水箱液位自动控制系统的设计

1、勻动控制原理课程设计说明水箱液位自动控制系统的设计姓学学专名:口号:院:业:指导教师:2018年1 月目录设计題目mm2、磁的期分析 3、帥系统耿5.系址號性分析騙正106、mi五、111112r设计題目液位控制系统號用如下晰示.o：（1）恤相关贡札分析系统的工作原跖 刪被控对叙敲控射胎定It ffli出系统加他（2）分析叙钿个坏节的输入输出关系，代入HI关爹数求取系统传朋数.（3）分析系伽城件僻嗽域性版（4）运川黝迹法或斛法校正系统使Z満足给删能怖變求.（M 件砒能雙求號）（5）分脚楼枕槪求人训MATLAB工儿绪岀源代臥二、设计报吿正文k摘要在社会经济E速发展的今天水在人们生活和生产中包征越

2、来越朮要的作用. 任匸业生产以及H常生活应用中，常常会需耍对容器中的液位进行n动控制.比 如n动控制水納、水池、水ffl、W炉尊容器中的襦水lib生沾中抽水马桶的n动 补水控制、n动电热水器、电开水机的n动进水控制筲，所以水箱液位控M系统 在生沾成为必不町少的东西.设计一个合理、钮定性强的水箱液位控制系统对 生活的盘义咆大，一个完金的水箱液位控制系统主要山水箱、电动机、进水阀门、 浮子连trw件构成：操作简便，町靠性好，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，値出结构矗图，描述毎一个元件的瞬 ft，井吗出俺个元件的传递Xlft，用Matlab/Sinulink对系

3、统进并分析关键7：水ffl液位控制系统电动机建模传递瞬ft2、系统的ffl成分析n动控制系统的组成（1）n动控制系统由控制对*和制动控制设备组成.即由控制对象、传棉器、 控關器和执行器所组成的闭环控制系统.（2）所iW的控制对欽是ffi所需控制的机器、S為、或生产过程.（3）被控參数足所筒控制和调节的物理或状态?数化，W控制对钦的输出倍 也如锚炉温度、水箱水位等（4）被控参数的预定他（理ftHft）称为给定（ft （设定他）给定他与feft參ft的 测RfftZZ?成为筮.（5）扰动足折除给定输入Z外，对系统的输Hl/jttJ响的仿寸的总称.（6）传感器足ffi把破控參（成比例地变为几他物理I

4、ft借I；的廉件或仪衣.如 热电阻，热电他等如果传想器所发出的位号与后面控制所求的倍号不一致时, 则35®憎加一个变送器，将传想器的输出信号转换成后而所嬰求的信号.（?）控制器楚ffi将传想器送来的信号与给定値进行比较，根据比结果的差 大小，按照预定的控制规悚输出控制倍寸的廉件或仪农（8）执行器楚动力部件,它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开度， 对控制对象施加輕制作用，使破控对象保持在给定血3、酬系统it模液位於制系m.i液位糊係统的任务是便細紋保曲-个i姚枷1:系统存个尤件如 h（1）、水箱电用放大肚功串放大器 电动机，城速肚阀门 胛连杆放大元件： 执行元件； 测帧件；

5、叢控賦：水轲液位给定lit：电位器给定电用U （即液位的（:）、输出氐实际水位JUII作脈理：当电位器电剧位T中间位賈时（对应给定电压U）时.即水 位处在金甲啲ifli叽同时出水Of进水轧此时电动机不动，系统处在半状 迹；耳诫水fib划I水尿发生变化，专液rfri升岛时浮子位rt也相应升础通过杠杆 作川便电位器电刷从中M位下臥产生电位息通过放大器放大.给电动机一 个控制电用，岖动电动机通过彼速器小进水mm，使进入水w的浪体流 «少.这时，液闻卜陥浮子位111应卜侔rt到电付器电剧M到中间位忆系 统欧新恢整半#1.反Z，液位F陥系统会用大进水阀门开甌加大进水Ift使浪 位升岛到金朋岛度

6、.系统的方块用如下i丘电八枚?一T放大器|d电动I£ ¥連卜一1进水阀门14水祐F空2浮子连杆、电位器r现将毎个坏节用S域的传递由6农示，iffli出系统动态结构图如下图所示:K1：放大元件传邊惭数，是设定电位与反ffl信号比较后输出的误差信号经放大器Gifl益的倍2数。G2:电动机传递旳(是输入电压与电机转速的或电机轴转角的传递曲6 -治护为电机模块开环增盘Tm为机电时间常数.是-个二阶曲 数.1(3:«速器传递函数，K3= 1/i, i为速比.K4：进水阀门的传递系数.电机转动实现了阀门的开度调节，进而控制入水a.电动机转速与入水*可以简化为一个K4 G5：入

7、水a与水箱液位的传递函数K6:浮子连杆传递帽数，液位通过浮子反映在电位匕的传递参数.根据以上S域方框图及毎个元件的传递曲数，可以将个系统m纳为:KKiK3KK5系统的闭环传递函数为:SB - S (As + 1)( 7 + 1) + KK2K3KK5Ke4.系统參ft选择(1)、放大器：放大单元将差值信号放大，以方便驱动电动机放大倍数为, 没彳(饋纲.故可取K产10,即放大10倍叫(0 A(2) 电动机：电枢回路电压平衡方程 以°)为输出Rt叫°)为输入ft的自流电动机微分方程:屮，£+y+Kj+(M+qC皿(1)("dt在工程应用中.犹像电枢电路电悠L

8、牧小.通常忽略不计.W而上式町简化为 人嘤 +心)-瓦叫(t)-KM, 0)dt式中二RJJ(K(+c.cj,是电动机的时间常数.3q/(RA + CQ, K严K/(RA + CQ是电动机传递系数. 上面我们已经求的电枢控制ft流电动机简化后的微分方程为：G竽h略二入u(t)-KNc(t)式中M't)可视为负我扰动转矩.ojs).£yz)._!S由传递rfi数定义，于是彳j：M,何 “) + 1Om(S)心+1)Ut(s) 下图是它的方框图可取输出转速与输入电压Z间的传递函数为：-)G 心=a s0Js+l)(3) 、减速器：是一个比例环节，将电机输出的大的转速转换为比较低的

9、转速 可取传递函数为：- = K3-l/8(4) 、进水糾门传递Ffift：设阀门关闭时的角度为零，全部打开的角度为nm 传递关系为变比系数K"故：n(S)=K4*W2 (s)可取传递函数为:n (s)=匕Qm (s)4G厂丄(5)、水札7s+ 1,在健立4这个传递rfift时，楚将水箱个模朝等效为一个RC网络电路.其中*5=r. T=RC> C称为水窑，虑义为水箱的底面 枳，R称为水PII. &义足产生m位流R变化需嬰的液位雄.可取传递曲&为：Qj,)=-f) 0.5S+1(6)、从浮子到电位器:淨子山液位射(变化令与杠杆支点和平街位令形 成一个m ,专液位在

10、很小范用内变化时可以近似认为变化度h0. 乂电位输川电爪与触的传递廉数为u(s).K玫也未变化岛度与电位1«输出电用Z间传递怖数为U(.)%*Ah .U(s)=l*Ah.5.系统稳定性分析与侨正(1)分析：代入备环节传遢谢数參ft町得系统的开环传遢肉(为: 牝)屮朋.3.50 sfL+im+l) 0.05? *0.68-+SjqKjKjKK,闭环传递曲数为:必 XL时iMTf+D+kkkk% 人3.5"o.O5«o.688+3.5系统的开环波轩图为：BodaOagncnGm > 107 dB M 4.47 ndPsk. Pm - 26 7 de«

11、(«l 2.26 Mila w ® epAMUevsw®FrMuency (raM)(CMd«pTime Iveconds)由图可知，相位裕度为！ = 28产，幅值裕度为；h = 10.7dBttll：频率为：珥. = 2:26"%系统的单.位脉冲响应如H43415godflChAgiwn&n = 12j4 dB I JIracVx| , Pm =45.3 dog (al J.lfindV)系统阶跃响应如下:h<JI,In I.Slapfigspflnw4Tim? Iwcctl町知t系统的粗调!ilMp-43.6%.调节时间为=

12、5.63s站：要求系统的相位裕心 "5%护坤械止频紅叫>"启幺 ihJ叫口虬他ro<Z* IM此砒W采用血跚止 需煙补偿的州和伽伯为；今*0+($70*4亍羽亍w(n二3炉 越八1减沁g=1f血 r对对1+帧此训定斯的H坏截止频率叫-隹耳出炖该/J屮(，(通过Hat lab从周仃频率特怕图可fy h训=¥=巫卓训=1 $2%闵益二石S亠吆补Kwffi 为：a所以校止叢MW递函数为：01国/皿“"O.185S + 1所W枪11；的斤坏仏輕函&为yG) = G s)*CJ何+_严'O.,185s + 1 0©f+0.6

13、+ s闵口療统川坏波犠1轄-_u-dn* talons一/一eap) sp-ir"IVlUFrflqwncv幵环fill.«半为：q"巧“叹严% 符介憂求郴位 肿堂>i：孑二45 J® > 45 ?-r fr S求O 556S+1*J 5fi I卜洽坏传谨m&从 埶霄2 空一 =0 1紂*1 60冒勺+ 06矿*麓1 G(s) 0-556SHlj 5* 0 185s*l 0 05? +0 6s- + sl.flC.E 一neHL4 IiQ2EThtw 帖 D«d 伸町也 泵统的超调M：Mp-23.Pi.调节时间:M产11由此

14、可知，校正后的系统性能比校正前大大提升，而且符合预设要求。6,系塚仿真征JUU訪屮删用Siiiuhtik仍ft系统*新建SijQulink Model,并绘制出系统框ra0.556&*1 10.18&1*1 1Tranifar Ffn*b5 1F151绅Tmrd Ftn1Tmnxfar FCnJ1.210.80.6输出波形符合要求Ctfi6flh3归盘 I三.总结此次设计取点对黍统的稳定性也进行r分析时泵统所盂婪的部分xft也进 行必咚的分析.井対部分部件建也&学模熨-通过本次课秤设计、学到门H 纠$本|：没仃的衆M*在 个爭厘期的时间也 我学公rtuj何任力殳1

15、74;的时何呐找 到门己需婪的请料，这址我此次设计的牛收获.同时此次i殳廿也丰富我时门 动控W理论的进 步研究.r解r系统险41忙対拧:M系统的影响.学会门H时城 分析方法和频域分析方法对设计进疔分析，除此之外.这次课程设计充分利用钊 Mat lab M助分折，熟悉的Mathb的常用操作，的确是 个很f川打很强人的我 件，同时也通过查阅相关畫FI*能够nc动戸定成这个ail也是讣我很仃收茯的 i方面a四附录用Matlab进行分析时所需程序代码: den= 1 0; num=;G=tf(num,den) %原系统开环传递函数 G1=feedback(G,1) %原系统闭环传递函数 margin(G) %原系统伯德图step(G1) %原系统单位阶跃响应 impulse(G1) %原系统单位脉