水箱液位控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上MATLAB大作業(yè) 水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院： 電氣工程學(xué)院 班級(jí)：10自動(dòng)化1班 學(xué)號(hào)：P 姓名：陳 輝 指導(dǎo)老師：楊成慧 目錄 摘要3 引言3 一、 液位控制系統(tǒng)的原理3 二、 控制系統(tǒng)元件的選擇5 三、控制系統(tǒng)的參數(shù)確定6 四、控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果8 五、設(shè)計(jì)總結(jié)10 參考文獻(xiàn)10水箱液位控制系統(tǒng)摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們生活和生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)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(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等,所以水

2、箱液位控制系統(tǒng)在生活成為了必不可少的東西。設(shè)計(jì)一個(gè)合理的水箱液位控制系統(tǒng)對(duì)生活的意義重大，一個(gè)完整的水箱液位控制系統(tǒng)主要由水箱、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)水閥門、浮子連桿等配件構(gòu)成：操作簡(jiǎn)便，可靠性好，運(yùn)行成本低，可擴(kuò)展行強(qiáng)等特點(diǎn)，本文對(duì)給定的水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，畫出結(jié)構(gòu)框圖，描述每一個(gè)元件的函數(shù)，并寫出每個(gè)元件的傳遞函數(shù)，用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并分析結(jié)果。關(guān)鍵字：水箱，液位控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)，建模，傳遞函數(shù)。 引言：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們生活和生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為

3、高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、頂層水箱等作為基本蓄水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管不給。因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)給水系統(tǒng)的正常運(yùn)作。在工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會(huì)需要對(duì)容器中的液位進(jìn)行自動(dòng)控制。比如自動(dòng)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(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。特別是在實(shí)際操作系統(tǒng)中，穩(wěn)定、可靠是控制系統(tǒng)的基本要求。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。水箱液

4、位控制系統(tǒng)式進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的平臺(tái)，可以方便地構(gòu)成一階系統(tǒng)對(duì)象和二階系統(tǒng)對(duì)象。用戶可通過經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)與調(diào)試，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。各種控制器的控制效果過水位的變化直接地反映出來(lái)，同時(shí)通過液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。這種系統(tǒng)不僅適用于農(nóng)業(yè)和生活用水的控制，也適用于工業(yè)上的液位控制和馬桶的給水控制。 1、 液位控制系統(tǒng)的原理 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成（1） 自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制對(duì)象和制動(dòng)控制設(shè)備組成。即由控制對(duì)象、傳感器、控制器和執(zhí)行器所組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2） 所謂的控制對(duì)象是指所需控制的機(jī)器、設(shè)備、或生產(chǎn)過程。（3） 被

5、控參數(shù)是所需控制和調(diào)節(jié)的物理量或狀態(tài)參數(shù)化，即控制對(duì)象的輸出信號(hào)，如鍋爐溫度、水箱水位等。（4） 被控參數(shù)的預(yù)定值（理想值）稱為給定值（設(shè)定值）。給定值與被控參數(shù)的測(cè)量值之差成為偏差。（5） 擾動(dòng)是指除給定輸入之外，對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)的總稱。（6） 傳感器是指把被控參數(shù)成比例地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌锢砹啃盘?hào)的原件或儀表，如熱電阻，熱電偶等，如果傳感器所發(fā)出的信號(hào)與后面控制所要求的信號(hào)不一致時(shí)，則需要增加一個(gè)變送器，將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成后面所要求的信號(hào)。（7） 控制器是指將傳感器送來(lái)的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果的偏差大小，按照預(yù)定的控制規(guī)律輸出控制信號(hào)的原件或儀表。（8） 執(zhí)行器是動(dòng)力部

6、件，它根據(jù)控制器送來(lái)的控制信號(hào)大小改變調(diào)節(jié)閥的開度，對(duì)控制對(duì)象施加控制作用，使被控對(duì)象保持在給定值。22、 控制系統(tǒng)元件的選擇實(shí)驗(yàn)原理圖如下： 圖（1）水箱液位控制系統(tǒng)的原理圖水箱液位控制系統(tǒng)如圖（1）所示。該體統(tǒng)的任務(wù)是使液面高度保持在一個(gè)設(shè)定的值上。水箱是被控對(duì)象，水箱液位是被控量，電位器設(shè)定的電壓u（表示液位的希望值y）是給定量，出水量為干擾量。系統(tǒng)的工作說明：當(dāng)電位器電刷位于中間位置時(shí)（對(duì)應(yīng)給定電壓u）時(shí)，即水位處在希望的高度，同時(shí)出水量等于進(jìn)水量，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)。若流水量或出水量發(fā)生變化，當(dāng)液面升高時(shí)浮子位置也相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中間位置下移，產(chǎn)生電

7、位差，通過放大器放大，給電動(dòng)機(jī)一個(gè)控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小進(jìn)水閥門開度，使進(jìn)入水箱的液體流量減少。這時(shí)，液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，直到電位器電刷回到中間位置，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。反之，液位下降，系統(tǒng)會(huì)增大進(jìn)水閥門開度，加大進(jìn)水量使液位升高到希望高度。系統(tǒng)的理方塊圖如圖（2） 圖（2）水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖1現(xiàn)在將圖（2） 中每個(gè)環(huán)節(jié)用s域的傳遞函數(shù)表示，畫出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖（3） 所示。 圖（3） 63、 控制系統(tǒng)的參數(shù)確定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的解釋： K1是設(shè)定電位與反饋信號(hào)比較后輸出的誤差信號(hào)經(jīng)放大器后增益的倍數(shù)。G1是電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù) ， 該公式是參考了網(wǎng)上的相

8、關(guān)信息，它是輸入電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速的或電機(jī)軸轉(zhuǎn)角的傳遞函數(shù)。K3是進(jìn)水閥門的傳遞系數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了閥門的開度調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制錄的入水量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與入水量可以簡(jiǎn)化為一個(gè)K3 。G2是入水量與水箱液位的傳遞函數(shù) ，如果水箱沒有出水口，則 ，在建立G2這個(gè)傳遞函數(shù)時(shí)，是將水箱整個(gè)模型等效為一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)電路。C稱為水容，意義為水箱的底面積。R稱為水阻，意義是產(chǎn)生單位流量變化需要的液位差。K4是液位通過浮子反映在電位上的傳遞參數(shù)。將該系統(tǒng)化簡(jiǎn)為如圖4所示： 其中G為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 分母為特征多項(xiàng)式： 系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷：列出勞斯表： 1 此時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷：當(dāng)0 時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)0是系統(tǒng)不穩(wěn)定。

9、例如，選一組參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 設(shè)K1=K2=K3=K4=1，C=R=T=1時(shí)，則該系數(shù)是滿足穩(wěn)定條件的。傳遞函數(shù)為 5四、控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果1、運(yùn)用Matlab 運(yùn)行仿真程序代碼如下： num=1; den=1 2 1 0.5; t=0:0.1:60; y1=step(num,den,t); plot(t,y1); 仿真結(jié)果如下圖所示: 圖（5） 結(jié)果分析： 得到系統(tǒng)的階躍相應(yīng)如圖(5)所示。系統(tǒng)雖然是穩(wěn)定的，在確定參數(shù)的時(shí)候要特別注意，否則仿真的波形將不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都比較大。由此可以知道系統(tǒng)各控制元件的選擇是非常重要的。2、運(yùn)用simulink運(yùn)行仿真 根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

10、結(jié)構(gòu)圖，如下圖:3 圖（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真如下圖： 圖（7） 在圖中有輸入信號(hào)也有干擾信號(hào)。輸入信號(hào)是初始時(shí)間為0，高度為5的階躍信號(hào)。干擾信號(hào)為初始時(shí)間為5，高度為2的階躍信號(hào)。用示波器觀察圖形。在嘗試了幾組值后，最終確定使用圖中的參數(shù)( K1= K3=K4=1，C=R=1，,K2=3 ，T=0.01)。得到輸出波形如圖（7）所示。由matlab仿真方法和simulingk仿真的結(jié)果存在一些差距，但是曲線最終都趨于穩(wěn)定，說明此設(shè)計(jì)方案可靠性好，精度高。在生活中得到廣泛的應(yīng)用，隨著科技的進(jìn)步，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，可以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。五、設(shè)計(jì)總結(jié)：在學(xué)習(xí)了matlab之后，有了一定的基

11、礎(chǔ)，可以完成一些簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，就本設(shè)計(jì)而言，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析首先要建立正確的系統(tǒng)框圖，再系統(tǒng)的將每一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)找到。通過查找相關(guān)書籍，以及一些畢業(yè)論文和學(xué)術(shù)論文，對(duì)設(shè)計(jì)此實(shí)驗(yàn)提供了很大的幫助，也正因?yàn)橛辛诉@些東西，才使得我順利的完成了該設(shè)計(jì)。建立正確的系統(tǒng)框圖，這是一個(gè)建模的過程，接著就是參數(shù)的選擇和確定，這個(gè)是個(gè)讓我復(fù)雜的過程，也是很重要的環(huán)節(jié)。在學(xué)習(xí)了自動(dòng)控制原理之后，對(duì)參數(shù)的理解也變得相對(duì)容易了，在設(shè)計(jì)過程中要求滿足“穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性”，而對(duì)于它的實(shí)際工程中的意義并不了解。所以在仿真的時(shí)候有些參數(shù)我不得不用試根的方法來(lái)確定參數(shù)。完成該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己還有很多的不足，有很多地方都沒有弄懂，特別是在參數(shù)的確定上出現(xiàn)的問題最多，所以在以后的學(xué)習(xí)中有必要加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí)才能，不斷進(jìn)步，提高自己。參考文獻(xiàn)：1自動(dòng)控制原理第五版同步輔導(dǎo)及習(xí)題全解，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社2006年8月2胡壽松.自動(dòng)控制原理.科學(xué)出