水箱水位操纵系统的设计毕业设计

1、目录1绪论运算机模拟操纵系统1系统的分类2系统的数学模型2运算机模拟操纵系统2数学模型及其成立方式3数学模型的表达形式与对模型的要求3成立数学模型的大体方式42水箱水位系统概述5水箱水位操纵系统硬件设计6有自平稳能力的单容元件6电动机的数学模型7减速器的传递函数8系统的传递函数8操纵器的确信9操纵器的正反作用103硬件电路12操纵系统的校正12操纵系统的稳态误差134仿真软件介绍14MATLAB的启动和退出14操作桌面简介15命令窗口菜单(CommandWindow)简介16变量18的矩阵运算19仿真205结论206参考文献211绪论运算机模拟操纵系统运算机模拟操纵系统是在自动化操纵技术和运算

2、机技术的飞速进展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典操纵理论已经进展成熟，并在很多工程技术领域取得了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂操纵规律的实现上很难知足更高的要求。现代操纵理论的进展为自动操纵系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而运算机技术的进展为新型操纵方式的实现提供了超级有效的手腕，二者的结合极大的推动了自动操纵技术的进展。进而运算机模拟操纵系统普遍的应用于工厂生产，慢慢融入于生产中，各类大型工厂均离不开运算机操纵系统。1.1.1系统的分类按系统性能分：线性系统和非线性系统；持续系统和离散系统；定常系统和时变系统：确信系统和不确信系统。一、线性持续系统：用线性微分方程式来描

3、述，若是微分方程的系数为常数,那么为定常系统；若是系数随时刻而转变，那么为时变系统。尔后咱们所讨论的系统要紧以线性定常持续系统为主。二、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这种系统用差分方程来描述。3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。1.1.2系统的数学模型在线性系统理论中，一样经常使用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部份分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，能够彼此进行转换。运算机模拟操纵系统模拟操纵系统由给定输入、模糊操纵器、操纵对象、检测变送装置、反馈信号

4、与给定输入的相加环节等组成。模拟操纵系统的遍地均为持续信号，在模拟系统中，给定值与反馈值通过比较器比较产生误差，操纵器对误差进行调剂计算，产生操纵信号驱动执行机构，从而被控参数的值达到预期值。其典型结构如以下图所示：给定值被控参数Q_T操纵器一执行器一被控对象>反一一馈值1监测装置卜数学模型及其成立方式1.3.1 数学模型的表达形式与对模型的要求从最普遍的意义上说，数学模型是事物行为规律的数学描述。依照所描述的是事物在稳态下的行为规律仍是在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之分。一样来讲，静态模型较易患到，动态特性往往成为建模的关键所在。1 .成立数学模型的目的（1）制定优化的操作方

5、案（2）制定操纵系统的设计方案，利用数学模型进行仿真研究（3）进行操纵系统调试和操纵器参数的整定（4）设计工业进程的故障检测与诊断系统（5）制订大型设备启动和停车的操作方案2 .被控对象数学模型的表达形式众所熟知，被控对象的数学模型能够采取各类不同的表达形式，要紧能够从一下几个观点加以划分：（1）按系统的持续性分为持续系统、离散系统模型和混杂系统模型。（2）按模型的结构划分为输入输出模型和状态空间模型（3）输入输出模型乂可按论域划分为时域表达一一阶跃响应、脉冲响应；频域表达一一传递函数在操纵系统的设计中，所需要的被控对象数学模型在表达式上是因情形而异的。3 .被控对象数学模型的利用方式被控对象

6、的数学模型只是在进行操纵系统的设计研究时或在操纵系统的调试整按时期中发挥作用。这种利用方式一样是离线的。近十连年来，由于运算机的进展和普及，接踵推出一类新型操纵系统，其特点是要求把被控对象的数学模型作为一个组成部份嵌入操纵系统中，预测操纵系统即是一个例子。4 .对被控对象数学模型的要求作为数学模型，第一是要求它准确靠得住，但这并非意味着越准确越好。应依如实际应用情形提出适当的要求。超过实际需要的准确性要求必然造成没必要要的浪费。在线运用的数学模型还有实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。一样说，用于操纵的的数学模型并非要求超级准确。闭环操纵本身具有必然的鲁棒性，因为模型的误差能够视为扰动，

7、而闭环操纵在某种程度上具有自动排除扰动阻碍的能力。实际生产进程的动态特性是超级复杂的，操纵人员在成立其数学模型时.,不能不突出要紧因素，忽略次要因素，不然就得不到可用的模型。为此往往需要做很多近似处置，例如线性化、散布参数系统集总化和模型降价处置等。在这方面有时很宝贵到工艺人员的明白得。从工艺人员看来，有些近似处置简直是难以同意的，但它却能知足操纵的要求。1.3. 2成立数学模型的大体方式简历数学模型的大体方式有两个：机理法和实验法。1 .机理法建模用机理法建模确实是依照生产进程中实际发生的转变机理，写出各类有关的平稳方程如：物质平稳方程，能量平稳方程，动量平稳方程，相平稳方程，反映物体运动、

8、传热、传质、化学反映等大体规律的方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中取得所需的数学模型。由此可见，用机理建模的首要条件是生产进程的机理必需已经成为人们充分把握，而且能够比较确切的加以数学描述。第二，很显然，除非是超级简单的被控对象，不然很宝贵到以紧凑的数学形式表达的模型。近几十年来，随着电子运算机的普及利用和数值分析方式的进展，对数学模型的的研究有了迅速的进展。能够说，只要机理清楚，就能够够利用运算机求解几乎任何复杂系统的数学模型。依照对模型的要求，合理的近似假定老是必不可少的。模型应该尽可能简单，同时保证达到合理的精度。有时还需要考虑实时性的问题。用机理建模时，有时也会显现模型中有

9、某些系数或参数难以确信的情形。这时能够用实验拟合方式或进程辨识方式把这些未知量估量出来。2 .实验法建模实验法一样只用于成立输入输出模型。它是依照工业进程的输入和输出的实测数据进行某些数学处置后取得的模型。它的要紧特点是把被研究的工业进程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深切把握其内部机理。但是，这并非意味着能够对内部机理亳无所知。进程的动态特性只有当它处于变更状态下才会表现出来，在稳态下是表现不出来的。因此为了取得动态特性，必需是被研究的进程处于被鼓励的状态，例如人为施加一个阶跃扰动或脉冲扰动等。为了有效的进行这种动态特性测试，仍然有必要对进程内部机理有明确的定

10、性了解，例如究竟有那些要紧因素在起作用，它们之间的因果关系如何等等。丰硕的验前知识无疑会有助于成功地用实验法成立数学模型。那些内部机理尚未被人们充分了解的进程是难以用实验法成立其准确的动态数学模型的。用实验法建模一样比用机理法要简单和省力，尤其是关于那些复杂的工业进程更为明显。若是二者都能达到一样的目的，一样都采纳实验法建模。实验法建模乂可分为经典辨识法和现代辨识法两大类，它们大致能够按是不是必需利用运算机进行数据处置为分界限。经典辨识法不考虑测试数据中偶然性误差的阻碍，它只需对少量的测试数据进行比较简单的数学处置，计算工作量一样很小，能够不用运算机。现代辨识法的特点是能够排除测试数据中的偶然

11、性误差即噪声的阻碍，为此就需要处置大量的测试数据，运算机是不可缺少的工具。它所涉及的内容很丰硕,已经形成一个专门的学科分支。2水箱水位系统概述在能源、化工等多个领域中普遍存在着各类液位操纵系统液。各类操纵方式在液位操纵系统中也层出不穷，如较经常使用的浮子式、磁电式和接近开关式。而随着我国工业自动化程度的提高，规模的扩大，在工程中液位操纵的运算机操纵取得愈来愈多的应用。液位操纵系统的检测及运算机操纵已成为工业生产自动化的一个重要方面。本次课程设计一水箱水位系统为例，设计水箱水位系统的模拟操纵系统，对水箱水位操纵系统进行建模设计。水箱水位操纵系统硬件设计液位自动操纵是通过操纵投料阀来操纵液位的高低

12、，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，避免物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到操纵液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位操纵:常压容器和压力容器的液位操纵，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动操纵系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动操纵器组成。依照用户需要也可采纳操纵泵启停或改变电机频率方式来进行液位操纵。结构简单，安装方便，操作简便直观，能够长期持续稳固在无人监控状态下运行。2.1.1有自平稳能力的单容元件若是被控对象在扰动作用下偏离了原先的平稳状态，在没有外部干与的情形下（指没有自动操纵或人工操纵参与），被控变量依托被控对象内部的反馈机理

13、，能自发达到新的平稳状态，咱们称这种对象是有自平稳能力的被控对象。具有自平衡能力的单容对象的传递函数为K这是个一阶惯性环节。描述这种对象的参数是时刻常数T和放大系数Ko其中T二RC,C为水箱的横截而积，R为输出管道阀门的阻力。T称为水箱的时刻常数。K称为水箱的放大系数。K=0一阶系统的特性咱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。作为进程操纵的被控对象，单容对象的时刻常数比较大。2.1.2电动机的数学模型直流电动机的数学模型。直流电动性能够在较宽的速度范围和负载范围内取得持续和准确地操纵，因此在操纵工程中应用超级普遍。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

14、枢电流或改变激磁电流都能够对电流电机的力矩和转速进行操纵。在这种操纵方式中，激磁电流恒定，操纵电压加在电枢上，这是一种普遍采纳的操纵方式。设必士）为输入的操纵电压（巧i电枢电流5）M为电机产生的主动力矩3为电机轴的角速度（叫郎£）&为电机的电感（笈）R为电枢导数的电阻（。）e为电枢转动中产生的反电势（巧J为电机和负载的转动惯量（Kg*a2）依照电路的克希霍夫定理d。Lm十麻十即）=以整理后2d3加dMrTeTm-十7+3=Ku-KTe4-M-）戊或OLt_l2一式中：'一又称为直流电动机的电气时刻常数；m称为直流电动机的机电时刻常数；1_H%=覆,2=用芯为比例系数。

15、直流电动机电枢绕组的电感比较小，一样情形下能够忽略不计，式（）可简化为必一Tm-十山=Ki以或2.1.3减速器的传递函数减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以知足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，其传递函数如下：齿轮传动的传递函数n21上二1=左/.G(s)=k系统的传递函数操纵器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也确实是说，一个进程操纵的操纵系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是操纵系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深切了解是进程操纵的一个

16、重要任务。只有深切了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各类扰动下转变的情形，才能依照生产工艺的要求，为操纵系统制定一个合理的动态性能指标，为操纵系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成阻碍。性能指标顶的太高，可能会成没必要要的投资和运行费用，乃至会阻碍到设备的寿命。性能指标确信后，设计出合理的操纵方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会致使设计的失败。尤其是一些复杂操纵方案的设计，不清楚被控对象的特点全然就无法进行设计。有了正确的操纵方案，操纵系统中操纵器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必需已被控对象的特性

17、为依据。在操纵系统组成后，适合的操纵参数的确信及操纵系统的调整，也完全依托与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在操纵工程中，了解被操纵的对象是必需第一做好的一项工作。写出操纵器、执行结构、被控对象、反馈机构的传递函数，那么系统的总传递函数为：、GG)G(s)Gp(s)l+a(s)G：(s)Gp(s)G<s)其中：G(s)为系统的操纵器传递函数，G(s)为系统的执行器传递函数，G(s)为被控对象传递函数，G(s)为系统反馈装置传递函数。2.2.1操纵器的确信依照本次实验，选择被控对象电机的数学模型为g,（s）=执行机构PS（5+l）的传递函数为G、,（s）=-L,反馈系统的数学模型为故确

18、信当0%W501+0.5s30%时，系统操纵器的传递函数为G,二空生空士故系统的传递函数为：0.02s、0.04b2+0.292?+4.1G(s)=；25/+75+50+o.164?+8.2系统的特点方程为：25/+75s:50s?+0.164s+8.2=0劳斯表为：s42550s3750s2230s'180s°显然，劳斯表第一列系数符号相同，故系统是稳固的。操纵器的正反作用操纵系统要能正常工作，必需有一个负反馈操纵系统。为了保证这一点，必需正确选择各环节的正反作用。操纵器的正反作用是依照被控变量的测量值和操纵器输出之间的关系确信的。被控变量测量值增加时，操纵器的输出也增加，

19、那么操纵器为正作用操纵器，并规定其稳态放大系数K为负。被控对象的测量值增加时.，操纵器的输出值减小，那么操纵器为反作用操纵器，并规定器稳态放大系数尤为正。被控对象的输出与调剂阀内的介质流量转变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，那么被控对象为正作用，规定其放大系数*。为正。介质流量增加时.，被控对象输出减小，那么被控对象为反作用，规定其放大系数K。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改为正，反作用的居为负。变送器的作用一般都是正作用，其放大系数心为正。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

20、大系数来表示。即KeK幽心为正。那个地址相乘只取正符号计算，没必要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，使用的乘积为正。3硬件电路操纵器传递函数G，二"嗡”由传递函数可知系统操纵器是由比例环节、积分环节、微分环节组成，用硬件实现操纵器，通过计算，操纵器可由运算放大器、电阻、电容组成，其结构如以下图所示:由操纵器的传递函数进而确信电阻电容的确信值，K,.二位,凡。二，选择均为凡2千欧，那么凡整定为9千欧，电容值为微法。操纵系统的

21、校正在工业生产进程中，被控对象的特性并非是不变的。当被控对象特性发生转变后，原定整定的操纵参数就不是最适合的参数了，必需从头整定。这将给持续化的生产带来不利的阻碍。有一种操纵系统，能依照被控对象特性的转变或其他条件的转变，自动调整操纵系统的操纵规律和操纵器的操纵参数，使操纵系统始终处于最正确状态，咱们称这种操纵系统为自适应操纵系统。能对操纵器参数进行自动整定的自适应操纵系统成为自校正系统或自整定系统。图自校正系统的工作原理图时自校整系统的工作原理图。自校正系统与一样操纵系统相较，增加了两种功能：一是依照操纵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；二是依照识别结果计算并改变操纵器参

22、数，称为决策。例如假定被控对象的模型为：%。）=对象识别环节就会依照测量的值对K,T和午进行估量。决策环节那么依照求出的对象参数按规定的整定规那么计算出操纵器参数并对操纵器参数进行修改。操纵系统的稳态误差开环传递函数表示为mkn（零十i）3二1S口（T秒十1）S=1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括的积分环节数。在分析操纵系统的稳态误差时，咱们依照系统开环传递函数所含的积分环节数来对系统进行分类。假设二0,即操纵系统开环传递函数不含积分环节，称为0型系统。假设那么称为I型系统。N=H,称为11型系统。此刻，咱们来讨论不同类型的操纵系统在典型输入信号作用下的稳态误差。单位斜坡

23、函数输入的稳态误差单位斜坡函数输入下控制系统的稳态误差为0可l+Go（s）H（s）0sGo概念K =5由 sGq（2）Hs）S T 0那么系统的稳态误差为10”甚式中，咒称为速度误差系数。对于0型系统5ToUrns > 0mk n （空十i）j=in（a + i）i = 1=0稳态误差为=oomkn年十i）= Efa $£ s 0，=insn（呼十1）i=1=K稳态误差为11式中K为系统的开环放大系数。通过对该系统的判定得知该系统是稳固的系统。设计对系统的各类情形进行了分析，对自动操纵理论有了深刻的了解。4仿真软件介绍MATLAB的启动和退出MkTLAB 6.5启动：1.双击桌

24、面上MATLAB的快捷方式图标即可。2.开始一程序一文件夹一单击5 MATLAB 6.5。退出：L直接单击界面的关闭图标即可退出MATLAB。2 .在指令窗口输入quit或exit后回车即可。3 .选择菜单 Filef Exit MATLABo4. 1.1 MATLAB操作桌面简介的缺省外貌上图为的缺省外形，界面上铺放着3个最经常使用的窗口：命令窗口(CommandWindow)>工作空间(Workspace)>命令历史窗(CommandHistory)o命令窗口(CommandWindow)是用户和MATLAB进行交互的要紧方式。命令窗口显示的提示符为“”，一样能够在命令窗口中直

25、接进行简单的算术运算和函数挪用。语句形式变量=表达式通过等号“=”将表达式的值给予变量。当键入回车键时，该语句被执行。语句执行以后，窗口自动显示出语句执行的结果。若是希望结果不被显示，那么只要在语句以后加上一个分号即可。现在尽管结果没有显示，但它仍然被赋值并在MATLAB工作空间中分派了内存。注意：MATLAB中所有符号必需在英文状态下输入(汉字除外)，而且MATLAB区分字母的大小写。3 .命令窗口(CommandWindow)特殊功能键命令窗口有一些经常使用的特殊功能键，利用它们能够使操作加倍简单快捷。经常使用的特殊功能键如下表所列。键名作用键名作用t或Ctrl+P恢复前面的命令(即前寻式

26、调回已输入的指令行)Home使光标移动到当前行的首端1或Ctrl+N恢复当前命令之后键入的命令(即后寻式调回已输入的指令行)End使光标移动到当前行的尾端一或Ctrl+B向左移动一个字符Delete删除光标右边的字符f或Ctrl+F向右移动一个字符Backspace删除光标左边的字符PageUp前寻式翻阅当前窗Esc清除当前行的全部内容中的内容PageDown后寻式翻阅当前窗中的内容Ctrl+K删除至当前行尾4 .1.2命令窗口菜单(CommandWindow)简介菜单New：用于新建M编程文件、Figure图形文件和GUI图形界面操作文件，还能够依照自己需要来成立相应的文件。I生WM-

27、63;iLeOpen.Ctrl+OFigureCloseC-omrnandWindowCtrl+VModelGUIOpen：用于打开MATLAB的相关文件。CloseCommandWindow：用于关闭命令窗口。SetPath：设置所编辑文件的工作途径。菜单Undo:撤消前一步操作。Redo：从头执行前一步操作。ClearCommandWindow：清除命令窗口的对象。ClearCommandHistory：清除命令窗口的历史记录。ClearWorkspace：清除工作区环境的对象。:菜单DesktopLayout：用于设置工作区，设置选项有系统的默许设置项<Default单独命令窗口项

28、(CommandWindowOnly)、简练窗口项(Simple)、长短历史窗口项(ShortHistory和TallHistory)和五个窗口面板显示(FivePanel)。CommandWindow：命令窗口顶，选择该项，屏幕上显示命令窗口。CommandHistory：命令历史窗口项，选择该项，屏幕上显示命令窗口。CommandDirectory：当前途径窗口顶，选择该项，屏幕上显示当前途径窗口。Workspace：工作区域窗口，选择该项，屏幕上显示工作区域窗口。Help：帮忙面板，选择该项，屏幕上此窗口。4 .窗口命令elf：该命令用于清除图形窗口中的所有非隐蔽的图形对象。close：

29、该命令用于关闭当前的图形窗口。closeall：该命令用于关闭所有的图形窗口。cla：该命令用于清除当前坐标系下的所有非隐蔽图形对象。clc：该命令用于命令窗口中的内容，光标将回到窗口的左上角。home：该命令用于将光标回到窗口的左上角。5 .工作空间治理命令who：该命令用于列出当前工作区间的所有变量。whos：该命令用于列出当前工作区间的所有变量，并显示变量的大小、类型及其占用的磁盘空间。clear：该命令用于从工作区间清除所有的变量。workspace：该命令用于显示Workspace阅读器。quit：该命令用于MATLAB软件。6 .文件途径编辑命令path：该命令用于显示所有的MAT

30、LAB文件途径。addpath：该命令用于将一个新目录名添加到的搜索途径里，其挪用格式为addpathdirectory'）。7 .操作系统命令cd：该命令用于显示当前工作目录名。cd目录：该命令用于进入所指定的目录。cd：该命令用于回到上一级目录。dir目录名：该命令用于显示指定目录中的文件及其子目录。8 .系统帮忙命令help:该命令用于在命令窗口中显示MATLAB函数的帮忙信息。lookfor：该命令用于搜索指定的目录文件或函数。ver：该命令用于显示MATLAB版本。变量一、变量的命名变量的名字必需以字母开头（不能超过19个字符），以后能够是任意字母、数字或下划线；变量名称区分

31、字母的大小写；变量中不能包括有标点符号。2、MATLAB所概念的特殊变量及其意义变量名意义ans用于结果的缺省变量名i或j基本虚数单位（即Q）who列出所有定义过的变量名称ans最近的计算结果的变量名（即answer的缩写）epsIATLAB定义的正的极小值二Pi圆周率/值3.inf8值，无限大，如1/0NaN或nan非数(NotANumber)，如0/0nargin函数的输入变量个数nargout函数的输出变量个数3、变量操作在命令窗口中，同时存储着输入的命令和创建的所有变量值，它们能够在任何需要的时候被挪用。如要观察变量a的值，只需要在命令窗口中输入变量的名称即可:a的矩阵运算矩阵的成立在命令窗口中输入矩阵的输入必需有以下3个要素：输入矩阵必需以方括号