水箱液位自动控制系统的设计.docx

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水箱液位自动控制系统的设计

自动控制原理课程

设计说明

水箱液位自动控制系统的设计

姓

学

学

专

名:

口

号:

院:

业:

指导教师:

2018年1月

SOB

咖政

5.啟號性分析骗正

10'

6*系縊真

附录

參考文献

11

11

12

r设计题目

液M系统原理如卜囲所示.

（1）IW般贡札分析系统的工作陳眩胎锻控对叙酬斛淞旅耐療统方H渦

（2）分析系剜个坏剛输入铀关魚代入揪參散求H啄统传遍前忆

（3）分折域性施乩频域件监

（4）运用朋迹法畅帼加系叙使2縱淞加折标呱求•（罰囁件砒恢求就）

（5）分脚校忸眦求应川MAUAB」；儿細阚艸

二-设计报吿正文

K摘《

在枚金纟空济E速发展的釦减，水在人门生活和4：

产中ib!

普越来越朮《的作用.在工业生产以及H常牛胡应用中.常帑会需耍对界器中的液位进打门动控制•比如fl动控删水ffb水池.水《t樹炉爭磔器中的«水氐生活』抽水马M的f【动补水控制，n动电热术器.电开水机的n动进水控制筲,所以水ffi液位控制系统隹生活成为「必不M少的东西.坡计一个合理.#3定性强W水箱液也押制系统对生活他敕文朮人,一个完金的水撷液位控制系统主要山水箱■电动机■进水阀门.浮子连杆等配件构成：

操作简fitM樣性好.运行成本低，町扩展｛了强等特点,本文对给世的水箱液ft控制系统进仔分析.価出结构矗阳，貓述毎1个元件的的数.并埒出毎个元件的传递函数*用血tWb/sizlink对糸统进trttrt＞并分析结5|i*

关M字：

水ffl液位控制系统业动机醴槌传通rfift

2.系统的ffl成分析

fl动控制系统的级成

（1）n动控制系统山控制I对«1和制动控制段备乩成.即由押制对您.传S器.控制黑和执行湍所组成的闭环桂制系统.

（2）所谓的控制对象览ffi所需控制的机器・i殳縮，或生产过程-

（3）破控参数地所骷ft制和调节的物理届或状感摻数化.即控制对勲的输岀e氏如閑炉淋匮、水箱水昭

（1）被控螫散的预定他t理M）称为给定他（设定值）・给宦價与被控《«£的测WFLZ«成为偏於.

（5）扰动足ffi除给建愉入Z外.对系统的输出“影响的佔寸的总称.

（6）传感雄楚ffi把般控螫ft成比M地转变为具地物fflUKH；的原件眦仪表.如鷄电耳IMA电偶即』M传感器術发出的個号与辭而控制所3S求的悄L；不一致时.则常嘤加一个变送欺将VM的输出悄U转换成filfillJf耍求的侑氏

（T）控制器扯将传感器送来的佶U与给定血进行比牧，根据比较结果的僞澄大小，按照预定的用制期探输出建制借号的原件或仪衣.

（8）执行器是动力部件”它根据控制器送来的控制信号人小攻变调节阀的刑£对控制对《1施加挖制作用＞«控对陳保持在给宦值.

3.帥I廉斛模

ifi从剛I

f

II'

1!

1

如！

丨“I'

r6—

*电助机*

液位桦制系统韓型』

脱位怦刪系统的任务业便液面!

naft｛忡在一｝设世的他1：

.系统备r无件如卜1

（1）,

⑵，

⑶.

⑷，

（5）,

Itu

rFMt

tr

训水

Qj

被辭州娥水ffi

放大Jett：

电圧放大耻功率放大黑伙行元ft：

电动机’«速器・側门测fit元件：

浮子iUF翩fib水箱液位

（6）.给定凤：

电位器给定电用U（唧液位的冷删H）

（7）.输岀S：

实际水位

H体工作廉理：

当电位器电刷位于中Wftft时（对m电压U）Bj.即水位处在帝划的翩£啊时出水歌尊『进水轧此时电动机不动*系统处在半衡状鼠,ruM或N冰尿发生变匕当液面升1<«时浮子佩乳也相歳升麻逓过札杆作用述电位黑电刷从屮Mttir下臥产生电位熱通过放人器放九恰电动机一个押制；电肚驱沏11动机述过《速器《小进水的门斤jf*tt进入水ffl的液休流《«少，这帐斶币下陥浮子位Iff郴应下阳rt列电ft器电紳口曲川啊位亂系统m新恢:

uY»f-sz.液位卜询*系维金贈大进水阀门开腹加大进水m14冊到耐M度.

系统的方块国加下：

*0_片玻人胖卜t|［赳动I~片减速I_彳进水侧门

规将毎个坏节用s域的传递函數我示，画出系统动态结构图・如下图所示:

lb

K6*

KL放大元件传递的数，是设定电位与反ta信号比较后输出的误差信号经放大器

JG增益的船2敬

G2:

电动机传递歯数，她输入电斥与电机转速的或也机釉转ffl的传递雷ft.

2=岛心阴块开坏增亂TMJ晌陋是-5说

数.

K3:

减速器传递函K3=1/1,i为速比@

K4:

进水阀门的传递系数.电机转动实现了阀门的开度调节.进而控制入水最,

电动机转速与入水量可以简化为一个K4・

G5:

入水a与水箱液位的传递歯ft"

K6:

浮子连杆传琲甫数.液检通过浮子反映在电位匕的传递隊数.

根据以上5域方框图及毎个元件的传递函ft.可U将整个系统tl纳为:

系统的闭环传递函数为:

①広）-占（/>+1）（Ts+1）+K'KdhK'KdU

4.第统*ft选择

（1人放大黑：

枚大单无将®值信号放大，以方锲驱动电动机•放史倍&为％没疔a纲.故

可tsVio.即放大10倍。

u.（l）-l^-^+K>.{t）+E,

（2）、Ki动机：

电枢回路电圧平»方程卅

皿）为输出馭叫（t）为输入S的ft流电动机微分方粘

讥晋^+（从+K丁」警^+（RX+c.c,>.（t）

在匸W应用屮.犹傑眶朋庖路也5»k较小.通常忽略不计*WrftjI.式可简化为

屯*叫°）"瓦叭<0-KM,（t）

式屮人=RJJ（RL+qCJ血社劫机的吋M常数；

"q/（K必+CQ,人=K/{KKCJ是电动机传谨系么上面我心已经求的电枢控制i流电动机简化后的微分方程为；

式中卩）可视为负载扰动转矩.

5）=4—瓦—由传递|«!

［崔姑rn/i；也⑻心归

卜囲足它的方框图

耳⑸「

可取输出转速与输入电压之间的传递函数为:

G*阊=_

3s（O.ls+l）

（3）■城速器：

是一个比例环节，将电机输出的大的转速转换为比较低的转速可取传递惭数为：

^=/f3=l/8

W1

（4）•进水阀门传递呦ft:

设糾门关闭时的餡度为零.全部打开的紡度为tld传递关系为变比系ftKw故：

a（S）-K4*W2Ce）

町取传递函ft为:

n（s）=-*Qni（E）

4

（5）,炖：

'=岛.他也这个翎細时，酬水細針棚

等效为一个RC网络电路・只中A壯R.T二RC,C称为水容•盧义为水sm底而札R称为水轧点义Ji产生单.位流砒变化需婆的液位S.可収传递输数知

6

%畑1

（6）1.从秤了到电位器:

浮了由I于液位岛用变化金与札朴支点和平衞位HA形成一个彻K0.为液位在恨小初期内变化时可W近似认为变化.乂电位器愉出I町円融点fN聘¥衛付丹他朋之间的曲邇用澈为U®・K•欣臥町得也

未变化抑『丄j电位器输川电用ZM传逼曲》为U（s）^*Ah.

故可収传递*1«!

划

U（s）=l*Ah,

5＞系统稳定性分析与矫正

（1）分析i代入#环节传递曲ft萝&可御系统的开坏传递为:

3.5

G丽裁朋话二

"sfI；+l）（Ts+l）iO'.O5s^+O'6r+s

闭耳传递函《为:

0（0*

°>（T,>+l）fr>+l）+K,K,K,K*K,K,

0,05b^+0.6s\S+I5

系m［环波締用弘

Gffl-1[lLTdBtfll4JTrSdh.|.Ptti-ZB.?

[leg（Al3.Hr4d^?

|

■7

由图可刨-相位惰度为！

升書28T,WfrtttfJS为：

h“QJdB

戲止W率.为：

=

条址丫内帕位脉冲响应如K：

<\

rimtIsflDond訂

系统阶跃响应如下:

0.5H

可如系统的超=调节时间为’久63齿.

⑵桥止：

®求系統的相位裕度7^45%.开坏哉止频率玛小严%.

由1于叫0＜力，％＜7・因此町《采用趙曲桥止・

SJ坐ihffilWtII位趙冊fft为’%=7-Zo+（货-2（n二般-28•严+（5J20%30。

=0J3JJ

确定新的开环截止频率叫-

圧叫出应该盯L3.HL倾.

（MiilHatlab从［Sm频率特性图可得h

姑存后玛=1层吆

补偿堪益为*K-i-J

a

15

所以校正％W传递（*1数为1G金”*018?

a+l

所以14正麻的开坏传過ri%数为:

GW-n（f）*n（i）.竺业*「'•0J85S+10057+0^7+（

校止后蜿统歼坏波特图*

幵环蔽|1.顿率为：

现=31尹%“0门後：

裁求

郴位耶匝为：

〜处』y苻釦夏求.

0」心*』丄」

松【Ihi网I外竹递闻数小就时吉卫乞.tM跡,1亦So亦7

1+G

0l!

5if*IOOgJ+OGtf+s

1.4

25

HR

Jtfteh糸统mtgiMtMp-23.1%・词训寸间对hM丄k

由此可知，校正后的系统性能比校正前大大提升，而且符合预设要求。

乩聚擁仿真

任Sktl訪中削I」SimuHnk仍点系址.新建SbnuliiikModel,并绘制出紊统框

K

Gflha

II

输出波形符合要求

三.总结

此次设计帀点对泵统的&定性也进行了分析.对系统ffi需妥的沛分元件也逬行「必嗖的分析，并对部好部件建立「&学揆熨通过衣;X课稈i殳汁，学到门艮參U没存的冻肌隹-个E址期的时何里.我学会「如】何圧址饭的时何内《到訂己需蹩的瓷楸这览我此次踐计的个收抓同时此次i殳计也灯打我时门功控W理论的进•步研丸*r解了系统&定性对控制系统的申响用时域分折方i交和频域分折加瓷时i殳汁进行分析・除此Z外.这次课程设计充分利用到Hatlab辅助分析，熟悉的M吕thb的常用操作，的确是一个很仃用，fti强火的轶件.同时也通过賈阅相天蹩料.i&^（\G/JjT；£riK这个设il也足讣我很Tf收获的•方ffla

四附录

用Matlab进行分析时所需程序代码:

den=[0.050.610];num=[3.5];

G=tf（num,den）%原系统开环传递函数G仁feedback（G,1）%原系统闭环传递函数margin（G）%原系统伯德图

step（G1）%原系统单位阶跃响应impulse（G1）%原系统单位脉冲响应num仁conv（[0.5661],3.5）;

den仁conv（[0.1851],[0.050.610]）;

G2=tf（num1,den1）%校正后系统开环传递函数G3=feedback（G2,1）%校正后系统闭环传递函数margin（G2）%校正后系统伯德图

step（G3）%校正后系统单位阶跃响应

五.畚考文献

⑴胡好松存I动揑制原理卜北M：

科学;I；版出20012

⑵梅晓榕m动控制元件肚线路》哈尔滨：

吩尔滨匸业大学出版叶.2001

⑷《谢克明门动控制原理》®版电tL业：

11版社*2008