水位控制系统设计

PAGE目录第一章绪论 11.1设计目的 11.2设计内容 11.3课题研究的背景 21.4研究意义 3第二章总体设计方案 42.1系统工作原理 42.2系统方框图 42.3未校正的初始数学模型 52.4系统的稳定性分析 7第三章系统校正 83.1系统校正一 83.2系统校正二 10第四章系统分析 124.1仿真及分析一 124..1.1时域分析 124.1.2系统暂态特性指标 124.2仿真及分析二 134.2.1根轨迹图 134.2.2时域分析 144.2.3系统暂态特性指标 144.3特性指标分析 14第五章总结 15参考文献 16PAGE16第一章绪论在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。1.1设计目的通过本课题的设计，培养学生对自动控制系统的综合运用，对自动化仪表的选型、参数设计和调试的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。1.2设计内容设计供水水箱的液位控制系统，要求在采用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。各环节选用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。系统在上下水流量发生变化时，能快速恢复到设定值。1.3课题研究的背景液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。在工业工程控制中，有很多地方需要对容器内介质进行液位控制，使之高精度的保持在给定的数值。液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的液位的自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工业作业的是微机控制和原有仪表控制，微机控制有以下明显优势：a.直观而集中的显示运行参数，能显示液位状态。b.在运行中可以随时方便的修改给种各样的运行参数的控制，并修改系统的控制参数，可以方便的改变液位的上限、下限。c.具有水体水体控制的自动化处理及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少人工的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋，单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的优点使它的应用领域日益广泛。一般工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域的到广泛的应用，使用单片机控制液位是很好的选择。目前我国在单片机测控装置研究、生产应用中，取得了很大成绩，总结了很多经验，但是各行业仍处于发展期，进调查，各种科研研究所在这方面开展的工作更注重的是理论和算法，数年来这方面的论文较多，注重生产实际的很少。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已积累了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场，我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家还存在差距，但是我国科研人员已经克服了很多困难，并在不断地摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。1.4研究意义在日常生产和生活中常遇到液位的监测问题。尤其在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，都要对液位进行检测，液位的检测显得尤为重要。而对于这些影响身体健康的液体，不易在现场直接进行检测，必须通过一定的技术，进行监控。目前液位的检测越来越受到重视，随着人们生活水平和工业标准的提高，检测的精度和实时性要求也越来越高，另外，还要求系统能提供对液位的自动控制功能。也就是说今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。因此，我们以自动控制原理课专题研究为契机，以机械浮球杠杆式液位自动控制系统为实例，从简单、传统、机械化的液位控制系统开始，展开探索和研究，将课堂所学的知识注入液位控制系统的研究中，将对以后的学习工作生活产生重大的意义和影响。第二章总体设计方案2.1系统工作原理如图1.1水位自动控制系统原理图所示为浮球杠杆式液位自动控制系统原理示意图，通过这个系统，我们希望，在任意情况下，液面的高度维持不变。图1.1水位自动控制系统原理图工作原理：电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，知道电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度，反之，若水箱液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入的水量，使液面升到给定的高度。2.2系统方框图如图2.1水位控制系统的方框图所示图2.1水位控制系统的方框图图2.1水位控制系统的方框图2.3未校正的初始数学模型(1)浮子、杠杆、电位计浮球杠杆测量液位高度的原理式(2-1)式中Uo为电位计的输出电压，为电位计两端的总电势，为杠杆的长度比，为高度的变化，l为电位计电阻丝的中点位置到电阻丝边缘的长度。(2)拉氏变换

(2-2)式中a=8cm，b=2cm，=60V，l=2.5cm故，传递函数为(2-3)=6(3)电动机通过查找电动机的资料得，(2-4)其中，，(4)减速器这是一个比例环节，增益为减速器的减速比。在这个系统中，当电动机的输入电压为0—56V时，电动机输出的转速为0—25，经过减速器后输出的转速为0—5。(5)减速比故，传递函数为其中，。（6）控制阀这是一个积分环节，系统中，控制阀连接流入口的水管为方形管，尺寸为宽16cmX高15cm，流入速度，流出速度。输入量为减小后的转速n，控制阀每转一圈，进水口的开度改变量为1cm，输出量为流入量，则与n的原理式如下：(2-5)拉氏变换后(2-6)故，传递函数为(2-7)其中，。（7）水箱这是一个积分环节，实际液位Y是流入量与流出量的差值对时间t的积分。(2-8)式中，是水箱的横截面积，拉氏变换后，

(2-9)故，传递函数为(2-10)式中，系统开环传递函数(2-11)系统闭环传递函数(2-12)2.4系统的稳定性分析闭环特征方程根一次项系数为零，所以系统处于不稳定状态。而且系统是II型系统，不容易稳定。经过查阅文献和小组成员讨论，我们做出了对系统进行降型的方案，即通过添加微分环节对系统进行校正。第三章系统校正3.1系统校正一在前向通道添加微分调理电路环节在电位计的输出电压与电动机的输入端之间接一个微分调理电路，对输入的电压进行调理传递函数为：(3-1)其中，系统开环传递函数G(s)=(3-2)系统的对数幅频特性曲线如图3.1系统的Bode图所示图3.1系统的Bode图图3.1系统的Bode图根据其传递函数得到如图3.2系统校正后的Bode图所示：图3.2系统校正后的Bode图图3.2系统校正后的Bode图仿真代码如下:num=[10.8];den=[210];H=tf(num,den);bode(H)系统闭环传递函数(3-3)其中，K=10.8，T=2分析：经过改进后的系统处于稳定状态，但是系统的超调量过大，调节时间过长，这是需要下一步改进的方面。为了避免过大的超调量，而不增大系统稳态误差，小组讨论决定，采用比例—微分环节（PD）控制。3.2系统校正二PD校正的优点：比例微分校正（相位超前校正），其传递函数为G(s)=-K(Ts+1)式中K=R1/R0——比例放大倍数T=R0C0——微分时间常数比例微分校正的作用主要体现在两方面：（1）使系统的中、高频段特性上移（PD调节器的对数渐近幅频特性的斜率为+20dB/dec），幅值穿越频率增大，使系统的快速性提高。（2）PD调节器提供一个正的相位角，使相位裕量增大，改善了系统的相对稳定性。但是，由于高频段上升，降低了系统的抗干扰能力。添加PD环节后的系统开环传递函数为(3-4)系统的对数幅频特性曲线如图3.3系统的Bode图所示图3.3系统的Bode图图3.3系统的Bode图其中，k=1,QUOTEτ=KdKp根据其传递函数得到如图3.4系统校正后的Bode图所示:图3.4系统校正后的Bode图图3.4系统校正后的Bode图仿真代码如下：num=[1.0810.8];den=[210];H=tf(num,den);bode(H)由图可见，增加比例积分校正装置后：低频段，L(ω)的斜率和高度均没变，所以不影响系统的稳态精度。中频段，L(ω)的斜率没变，相位裕量变大，提高了系统的相对稳定性；穿越频率ωc也变大，快速性提高。高频段，L(ω)的斜率由校正前的-40dB/dec变为校正后的-20dB/dec，系统的抗高频干扰能力下降。综上所述，比例微分校正将使系统的稳定性和快速性改善，但是抗高频干扰能力下降。第四章系统分析4.1仿真及分析一4..1.1时域分析系统的时域分析如图4.1系统的瞬态响应指标所示图4.1系统的瞬态响应指标图4.1系统的瞬态响应指标4.1.2系统暂态特性指标超调量pos=70.8723%调节时间ts=15.3000s上升时间tr=2.1000s峰值时间tp=1.5000s4.2仿真及分析二4.2.1根轨迹图取τ=0.1，绘出为变量的根轨迹图如图4.2系统的根轨迹图所示图4.2系统的根轨迹图图4.2系统的根轨迹图仿真代码如下：num=[0.11];den=[210];rlocus(num,den)分析：根轨迹在＞0时离开实轴，而且系统始终是稳定的。所以，我们取，系统开环传递函数为

G(s)=(4-1)系统闭环传递函数为G(s)=(4-2)4.2.2时域分析系统的时域分析如图4.3系统的时域分析图所示图4.3系统的时域分析图图4.3系统的时域分析图4.2.3系统暂态特性指标超调量pos=2.4786%调节时间ts=0.2000s上升时间tr=0.2000s峰值时间tp=0.2000s4.3特性指标分析最终系统已经比较令人满意了，超调量为2.4786%，调节时间为0.2s，经过计算，，。第五章总结此次设计也丰富了我对自动控制理论的进一步研究，了解了系统稳定性对控制系统的影响，学会了用时域分析方法和频域分析方法对设计进行分析，也学会了MATLAB仿真的一些基础知识。学习完校正章节后，我们在系统中加入了PD环节，很好的实现了系统的功能，也达到了校正的目的。同时也通过查阅相关资料，能够自己动手完成这个设计也是让我很有收获的一方面。虽然在设计过程中