水箱液位控制系统

《MATLAB》大作业————水箱液位控制系统设计

学院：电气工程学院

班级：10自动化1班

学号：P********

姓名：陈*

指导老师：***

目录

引言 (3)

一、液位控制系统的原理 (3)

二、控制系统元件的选择 (5)

三、控制系统的参数确定 (6)

四、控制系统的仿真结果 (8)

五、设计总结 (10)

参考文献 (10)

水箱液位控制系统

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。

引言：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。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、顶层水箱等作为基本蓄水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管不给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护给水系统的正常运作。

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。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。

水箱液位控制系统式进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象和二阶系统对象。用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果过水位的变化直接地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指

标，准确评估控制性能。

这种系统不仅适用于农业和生活用水的控制，也适用于工业上的液位控制和马桶的给水控制。

一、液位控制系统的原理

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。[2]

二、控制系统元件的选择

实验原理图如下：

图（1）水箱液位控制系统的原理图

水箱液位控制系统如图（1）所示。该体统的任务是使液面高度保持在一个设定的值上。水箱是被控对象，水箱液位是被控量，电位器设定的电压u（表示液位的希望值y）是给定量，出水量为干扰量。

系统的工作说明：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。

系统的理方块图如图（2）

图（2）水箱液位控制系统的方块图[1]

现在将图（2） 中每个环节用s 域的传递函数表示，画出系统动态结构图，如图（3） 所示。

图（3） [6]

三、控制系统的参数确定

系统动态结构图中各环节传递函数的解释： K 1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数。

G 1是电动机的传递函数()

121+=Ts s K G ， 该公式是参考了网上的相关信息，它是输入电压与电机转速的或电机轴转角的传递函数。

K 3是进水阀门的传递系数，电机转动实现了阀门的开度调节，进而控制录的

入水量，电动机转速与入水量可以简化为一个K 3 。

G 2是入水量与水箱液位的传递函数12+=

RCs R G ，如果水箱没有出水口，则Cs

G 12= ，在建立G 2这个传递函数时，是将水箱整个模型等效为一个RC 网络电路。