水箱液位控制系统的设计及实物调试

自动控制系统课程设计

1、设计题目：水箱液位控制系统的设计及实物调试 2、设计目的

1、加强对自动控制原理这门课程的认识，初步认识工程设计方法。

2、通过对水箱液位控制系统的设计，进一步理解书本知识，提高实践能力，增强分析问题，解决问题的能力。

3、学习并掌握Matlab的使用方法，学会用Matlab仿真。 4、学会对仿真结果进行分析，计算，并应用到实践设计中去。

3、设计设备

1、ACCC—Ⅰ型自动控制理论及计算机控制技术实验装置 2、数字式万用表 3、示波器 4、MATLAB软件

4、设计任务

（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解水箱液位控制系统的工作原理。

（2）总体方案的构思

根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。

（3）总体方案的确定

可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。 （4）系统实现

搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据

5、设计要求

1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。

2．选择系统主电路各元部件，进行主电路设计，并完成系统调试。 3．构成开环系统，并测其动态特性。 4．测出各环节的放大倍数及其时间常数。 5．分析单闭环无差系统的动态性能。 6．比较开环时和闭环时的动态响应。

7．构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足%5%,tr0.2s,ts0.5s。

6、MATLAB软件仿真

6．1 软件仿真部分设计要求

1、参考文献【1】完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数； 2、带入表中的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数；

3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标；

4、分步骤实现系统的PID校正，分别进行比例控制（P）校正，比例微分控制（PD）校正，比例积分控制（PI）校正和比例积分微分控制（PID）校正；

5、运用《自动控制原理》知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能；

6、设计后的系统满足如下性能指标：%5%,tr0.2s,ts0.5s；

7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s，幅值为5V。 6．2 模型建立

1． “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图

参考文献【1】，可以得到水箱液位控制系统的工艺过程原理图如图6.2.1所示

图6.2.1

图中：

Q1 —水箱流入量; Q2 —水箱流出量;

A —水箱截面积;

u —进水阀开度;

f —出水阀开度;

h —水箱液位高度;

h0 —水箱初始液位高度;

K —阀体流量比例系数。 2. 软件仿真单元框图

根据工艺过程原理图（图6.2.1）可设计出仿真单元的原理图：

图6.2.2

3. 水箱液位系统相关参数

表6.2.3

K h0 参数意义 阀体流量比例系数 10 参数值 水箱初始液位高度（m） 2 水箱截面积（m2） 10 A 6. 3 MALAB仿真 1. 超前串联校正仿真： (1)输入程序

根据文献【1】中提供的方法以及自动控制原理课程设计指导书中提供的参数推算开环传递函数G(s)假设f不变, 系统初始态为稳态, 由提供的参数得

h02,K10,A10m2。

则：

ΔQ1-ΔQ2Adh （1） dtQ1Ku （2） Q2Kh （3）

对（3）式在h0 处进行线性化, 得:

Q2K2h0h （4）

对（1）、（2）、（4）式进行拉普拉斯变换后得：

Q1(s)Q2(s)sAH(s) （5） Q1(s)KU(s) （6）

Q2(s)K2h0H(s) （7）

由（5）、（6）、（7）式联立化简得到系统的闭环传递函数

G(s)1

(3.536s1)

在MATLAB命令窗口定义好模型G(s)MATLAB程序代码如下： num=1

den=[3.536,1] G=tf(num,den)

得到结果如下： num = 1 den =

3.5360 1.0000

Transfer function: 1 ----------- 3.536 s + 1 >> sisotool(G)

1，

(3.536s1)按回车键进入SISO系统设计工具进行系统设计。 （2）将模型载入SISO设计工具

通过命令载入模型，完成整个系统的闭环结构，根据系统的相关参数，可知需修改H3.54，F10。

通过调节系统增益来改善系统反应速度，通过增加积分环节以调节系统的稳态误差，通过增加调节函数的零极点并调节零极点位置来改变系统的稳定性减小误差，通过以上各项措施来改善系统的性能指标并最终使系统达到要求的性能指标

1. 调整增益

图5.3.1

2. 增加超前校正网络并调整超前校正网络的零极点分布

图5.3.2

3. 系统仿真波形图

图5.3.3

由系统仿真波形图可以看出tr0.005s0.2s,ts0.0081s0.5s,

%0.697%5%,所以系统是满足要求的，此时超前校正调节函数为

G(s)548.9(10.76s)

[s(10.0011s)]2. PID校正仿真： (1) PID建模

根据原理图和系统结构图，参考文献【1】利用MATLAB中Simulink对系统进行仿真研究,构建模拟系统闭环循环图

图5.3.4 (2)PID校正

1. 无任何调节状态（P=1,I=0,D=0）

图5.3.5

通过Matlab进行仿真运行后，得到系统的阶跃响应曲线如下:

图5.3.6

从系统的阶跃响应曲线图可知：“水箱系统”液位控制系统在无调节器的情况下，过渡过程是一个非周期过程，是稳定的系统，调节时间教短，响应比较迅速，但是，该系统是一个有静差的系统，应该给系统增加一个调节器。

2.无静差系统

图5.3.7

通过Matlab进行仿真运行后，得到系统的阶跃响应曲线如下:

图5.3.8

3.衰减振荡系统

图5.3.9

通过Matlab进行仿真运行后，得到系统的阶跃响应曲线如下:

图5.3.10

6.4 结论：

1．“水箱系统”的液位控制可以实现无静差，并且具有较好的动态过程控制。 2. P参数不宜设置过大，否则系统会出现不稳定情况。

3. 当I参数设置较大，即积分作用较强时，可以出现衰减振荡过程。 4. 本系统采用PI调节作用，对抗干扰性能的要求也能很好的满足。

7、硬件调试单元：

7.1硬件单元设计要求：

1、参考《课程设计硬件操作指南》完成实物接线；

2、将阶跃信号作用域系统，调节信号的占空比、频率和幅值； 3、测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出；

4、分析系统的元件取值对输出影像，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分等角度分析。 7.2设计原理：

水箱液位控制系统框图如图所示，由给定、PID调节器、功率放大、水泵、液位测量和输出电压反馈电路组成。在参数给定的情况下，经过PID运算产生相应的控制量，使水箱里的水位稳定在给定值。

图7.2.1

给定Ug由ACCT—Ⅱ自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V~15V。

PID调节器的输出作为水泵的输入信号，经过功率放大后作为水泵的工作电源，从而控制水的流量。

液位测量通过检测有机玻璃水箱的水压，转换成电压信号作为电压反馈信号，水泵的水压为0~6Kpa，输出电压为0~10V，这里由于水箱的高度受实验台的限制，所以调节压力变送器的量程使得水位达到250mm时压力变送器的输出电压为5V。根据实际的设计要求，调节反馈系数，从而调节输出电压。

7.3 硬件调试单元接线原理图：

图7.2.2 其中元件参数可自己调整，以下为参考值：

R0R1R2100KR310KR41MR510KC11FRf/Ri17.4 具体实验步骤：

1、将ACCT—Ⅱ面板上U1单元的可调电压接到Ug；

2、给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd0，R4的作用是提高PI调节器的动态特性。

3、经PI运算后给水泵驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到水泵的正极输入端（IN+），负极端（IN-）接地；

4、液位测量的输出接到电压反馈的输入端，由于液位测量输出的电压值为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数而调节输出的电压U0；

RfRi，从

5、接好上述线路，全面检查线路后，合上实验面板上的电源开关，再合上液位测量水泵的驱动电源开关，调整PI参数，是系统稳定，同时观测输出电压变化情况。

6、在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。 7、改变给定信号，观察系统动态特性。 7.5 设计所测数据：

1、改变R5的值，将其分别设置成10kΩ和510kΩ，并观察输出曲线。 2、外加输出干扰，在水位接近设定值时打开出水阀，观察输出曲线。 3、改变反馈增益系数并观察输出曲线。 7.6 设计实验所测得的数据及分析： 1. 取给定电压Ui5V,形图如下所示：

RfRi1,R510k,C11F时，线路各点的电压输出波

图7.6.1 图7.6.2

图7.6.3 图7.6.4

图7.6.1所示为系统从进水阀开始进水到液面达到给定值过程中水泵输入电压与液面输出电压的波形比较；图7.6.2所示为系统反馈回路输出与系统比较器输出的波形比较；图7.6.3所示为系统给定值与液面输出电压比较波形；图7.6.4所示为有扰动时系统系统给定值与液面输出电压比较波形。 2. 取给定电压Ui5V,波形图如下所示：

RfRi1,R5510k,C11F时，线路各点的电压输出

图7.6.5 图7.6.6

图7.6.7 图7.6.8

其中图7.6.5展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值过程中液位输出电压和水泵输入电压的比较波形；图7.6.6展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值是液位输出电压与给定值的比较波形；图7.6.7展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值过程中比较器输出电压与反馈回路反相器输出电压的比较波形；图7.6.8展示的是当液位达到给定值后一段时间再外加扰动后水泵输入电压与液位输出电压的比较波形。

3.取给定电压Ui5V，

RfRi分别取2和3.3，R510k，C11F时，

线路各点的电压输出波形图如下所示：

图7.6.9 图7.6.10

图7.6.11 图7.6.11

由这一组波形图与第一组波形图相比较可以看出，改变反馈回路的增益对系统有影响。当1时，当液位实际电压达到UiRfRi时，通过反馈回路输出的

反馈电压已经达到Ui，比较器输出电压为零，系统认为实际值已经达到给定值，导致水泵停止工作；通过推导可以得出，若1，那么只有当实际值达到

UiUi时，反馈输出才为Ui，此时比较器输出为零，水泵停止工作。所以可

以认为改变反馈回路的增益使其为原来的倍时，相当于间接的改变给定值为原来的1倍。

8、总结：

当合上出水阀，闭合水泵驱动电源开关，进水阀开始进水，液面开始上升，此时，液面输出电压上升，水泵输入电压保持不变，比较器输出电压上升，反馈回路反相器输出电压下降（液面电压上升的结果）；当液面达到给定值，此时液面不再上升，相对应的液位输出电压不在上升，并且与给定电压相等，水泵输入电压迅速下降为零。比较器输出电压为零（给定值与实际值相等），水泵停止工作；突然打开出水阀一段时间，此时，液位下降，液位输出电压下降，开始小于给定值，比较器输出电压不为零，水泵输入电压迅速恢复，水泵开始工作直至液面回到给定值。

通过对电路的分析与推导可以得出超前校正的调节函数为：

U2R4(1R5sC)R4(1R5C1s) U1R3(R4R5)sCR3R3[(R4R5)C1s1]