赵祥 液位系统设计

1、电子与电气工程学院课程设计报告课 程 名 称 自动控制原理课程 设 计 题 目 液位控制系统设计 所学专业名称 自动化 班 级 134 学 号 2013211414 学 生 姓 名 赵祥 指 导 教 师 邹国柱 2015年 12 月 17 日电气学院自动控制原理课程设计任 务 书设计名称： 液位控制系统设计 学生姓名： 赵祥 指导教师： 邹国柱 起止时间：自 2015 年 12 月 8 日起 至 2015 年 12 月 17 日止一、课程设计目的1.学习掌握液位控制系统的设计方法和性能测试方法。2.将学习的基本理论和实践相结合，提高我们的综合能力。3.培养实践能力、分析能力和解决实际问题的能力

2、。二、课程设计任务和基本要求设计任务： 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。基本要求：1. 所成电路能够实现基本的设计功能。2. 各路输出电压能够独立工作、相互不影响，具有有一定的负载能力，能适应各路实验电源的需要。3. 有自平衡能力的单元原件以及无自平衡能力的单元原件。4

3、. 控制器具有正反作用。目录摘要与关键词.11、系统元件的选择.21.1有自平衡能力的单容元件.2 1.2无自平衡能力的单容元件. .32、单容对象的参数.4 2.1单容的特性参数.43、控制器参数的整定. .53.1 参数的确定. .5 3.2 电动机的数学模型.63.3 控制系统的数学模型.64、控制系统的校正.64.1 控制器的正反作用.7 4.2 串级控制系统.75、系统稳定性的分析.85.1 系统的稳定性分析.8 5.2 控制系统的稳态误差.96、结论与心得. .107、 参考文献.118、致谢.12、滁州学院本科课程设计摘要与关键词摘要：水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进

4、行调节和改变的系统，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；系统稳定；Abstract and KeywordsAbstract：Automatic water level control system is the use of its water level changes in regulation and changed system, with its own balance by

5、 a motor driven water level auto-complete recovery. When the water level is detected by the sensor and the water level reaches the set value changes, own water tank valve closes to prevent overflow, when detecting the level below the set value, the valve opens, to raise the level, so as to control t

6、he level of purposeKeywords：There are self-balancing capabilities; no self-balancing capability; motor; system stability;1、系统元件的选择1.1有自平衡能力的单容元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 图1-1单容水箱图1

7、-1是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为： 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。1.2 无自平衡能力的单容元件 图1-2单容积分水箱图2-1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。求取拉普拉斯变换，可得水箱的

8、传递函数： 这是一个积分环节。它的单位阶跃响应为： 图1-2 两种水箱变化的比较图1-2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

9、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。2、单容对象的参数2.1 单容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，将引起水位的上升。水位上升的结果，流出量就会增加。流出量的增大又限制了水位的进一步上升。经过一个动态过程后，总能重新找到一个平衡点，使流入量与流出量相等，水位不再变化。图4（b）是无自平衡能力的单容水箱，在其内部

10、不存在负反馈机制，水位只与流量有关。具有自平衡能力的被控对象，本身对扰动有一定的克服能力，控制性能较好。而无自平衡能力的被控对象，其传递函数的极点位于虚轴上，是不稳定的。被控变量若要按要求的规律变化，必须完全依赖于对象外部的控制系统。 图2-1 两种类型的单容水箱（a）有自平衡能力 （b）无自平衡能力 容量系数可定义为C=被控对象储存的物质或能量的变化量/输出的变化量。容量系数对不同的被控对象有不同的物理意义，如水箱的横截面积，电容器的电容量。热力系统得热容量等。在我们推导系统或环节的传递函数时，经常遇到T 称为系统或环节的时间常数，它是系统或环节惯性大小的量度。式中的R称为阻力系数。如电路的

11、电阻，流体流动的液阻，传热过程的热阻等。被控对象的容量系数，表示了被控对象抵抗扰动的能力，如水箱的横截面积大，同样流入量下，水位上升得就慢。电路的电容量大，在同样充电电流下，电压上升得就慢。惯性环节的惯性，其根本原因就是因为它具有存贮能力。但这并不是决定惯性大小的唯一的因素。3、控制器参数的整定3.1 参数的确定控制器参数的整定，对PID控制规律来说，就是恰当选择比例度 （或比例放大系数 ）、积分时间常数和微分时间常数的值。控制器参数整定的方法有两类，一类是理论计算法，一类是工程整定法。已知被控对象较准确的数学模型，可以应用理论计算法。用传统的时域法、频率法、根轨迹法都可以进行整定，利用计算机

12、进行参数整定和优化的方法也很多。往往由于数学模型的原因，理论计算得到的数据精度不高，但它却可以为工程整定法提供指导。工程整定法易于掌握，是比较实用的方法。常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法等。稳定边界法又称为临界比例度法。具体过程是，先将控制器变为比例控制器，逐渐减小比例带 ，直到出现等幅振荡。这是的比例度称为临界比例度，记为 。记下两个波峰相距的时间（临界振荡周期），根据和 ，按表一进行计算。表一 稳定边界法计算公式表（衰减率）控制规律比例度（%）积分时间(min)微分时间(min)衰减曲线法：衰减曲线法是使系统产生衰减振荡，根据衰减振荡参数来确定控制器参数。工程上认为，衰

13、减率 (衰减比为4：1）时，系统的动态过程较适宜。因此，一般都采用4：1衰减曲线来进行整定。具体过程是：先将控制器变成比例控制器，比例度取较大的值，给定值为阶跃函数。3.2 电动机的数学模型直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。设为输入的控制电压电枢电流为电机产生的主动力矩为电机轴的角速为电机的电感为电枢导数的电阻为电枢转动中产

14、生的反电势为电机和负载的转动惯量。3.3 控制系统的数学模型 图3-3过程控制系统结构图传递函数为： 控制器参数的确定测的该控制系统开环阶跃响应的参数后得到的近似传递函数为：4、 控制系统的校正在工业生产过程中，被控对象的特性并不是不变的。当被控对象特性发生变化后，原定整定的 PID控制参数就不是最合适的参数了，必须重新整定。这将给连续化的生产带来不利的影响。有一种控制系统，能根据被控对象特性的变化或其他条件的变化，自动调整控制系统的控制规律和控制器的控制参数，使控制系统始终处于最佳状态，我们称这种控制系统为自适应控制系统。能对控制器参数进行自动整定的自适应控制系统成为自校正系统或自整定系统。

15、 图4-1 自校正系统的工作原理图4-1是自校整系统的工作原理图。自校正系统与一般控制系统相比，增加了两种功能：一是根据控制器输出和被控对象输出分析对象的特性，即对对象进行识别；二是根据识别结果计算并改变控制器参数，称为决策。例如假定被控对象的模型对象识别环节就会根据测量的值对K,T和 进行估计。决策环节则根据求出的对象参数按规定的整定规则计算出控制器参数并对控制器参数进行修改。4.1 控制器的正反作用控制系统要能正常工作，必须有一个负反馈控制系统。为了保证这一点，必须正确选择各环节的正反作用。控制器的正反作用是根据被控变量的测量值和控制器输出之间的关系确定的。被控变量测量值增加时，控制器的输

16、出也增加，则控制器为正作用控制器，并规定其稳态放大系数为负。被控对象的测量值增加时，控制器的输出值减小，则控制器为反作用控制器，并规定器稳态放大系数为正。被控对象的输出与调节阀内的介质流量变化决定了被控对象的正反作用。介质流量增加，被控对象的输出也增加，则被控对象为正作用，规定其放大系数为正。介质流量增加时，被控对象输出减小，则被控对象为反作用，规定其放大系数为负。执行器气开式为正作用，气关式为反作用，并规定正作用调节阀的放大系数为正，反作用的为负。变送器的作用一般都是正作用，其放大系数为正。要保证系统是负反馈系统，组成系统的各环节的正反作用的乘积必须为正。这可用各环节的放大系数来表示。这里相

17、乘只取正符号计算，不必计算放大系数的具体数值。选择控制器的正反作用的步骤是先根据工艺及安全要求确定调节阀正反作用，被控对象的正反作用是固有的特性，测量变送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再选择控制器的正反作用，使的乘积为正。4.2 串级控制系统串级控制系统是在单回路控制系统的基础上发展起来的，对改善控制系统的控制品质非常有效，在过程控制中应用相当广泛，是一种典型的复杂控制系统。图4-2夹套反应器的温度控制 我们通过一个实例来说明串级控制原理。图九是夹套式反应釜温度控制的例子。反应釜中的放热化学反应所产生的热量必须被传输出去，以保证化学反应的温度条件。冷却水通过夹套把反映热带走。图4-

18、2是一个单回路控制系统。TT表示温度测量变送器，TC表示温度控制器。这个控制系统的结构图见图10。影响反应釜反应温度的因素来自反应物料和冷却水两个方面，用表示物料方面的扰动，表示冷却水方面的扰动。因为这两个扰动的作用点不同，对反应釜温度 的影响也不一样。若冷却水发生扰动，如冷却水入口水温度突然升高或冷却水流量突然减小，这个扰动经过夹套、反应釜的槽壁、反应釜（反应槽）才能对 发生影响，由于被控对象热容量大，热传递过程的惯性很大。在 发生变化后，控制器才能开大冷却水进水调节阀，加大流量，但影响到 又要经过一个热传递过程。这将使反应釜的温度 发生较大的偏差。 5 、系统的稳定性分析5.1统的稳定性分

19、析用劳斯判据分析系统的稳定性如下，已知系统的特征方程如下： 有计算结果可知，劳斯表第一列系数符号相同，故系统是稳定的。5.2 控制系统的稳态误差开环传递函数表示为： 式中K表示系统的开环放大系数。N表示开环传递函数所包含的积分环节数。在分析控制系统的稳态误差时，我们根据系统开环传递函数所含的积分环节数来对系统进行分类。若N=0，即控制系统开环传递函数不含积分环节，称为0型系统。若N=I,则称为I型系统。N= ,称为型系统。现在，我们来讨论不同类型的控制系统在典型输入信号作用下的稳态误差。单位斜坡函数输入的稳态误差。单位斜坡函数输入下0型系统的稳态误差为无穷大。这说明0型系统不能跟踪斜坡函数。I

20、型系统虽然可以跟踪单位斜坡输入函数，但存在稳态误差，即I型系统对斜坡输入是有差的。若要在单位斜坡函数作用下达到无稳态误差的控制精度，系统开环传递函数必须含有二个以上的积分环节。通过对该系统的判断得知该系统是稳定的系统，设计对系统的各种情况进行了分析，对自动控制理论有了深刻的了解。结论此次设计重点从PID对系统进行了校正与控制，对系统的稳定性也进行了分析，对系统所需要的部分元件也进行了必要的分析，并对部分部件建立了数学模型设计存在不足之处是对电源的要求和电动机的要求高。此次设计对系统的时域分析与频域分析部分略了些，因为在设计处对此已经进行了深刻的研究和谈讨。设计同时参考了一些课外质料引入了一些新

21、的名词，不过在文章中都有所介绍。设计弥补了在学习上的一些不足，丰富了一些新的思路在设计之中。这次课程设计充分的把我所学的知识用到实践中，并且使我初步掌握了自动控制系统设计的基本方法。我们要先设计总体框架，然后把框架进行分解、分析。我们只有把每个小模块都设计好了才能设计成大电路。在搭接电路时更应该如此，我们搭完每个小模块时就要开始对它进行调试，调试成功以后再把模块一个一个连接起来并且每接入一个模块就要进行调试。所以调试是一个很艰难的阶段，我们必须做到细心、耐心、恒心；否则电路很难会成功。通过几周的课程设计，使我对自动控制系统有了进一步的了解通过翻阅资料，上网搜索等，我对原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识。在此我要感谢老师的谆谆教导和同学们