水箱液位控制系统的设计及实物调试

自动控制系统课程设计

1、设计题目：水箱液位控制系统的设计及实物调试

2、设计目的

1、加强对自动控制原理这门课程的认识，初步认识工程设计方法。

2、通过对水箱液位控制系统的设计，进一步理解书本知识，提高实践能力，增强分析问题，解决问题的能力。

3、学习并掌握Matlab的使用方法，学会用Matlab仿真。

4、学会对仿真结果进行分析，计算，并应用到实践设计中去。

3、设计设备

1、ACCC—Ⅰ型自动控制理论及计算机控制技术实验装置

2、数字式万用表

3、示波器

4、MATLAB软件

4、设计任务

（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解水箱液位控制系统的工作原理。

（2）总体方案的构思

根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。

（3）总体方案的确定

可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。（4）系统实现

搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据

5、设计要求

1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。

2．选择系统主电路各元部件，进行主电路设计，并完成系统调试。 3．构成开环系统，并测其动态特性。 4．测出各环节的放大倍数及其时间常数。 5．分析单闭环无差系统的动态性能。 6．比较开环时和闭环时的动态响应。

7．构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ。

6、MATLAB 软件仿真

6．1 软件仿真部分设计要求

1、参考文献【1】完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数；

2、带入表中的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数；

3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标；

4、分步骤实现系统的PID 校正，分别进行比例控制（P ）校正，比例微分控制（PD ）校正，比例积分控制（PI ）校正和比例积分微分控制（PID ）校正；

5、运用《自动控制原理》知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能；

6、设计后的系统满足如下性能指标：s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ；

7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s ，幅值为5V 。 6．2 模型建立

1． “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图

参考文献【1】，可以得到水箱液位控制系统的工艺过程原理图如图6.2.1所示

图6.2.1

图中：

Q—水箱流入量;

1

Q—水箱流出量;

2

A—水箱截面积;

u—进水阀开度;

f—出水阀开度;

h—水箱液位高度;

h—水箱初始液位高度;

K—阀体流量比例系数。

2. 软件仿真单元框图

根据工艺过程原理图（图6.2.1）可设计出仿真单元的原理图：

图6.2.2

3. 水箱液位系统相关参数

表6.2.3

6. 3 MALAB 仿真 1. 超前串联校正仿真： (1)输入程序

根据文献【1】中提供的方法以及自动控制原理课程设计指导书中提供的参数推算开环传递函数)(s G 假设f 不变, 系统初始态为稳态, 由提供的参数得

2010,10,2m A K h ===。

则：

dt

dh

A

Q -Q 21=ΔΔ （1） u K Q ⨯=∆1 （2） h K Q ⨯=2 （3）

对（3）式在0h 处进行线性化, 得:

h h K Q ∆⨯⨯=

∆0

22 （4）

对（1）、（2）、（4）式进行拉普拉斯变换后得：

)()()(21s H A s s Q s Q ⨯⨯=- （5） )()(1s U K s Q ⨯= （6）

)(2)(0

2s H h K s Q ⨯⨯=

（7）

由（5）、（6）、（7）式联立化简得到系统的闭环传递函数

)

1536.3(1

)(+=

s s G

在MATLAB 命令窗口定义好模型)

1536.3(1

)(+=s s G ，

MATLAB 程序代码如下： num=1

den=[3.536,1] G=tf(num,den)

得到结果如下： num = 1 den =

3.5360 1.0000

Transfer function: 1 ----------- 3.536 s + 1 >> sisotool(G)

按回车键进入SISO 系统设计工具进行系统设计。 （2）将模型载入SISO 设计工具

通过命令载入模型，完成整个系统的闭环结构，根据系统的相关参数，可知需修改54.3=H ，10=F 。

通过调节系统增益来改善系统反应速度，通过增加积分环节以调节系统的稳态误差，通过增加调节函数的零极点并调节零极点位置来改变系统的稳定性减小误差，通过以上各项措施来改善系统的性能指标并最终使系统达到要求的性能指标

1. 调整增益

图5.3.1

2. 增加超前校正网络并调整超前校正网络的零极点分布

图5.3.2