自控原理課程設(shè)計水位控制系統(tǒng)

1、課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目水位控制系統(tǒng)二、設(shè)計任務(wù)選取一種水位控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，做出傳遞函數(shù)，微分方程，仿真。三、設(shè)計計劃四、設(shè)計要求1 利用所學(xué)的自動控制原理進(jìn)行設(shè)計。2 要有傳遞函數(shù)，微分方程，校正與仿真3不可重復(fù)。指 導(dǎo) 教師：呂振 閆馨教研室主任：呂振時 間：2007年12月30日摘要本文介紹了基本的水位控制系統(tǒng)，列舉了機電控制式水位控制、全機械結(jié)構(gòu)的水位控制方式、古老的水位控制以及最簡單的自動水位控制裝置。在水位控制系統(tǒng)中，水槽是常見的水位控制系統(tǒng)的被控對象。所以又主要針對了雙容水槽的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了基本參數(shù)設(shè)定及求其傳遞函數(shù)，微分方程，校正與仿真。 雙容水槽，水位控制。目錄引言1一、

2、水位控制系統(tǒng)21、機電控制式水位控制22、全機械結(jié)構(gòu)的水位控制方式33、最簡單的自動水位控制裝置4二、雙容水槽5三、雙容水槽系統(tǒng)校正與仿真7結(jié)論8心得與體會9參考文獻(xiàn)10引 言自動控制學(xué)科有自動控制技術(shù)和自動控制理論兩部分組成。近幾十年來，自動控制技術(shù)迅猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防建設(shè)和航空，航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)至今已滲透到各種科學(xué)領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。比如在生活方面的溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、自動洗衣機、自動售貨機、自動電梯、空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、自動路燈、自動門、保安系統(tǒng)等。在工業(yè)方面主要分為兩大類：一類是氣體

3、、液體、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等行業(yè)。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進(jìn)行控制。另一類是對已成型材料的進(jìn)一步加工或者對多種已成型材料的裝配，主要控制位移、速度、角度等參數(shù)這些都需要應(yīng)用自動控制學(xué)科的知識?？刂评碚撘话惴譃榻?jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。經(jīng)典控制理論最初稱為自動調(diào)節(jié)原理，適用于較簡單系統(tǒng)特定變量的調(diào)節(jié)。隨著后期現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)，故改稱為經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具研究單輸入、單輸出的自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法。主要研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法?，F(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生：隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，特別是空間技術(shù)和各類高速飛行器的發(fā)

4、展，使各受控對象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，要求控制理論解決動態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)的設(shè)計問題。此外，對控制性能的要求也在逐步提高，很多情況下要求系統(tǒng)的某種性能是最優(yōu)的，而且對環(huán)境的變化要有一定適應(yīng)能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無法解決的，這同時也為現(xiàn)代控制理論的形成創(chuàng)造了條件。現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的，它不用傳遞函數(shù)，而是用狀態(tài)向量方程作基本工具，從而大大簡化了數(shù)學(xué)表達(dá)方式，因此原則上可以分析多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，推動了控制理論的發(fā)展，而自動控制理論的發(fā)展，又指導(dǎo)了控制技術(shù)的應(yīng)用，使其進(jìn)一步完善，隨

5、著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于科技、冶金、石油、化工、電子、電力、航空、航海、航天、核反應(yīng)堆等各個學(xué)科領(lǐng)域。近年來，控制科學(xué)的范圍還擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會領(lǐng)域，并為個學(xué)科之間的相互滲透起了促進(jìn)作用，可以毫不夸張的講，自動控制技術(shù)和理論已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會的不可缺少的組成部分。自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程自動化，從而提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高經(jīng)濟效益，改善勞動條件，而且在人類探索新能源，發(fā)展空間技術(shù)和創(chuàng)造人類社會文明等方面都具有十分重要的意義。一、水位控制系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進(jìn)行自動控

6、制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以歸納為一般的反饋控制方式，如下圖所示，它們的主要區(qū)別在于檢測液位的方式、反饋形式，以及控制器上的區(qū)別。1、機電控制式水位控制下圖是這種控制方式的結(jié)構(gòu)示意。漂浮在水面上的浮球與控制器中的“檢測機構(gòu)”通過連桿機構(gòu)相連，當(dāng)水位發(fā)生變化時，浮球上下運動帶動“檢測機構(gòu)”產(chǎn)生位移，這個位移可以直接用來驅(qū)動閥門動作，關(guān)閉或者開啟進(jìn)水口，調(diào)節(jié)水位。如果需要控制的水筏較大，浮球的浮力不足以驅(qū)動控制水閥動作時，可以在“檢測機構(gòu)

7、”與“閥門控制”之間增加一套機電控制驅(qū)動裝置，具體控制過程為：“檢測機構(gòu)”的位移先去帶動一個位移開關(guān)動作；位移開關(guān)控制電機的轉(zhuǎn)動；電機驅(qū)動水閥門。這種控制方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可以對大型蓄水裝置進(jìn)行控制，因此常常應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。2、全機械結(jié)構(gòu)的水位控制方式家用抽水馬桶是典型的全機械結(jié)構(gòu)水位控制，以下是原理示意圖：當(dāng)用戶進(jìn)行沖水操作之后，蓄水箱的水被排空，浮球下降，這個信號通過連桿機構(gòu)傳遞給進(jìn)水閥門，使進(jìn)水閥門開啟，對蓄水箱補水；隨著水量的增加，浮球逐步上移，直至達(dá)到設(shè)定的某個水位時，正好能夠關(guān)閉進(jìn)水閥，停止進(jìn)水。由此可見，在這種水位控制系統(tǒng)中，浮球=水位檢測器（傳感器），連桿機構(gòu)=控制器，水

8、位的“給定量”通過進(jìn)水閥門與連桿機構(gòu)的相對位置來設(shè)定。3、最簡單的自動水位控制裝置在工廠化的家禽飼養(yǎng)中，由于飼養(yǎng)的的空間很小，家禽密度很高，飲水槽不可以做的很大，否則將被家禽踐踏而使引水受到污染。但又要保持有充足的水量，不斷的自動補充新鮮的飲水。解決這個矛盾的辦法就是需要一套自動水位控制系統(tǒng)，使得很小、很淺的飲水槽中始終有水而且水位維持不變。這個水位控制系統(tǒng)其實非常的簡單，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示由于蓄水桶上方密閉的空間氣壓比外界大氣壓強低，所以能夠保持蓄水桶中的水位高于水槽中的水位，當(dāng)水槽中的水被飲用之后，外部的空氣將通過蓄水桶的下方桶口進(jìn)入到桶上方的密閉區(qū)域中，降低了密閉區(qū)的壓強，蓄水桶中的水位

9、降低，補充了水槽中的水，直至水槽中的水平面高過蓄水桶下方的桶口。下面介紹一下水位控制系統(tǒng)中的被控制對象雙容水槽二、雙容水槽水槽是常見的水位控制系統(tǒng)的被控對象。下圖是倆個串聯(lián)單容水槽構(gòu)成的雙容水槽。其輸入量為調(diào)節(jié)閥1產(chǎn)生的閥門開度變化u，而輸出量為第二個水槽的液位增量h2。Qi+QiQ10+Q1Q20+Q1h10+h1h20+h1在水流量增量、水槽液位增量及液阻之間。經(jīng)平衡點線性化后，可以導(dǎo)出如下關(guān)系式： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4）式中，C1和C2為兩液槽的容量系數(shù)；R1和R2為兩液槽的液阻。將式（2.2）代入式（2.1）得故有 （2.5） （2.6）將式（2.4）及（2.2

10、）代入（2.3），得分別將式（2.5）和（2.6）代入上式，整理后可得雙容水槽的微分方程 （2.7）式中，T1=R1C1為第一個水槽的時間常數(shù)；T2=R2C2為第二個水槽的時間常數(shù)；K為雙容水槽的傳遞系數(shù)。再零初始條件下，對式（2.7）進(jìn)行拉氏變換，得雙容水槽的傳遞函數(shù)三、雙容水槽系統(tǒng)校正與仿真因此系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)不需要校正，仿真圖如下結(jié)論此設(shè)計介紹了幾個水位控制系統(tǒng)，著重的闡述了雙容水槽的結(jié)構(gòu)，并且對雙容水槽進(jìn)行了參數(shù)設(shè)定以及線性分析，列出了傳遞函數(shù)和微分方程，建立了數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行了仿真，再整個系統(tǒng)中，水流入量由調(diào)節(jié)閥開度加以控制，流出量則由用戶根據(jù)需要通過負(fù)載閥來改變，被調(diào)量為水位h，它

11、反應(yīng)水的流入與流出之間的平衡關(guān)系。水位控制系統(tǒng)主要是調(diào)節(jié)流入與流出之間平衡關(guān)系的系統(tǒng)。心得與體會通過這次的設(shè)計使我對自動控制原理課程中所學(xué)習(xí)到的知識得到的更加深刻的認(rèn)識以及鞏固，也使我在學(xué)習(xí)書本知識的同時學(xué)會了將學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實際生活中，在實際生活中拓展自己的能力和自己的學(xué)習(xí)熱情。通過這次的設(shè)計也使我對經(jīng)典控制系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的認(rèn)識，在我腦海里產(chǎn)生了深刻影響。通過這幾天的忙碌，我學(xué)會了許多我們在課堂上面所學(xué)不到的知識和能力。在我們做課程設(shè)計的時候我們將面對許許多多的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，微分方程，校正仿真等問題。這也就要求我們利用課上學(xué)習(xí)到的知識和自己的查閱資料的能力，綜合運用以前上課時老師教我們的分析方法去分析新的問題。還有通過這兩天的設(shè)計，我也認(rèn)識到了和同學(xué)配合的重要性，在我們學(xué)習(xí)生活中，自己不可