液位控制系统课程设计报告.docx
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液位控制系统课程设计报告
指导教师评定成绩：
审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
自动控制原理课程设计报告
设计题目：
液位控制系统
单位：
自动化学院
学生姓名：
汪函
专
业：
自动化
班
级：
0881201
学
号：
46
指导
教师：
陈勇
设计时刻：
2014年10月
重庆邮电大学自动化学院制
一、摘要1
二、自动控制原理课程设计题目1
三、控制对象分析4
一、」［作原理5
二、系统运行方框图5
3、成立数学模型求系统传递函数5
4、系统稳固性分析5
五、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃图5
六、参数比较5
7、系统校正5
、校正方式肯定6
、校正进程6
八、校正后根轨迹、伯德图、单位阶跃图5
九、系统仿真5
四、总结1
五、参考文献1
一、一、摘要
在社会经济飞速进展的今天，水在人们生活和生产中起着愈来愈重要的作用。
在工业生产和日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位进行自动控制。
比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等，所以水箱液位控制系统在生活成了必不可少的东西。
设计一个合理、稳固性强的水箱液位控制系统对生活的意义重大，一个完整的水箱液位控制系统主要由水箱、电动机、进水阀门、浮子连杆等配件组成：
操作简便，靠得住性好，运行本钱低，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，画出结构框图，描述每一个元件的函数，并写出每一个元件的传递函数，用Matlab/Simulink对系统进行仿真，并分析结果。
关键字：
水箱液位控制系统电动机建模传递函数
Summary
Intoday'srapidsocialandeconomicdevelopment,waterplaysanincreasinglyimportantroleinpeople'slivesandproduction.Inindustrialproductionanddailylifeapplications,oftenneedtolevelinthecontainerforautomaticcontro1.Suchasautomaticcontrolofwaterstoragecontainertanks,ponds,tanks,boilers,automaticwatercontrollifeinthetoilet,automaticelectricwaterheaters,electricwatermachineautomaticwatercontrol,sothewaterlevelcontrolsysteminlifebecameaessentialthing・Designareasonable,strongsenseofstabilitywaterlevelcontrolsystemforamajorlife,afulltanklevelcontrolsystemconsistsoftanks,motors,watervalves,floatrodandotheraccessoriescomponents:
simpleoperation,goodreliability,lowoperatingcost,scalabilitylines,andothercharacteristics,thepapergivenwaterlevelcontrolsystemanalysis,blockdiagramshown,thefunctiondescriptionofeachcomponent,andwritethetransferfunctionofeachcomponentwithMatlab/Simulinkforsystemsimulation,andanalysisoftheresults・
Keywords:
waterlevelcontrolsystemofthemotortransferfunctionmodeling
二、自动控制原理课程设计题目
设计一液位控制系统，如下图示：
原理为：
当设定水箱水位为h时，输入电压经K1反向（比较）、K2放大驱动直流伺服电机通过减速器带动阀门旋转，调节进水。
浮子检测水位高度，并通过绳系带动滑线变阻器反馈到K1。
己知：
1.水箱底面积为,进水管流量o〈二q〈二1升/s,阀门转角e与流量的关系为Q二K£,其中Kf升/S.弧度，Q：
=K：
h,即层流情形下，出水量与水位高度成正比，K：
=l升/。
2.输入设定、位置检测电位器灵敏度10V/m,E=5V。
减速器减速比为K=10o
3.直流电机：
励磁线圈电阻&二20,扭矩常数K=6A）,磁极磁通4）二4,电机电动势常数K=o
4.直流电机励磁电流和控制电压的关系为：
u二&*九+&*<1）*曲，（忽略漏磁）转矩为：
T=K*4>*ifo电机运行规律为：
T=I*d20（忽略阻力）,I为电机和阀门折合惯性矩，共为：
>lkg/m2,不计阻力。
要求：
一、分析系统工作原理和特点，成立数学模型并画出结构图。
二、分析系统性能，针对系统要求：
a）稳固，无稳态误差。
b）液位在平衡位置提高为lcm时（即供水量提高必然值），调节时刻不小于20s,超调量小于等于30%。
3、若是系统不知足要求，用根轨迹法矫正系统并肯定校正装置参数。
并画出系统伯德图，指出校正方式
三、控制对象分析
液位控制系统的任务是使液而高度维持在一个设定的值上。
系统各个元件如下：
（1）、被控对象：
水箱
（2）、放大元件：
放大器
（3）、执行元件：
电机，减速器，阀门
（4）、测量元件：
浮子连杆
（5）、被控量：
水箱液位
（6）、给定量：
电位器给定电压U
（7）、输出量：
实际水位
一、工作原理：
当电位器电刷位于中间位置时（对应给定电压u）时，即水位处在希望的高度，同时岀水量等于进水量，现在电动机不动,系统处在平衡状态。
若流水量或出水量发生转变,当液而升高时浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中间位置下移，产生电位差，通过放大器放大，给电动机一个控制电压，驱动电动机通过减速器减小进水阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。
这时，液而下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中间位置，系统从头恢复平衡。
反之，液位下降，系统会增大进水阀门开度，加大进水量使液位升高到希望高度。
二、系统运行方框图
减速器―阀门水箱体—放大器电动机
浮子电位器卜
图1系统方案框图
3、成立数学模型求系统传递函数
减速器Ki：
由直流伺服电机直接作用来控制阀门的转动大小。
减速器的减速比
放大器Ka：
放大器的放大倍数为心，则放大器传递函数为:
G（$）出=10
电动机G4：
直流电机励磁电流和控制电压的关系为:
U=Rr*if+Kc*^*d<9
T二K*如
电机运行规律为:
（7）
（8）
T=I*d2<9
（9）
Id钳
ug业+K®艺
K^t2dt
（10）
（11）
将它进行拉普拉斯变换可取得电机与阀门开度的传递函数为:
G（s）=
sgs+l）
10
s（0.83s+2）
（12）
（13）
浮子电位器K5：
（14）
G（j）=1O
系统总传递函数:
（15）
100
5（0.835+2）（5+10）
图2系统传递函数框图
4、系统稳固性分析：
系统闭环传递函数：
（16）
（17）
（18）
不/、100
①（s）二
s（0.83s+2）（s+10）+100
闭环特征方程:
D（s）=s（0.83s+2）（s+10）+100=0
即：
D⑸=0.83s3+10.3s2+20s+100=0
对应上式应用劳斯判据，有：
S220
S2100
S1
S0100
因为劳斯表第一列个元素为正，所以该系统稳固
开环传递函数为：
m
（19）
（20）
（a）
K□（石s+l）
G（s）H（s）二
s'TI®+i）
J-1
因为，木系统开环传递函数为：
—、100
°5（0.835+2）（5+10）
所以本系统为I型系统
在阶跃输入h（t）=l（t）作用下，该系统稳态误差为0,知足要求
五、校正前根轨迹、伯德图.单位阶跃
cSPUOQas）9XRootLocus
砧4
4
2
12：
0
-2
4
-6
0.76八1
0.16
-8・6-4
994’
T*
System:
G
Gain:
2.39
Pole:
・0.0325+4.83i
Damping:
0.00672
Overshoot（%）:
97.9
Frequency（rad/s）:
4.83
-0：
94
System:
G
Gain:
0
Pole:
-2.41
Damping:
1
Overshoot（%）:
0
Frequency（rad/s）:
2.41
八、
0.60
i「
RealAxis（seconds'1）
图3校正前根轨迹
BodeDiagram
Sys-tem:
G
Frequency（rad/s）:
989Magnitude（dB）:
-138
10
10°
102
103
o
5
15-9
-5
o
1mp）apac6ew-
■
（6ap）
101
Frequency（rad/s）
图4校正前伯徳图
StepResponse
apn三dlu<
System:
K1
Peakamplitude:
1.53Overshoot（%）:
53.5
Attime（seconds）;1.08
System:
K1
Settlingtime*（seconds）:
6.2
K1
'（Riqetime（seconds）:
0.39*
System:
K1
Finalvalue:
1
3456
Time（seconds}
图5校正前阶跃响应
六、比较参数
由图可知，ts=且ts<20s,知足要求
o%>30%,不知足要求，系统需校正
7、系统校正
校正方式肯定
O%=e
*100%
△=0.05
3.5
（21）
（22）
（23）
（24）
（25）
位于根轨迹右方，选择串联滞后网络
校正进程
滞后网络传递函数:
（26）
1+方7\
\+Ts
矫正要求：
o%<30%,ts<20s
Mr=
1
Isin/T
5"
取es=0.001
bT10
11001b~~i~~0A
（32）
滞后网络传递函数为:
GO二
1+bTs
1+TS
l+3・33s
一l+33・3s
（29）
（30）
（31）
（33）
（34）
则校正后系统传递函数为:
G1（s）=G0（s）*Gc（s）=
100（1+3.33s）
s（0・83s+2）（s+10）（33・3s+l）
八、校正后单位阶跃、根轨迹、伯德图
StepResponse
图6校正后系统单位阶跃响应
RootLocus
（L—SPUOO3S）型«<>?
EU-o）euJ_
6
4
2
0
-2
-4
^.375"
System:
G
-Gain:
0.0147
Pole:
-2.4
IDamping:
1
Overshoot（%）:
0
Frequency（rad/s-）;2.4
System:
G
Gain:
21.2
Pole:
-0.006&4+4.54S
Damping:
0.00153
Overshoot（%）:
&9.5
Frequency（rad/s-）:
4.54
-8
■64
_a
RealAxis（seconds）
图7校正后系统根轨迹
Phase（deg）:
-269
图8校正后系统伯徳图由图可知，o%=%<30%,ts=<20s,符合题目要求
用MATLAB进行系统分析时所需程序代码：
B=»num=[333100];
»den=[200];
»G=tf（num,den）校正后开环传递函数
G=
333s+100
sA4+sA3+sA2+20s
Continuous-timetransferfunction.
»Gl=feedback（Q1）校正后闭环传递函数
G1=
333s+100
sA4+sA3+sA2+353s+100Continuous-timetransferfunction.
»margin（G）校正后系统伯德图
»rlocus（G）校正后系统根轨迹
»step（Gl）校正后系统单位阶跃响应
九、系统仿真
校正前：
在MATLAB中挪用Simulink仿真系统，新建SimulinkModel,并绘制
出系统框图：
在单位阶跃响应的作用下，系统的输出为:
校正后：
在MATLAB中挪用Simulink仿真系统，新建SimulinkModel,并绘制
出系统框图：
在单位阶跃响应的作用下，系统的输出为:
波形符合要求。
四、总结
通过这次课程设计，使我加倍扎实的掌握了有关自动控制原理、Matlab等方面的知识，在设计进程中虽然碰到了一些问题，但通过一次又一次的试探，一遍又一遍的检查终于找岀了原因所在，也暴露出了前期我在这方而的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使咱们掌握的知识再也不是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计进程中，咱们不断发觉错误，不断更正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中碰到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在此后社会的进展和学习实践进程中，必然要不懈尽力，不能碰到问题就想到要畏缩，必然要不厌其烦的发觉问题所在，然后一一进行解决，只有如此，才能成功的做成想做的事，才能在此后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永久不可能收获成功，收获喜悦，也永久不可能取得社会及他人对你的认可！
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识和专业技术上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的熟悉。
通过这次课程设计，我掌握了控制系统的设计方式和校正原理、熟练运用了血tlab软件。
我以为，在这学期的实验中，不仅培育了独立试探、动手操作的能力，在各类其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上，咱们学会了很多学习的方式。
而这是往后最实用的，真的是收获颇丰。
要而对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
这对于咱们的未来也有专门大的帮忙。
以后，无论有多苦，我想咱们都能变苦为乐，找寻有趣的情形,发觉其中珍贵的情形。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样，咱们都能够在实验结束以后变的加倍成熟，会面对需要而对的情形。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段H子里，能够说得是苦多于甜，可是能够学到很多很多的东西，同时不仅能够巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书木上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我知道了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立试探的能力。
在设计的进程中碰到问题，能够说得是困难重重，但可喜的是最终都取得了解决。
实验进程中，也对团队精神的进行了考察，让咱们在合作起来加倍默契，在成功后一路体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有彼此之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
这次设计也让我明口了思路即前途，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑试探，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
五、参考文献
［1］胡寿松.自动控制原理［M］,北京：
科学出版社，
［2］余成波张莲.自动控制原理［M］,北京：
清华大学出版社，
［3］张志涌，徐彦琴.MATLAB教程［切，北京：
北京航空航天大学出版社，
［4］赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践［M］,北京：
北京航空航天大学出
［5］孙亮，杨鹏.自动控制原理［M］,北京：
北京工业大学出版社，
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