自动控制原理浮球液位控制系统课程设计讲义.docx

1、自动控制原理浮球液位控制系统课程设计讲义安徽工业大学课程设计说明书课程名称 自动控制原理课程设计 学 院 电气与信息工程学院 专业班级 自132 姓 名 李嘉明 学 号 139064403 指导教师 贺容波 设计时间 2016617-2016627题目15.浮球液位控制系统及要求：图1所示为液位控制系统， 假设稳 态输入流量为Q ，稳态输出流量为Q ,稳态水头为H ,稳态导阀的位移为X = 0，稳态阀的位置为Y。假设设定点R对应于稳态水头H，设定点是固定的。 又假设扰动输入流量qd在t = 0 时刻作用于水箱，qd的量值很小。要求：1.建立系统的传递函数，并画出结构图；2.当扰动输入量qd为单

2、位阶跃函数时，试分析系统的时域性能；3.当系统不稳定时，用根轨迹校正系统并确定系统校正装置参数，画出系统波 特图，指出校正方法；如果系统是稳定的，那么就设计一个二阶不稳定系统，用 根轨迹进行分析并确定系统校正装置参数，画出系统波特图，指出校正方法；4.Matlab 进行仿真验证。1设计题目与题目分析 11.1设计题目 11.2题目分析 12建立系统传递函数及结构图 错误!未定义书签。2.1 系统传递函数 错误 !未定义书签。2.2系统结构图 错.误 !未定义书签。3分析时域性能 33.1暂态性能 33.2稳态性能 34判断系统稳定性，分析并校正 34.1 设计一个二阶不稳定系统 34.2对系统

3、进行校正 55Matlab 仿真验证 65.1校正前系统 Bode图 75.2校正后系统 Bode图 75.3单位阶跃响应曲线 85.4Simulink 模型图 86校正装置电路图与电路参数 97设计结论 98心得体会 99参考文献 101.设计题目与题目分析1.1设计题目图1所示为液位控制系统，假设稳态输入流量为Q ,稳态输出流量为Q , 稳态水头为H ,稳态导阀的位移为 X= 0 ，稳态阀的位置为 Y。假设设定点R对应于稳态水 头H，设定点是固定的。又假设扰动输入流量 qd在t = 0 时刻作用于水箱，1.建立系统的传递函数，并画出结构图；2.当扰动输入量qd为单位阶跃函数时，试分析系统的

4、时域性能；3.当系统不稳定时，用根轨迹校正系统并确定系统校正装置参数，画出系统波 特图，指出校正方法；如果系统是稳定的，那么就设计一个二阶不稳定系统，用根轨迹进行 分析并确定系统校正装置参数，画出系统波特图，指出校正方法；4.Matlab 进行仿真验证。1.2题目分析水槽是常见的水位控制对象。设水槽如图1所示，水流通过控制阀门不断流入水 槽，同时也有水通过负载阀不断地流出水槽。水流入量 Q由调节阀Y加以控制, 流出量Q则由用户根据需要通过负载阀来改变。被调量为水位 它反映水的流入流出之间的平衡关系，当流入量多于流出量时， h增加，浮球上升，通过连杆 调节调节阀Y,以减少出水量使液位稳定；反之亦

5、然。系统各参量如下：Q为输入输出水流量稳态值qi为输入水流量的增量qo为输出水流量的增量H为液位稳态值h为液位增量v为稳态阀增量R为液阻C为液容2 .建立系统传递函数及结构图2.1系统传递函数设A为液槽横截面积，液阻R固定。根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初 始时刻处于平衡状态：h=0，qi=qo=0,当调节阀开度发生变化v时，液位随之发 生变化。在流出端负载阀开度不变的情况下， 液位的变化将使流出量改变，也使 浮球移动通过连杆反馈给调节阀 丫。流入量与流出量之差为qi由调节阀开度变化v引起，当阀前后压差不变时，有qi Kuv （2）其中Ku为阀门流量系数，稳态阀（调节阀） Y=X+x ，

6、 x=ah/b流出量与液位高度的关系为 Q=/Aj2gh，这是一个非线性关系式，可在平衡点（H，Q） 附近进行线性化，得到液阻表达式R （3）Q将（2）和（3）式带入式（1），可得dhT h Kv （4） dt式中，T=RA，K=KuR。在零初始条件下，对式（4）两端进行拉式变换，得系统传递函数为H s KG sVs Ts 12.2系统结构图 N（S）KV十 /OiV(s)H (s)Ts 113.分析时域性能当扰动输入量qd为单位阶跃函数时，系统输出与扰动之间的传递函数为1 K s Ts 1 KH (s) Ts 1 N(s) Ts 1 KH (s) T -s仃s 1 K)3.1暂态性能由拉普拉

7、斯反变换可得单位阶跃响应 h(t)为此式表明，一阶系统的单位阶跃响应的图形将是一条单调上升的指数曲线。ts，一阶系统的单位阶跃响应没有超调，不存在峰值时间，故其性能指标主要就是调整时间ts=3T3.2稳态性能扰动稳态误差终值为Pi Zji 1 j 1an m与实轴正方向夹角为:(2k 1)d s2 s 2由 0,可得分离点为(0, j0)ds令 s3 2s2 K! s j 0，得 j 3 2 2 Ki 0180 arcta n0.5L 20lg 2 20lg、1 0.25取点列表计算0.20.50.70.911.52A24.8763.881.9261.1260.8940.3560.177-18

8、5.7-194.0-199.3-204.2-206.6-216.9-225伯德图绘制如下1 i1校正前剪切频率 c 0.91s ，相角裕度 24.2丫 4.2对系统进行校正采用传递函数G s s 1的串联超前校正装置，则有零点 Z1=-1，极点 P1 = P2=0，P3=-2渐近线与实轴的交点为：n mPi Zji 1 j 1与实轴正方向夹角为:s2 s 2d - s 1由 0,可得分离点为(0, j0)dsBl SISO Design for SI&O Design Task XFile dH yiew Resign Aralyi Tools window Help鸟 x o - % 0 皙

9、Rool Locus Editor for Open Leap 1(011)系统校正后稳定。 则2 .厂0.25一2arcta n0.5arcta n 180*L 20lg ,1 2 20lg 2 20lg、1 0.25取点列表计算0.20.50.70.911.52A25.3694.3382.3511.5151.2650.6400.395-174-166-163.6-161.9-161.5-163.5-169.7伯德图绘制如下5.Matlab仿真验证5.1校正前系统伯德图如下5.2校正后系统伯德图如下WiR Mr, rtfv：i ，心 HRe tSSin flUm Wh h:j ik .x j

10、d 3 D 口E 盘bxiFlWBhE* IIMVBJ i . 5 11 白O *5.3单位阶跃响应曲线 校正前：校正后: fall 口5.4 Simuli nk 模型图校正前ipifur -1-Hl 4廿校正后6.校正装置电路图与电路参数串联超前校正装置电路图如下图所示R1 R2 R根据校正装置中的电容电阻与校正环节的 T,之间的关系，可以求得校正环节中：R1=10K，R2=10K，R=10K，C=0.1 F7.设计结论经过人工设计和计算机辅助设计，最终得到串联校正环节为：G s s 1并经过仿真验证，得到系统的相角裕度和剪切频率为： 119.23， c 1.2s8.心得体会通过本次课程设计，我复习巩固了自动控制原理，对其有了更深层次的理解， 更加熟悉了手工绘制控制系统传递函数 Bode图的方法，并能更加熟练的从中求 取关键参数。本次课程设计的计算机校验部分让我学会应用 matlab软件解决困难系统的问题，锻炼了自己的动手能力，并学到了新的知识。贴近实际工程的课程设计也让我清楚地认识到理论与实际的差别， 对以后学习与生活都有很大帮助。9.参考文献 自动控制原理 （第六版 , 胡寿松，科学出版社） 自动控制理论 （第四版，夏德钤，翁贻方，机械工业出版社） 信号与系统教程 （第三版，燕庆明，高等教育出版社）