＝R 时间常数 T ＝RA

3.2实验测定法

初始稳定状态时 dt dL A Q Q =-21t

d L

d A Q Q ∆∆=∆-∆21R

L Q ∆=∆2流量变化

液位变化

=R 11)

()

(+=+∆=Ts K S R R Q L S s 1Q R

L dt dL

A ∆=∆+

DTL=3.5mA Q2=0.65kg/mm L1=15.7cm 输入阶跃变化则 DTL=5mA

响应曲线如下图：

测得数据如下：

L2=25cm Q2=0.91kg/min Q2max=1.5kg/min L=30cm Q=1.1kg/min

可求得：

T=AR=0.2×0.25×0.362=18分钟

对象特性传递函数为：

四、 控制方案确定

4.1理论确定

如图示，系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到系统原来的起点，形成一个闭合回路，这种系统叫做闭环控制系统。在此闭环系统中，系统的输出信号是被控参数，它通过传感器（测量元件）这个环节再返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种将系统的输出信号引回到输入端的过程叫做反馈。被控参数的测量值称为反馈信号。反馈信号使系统原来的输入信号减弱的为负反馈；反之为正反馈。正、负分别用“+”和“-”表示，用“⊙”代表比较器。

当系统的被控参数受干扰而上升（或下降）时，我们希望通过控制使其尽快地回到给定值。如果采用正反馈，由于反馈的增强输入信号的控制，结果只能使被控制参数越升越高（或月降越低），使偏差K kg cm Q L R ==--=∆∆=m in/362.065

.091.07.15252为一阶惯性环节

118362.01)()()(+=

=

s Q L G s S s

越来越大。这在自动控制系统中是不能允许的。一般采用负反馈。

4.2闭环系统原理方框图

选择单回路闭环控制系统即可满足控制要求（如图1）方框图如下：

闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的。当输出量偏离期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响，从而使系统具有自动修正被控制量偏离的能力，减小系统误差，较好地实现了自动控制的功能。

五、 仪表选择及传递函数求取

选择DDZ —Ⅱ(电动单元组合仪表)信号为统一标准0～

10mA(DC)

5.1调节器 DTL —321

P=1～200% Ti=0～200s Toc=0～300s

5.2伺服放大器、调节阀

ZPE —1 电动伺服放大器 ZAZ 电动调节阀

mA kg in ax Q Q Z Q K v /15.010

5.1Im Im min max 1==--=∆∆=其放大倍数