水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料

1、目錄第一章緒論11設(shè)計(jì)目的11.2設(shè)計(jì)內(nèi)容11.3課題研究的背景21.4研究意:義3第二章總體設(shè)計(jì)方案42系統(tǒng)工作原理42.2系統(tǒng)方框圖42.3未校正的初始數(shù)學(xué)模型52.4系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析7第三章系統(tǒng)校正83系統(tǒng)校正一83.2系統(tǒng)校正二10第四章系統(tǒng)分析124.1仿真及分析一124.1時(shí)域分析124.1.2系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo)124.2仿真及分析二13421根軌跡圖134.2.2時(shí)域分析144.2.3系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo)144.3特性指標(biāo)分析14第五章 總結(jié)15參考文獻(xiàn)16第一章緒論在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題， 例如居民生活用水的供應(yīng)，飲料、食品加工，溶液過濾，化工

2、生產(chǎn)等多種行業(yè)的 生產(chǎn)加工過程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要維持合適的高度，既 不能太滿溢出造成浪費(fèi)，也不能過少而無(wú)法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制 過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢 測(cè)、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、積分和微分控制）是口詢采用 最多的控制方法。本文主要是對(duì)一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系 統(tǒng)的建模、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。作為單容水箱液位的控 制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了 PID算法，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，是為了能最大限

3、度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸 如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。1.1設(shè)計(jì)目的通過本課題的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，對(duì)自動(dòng)化儀表 的選型、參數(shù)設(shè)汁和調(diào)試的能力，檢驗(yàn)所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的綜合利用能力，為今后 工作打好基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)供水水箱的液位控制系統(tǒng)，要求在采用儀表控制的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè) 單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)器。各環(huán)節(jié)選用適當(dāng)?shù)膬x表和器件，設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的控制方式，確定控制器參數(shù)，并可以通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。分析不同控 制方式的控制規(guī)律和在不同控制方式下系統(tǒng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)在上下水流量發(fā)生變化 時(shí)，能快速恢復(fù)到設(shè)定值。1.3課題研究的背景液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)

4、的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域 都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)工程控制中，有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行液位控 制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。液位控制一般指對(duì)某一液位進(jìn)行控制調(diào) 節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動(dòng)控制，是近年來(lái)新開發(fā)的一 項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等兒項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物， 工業(yè)作業(yè)的是微機(jī)控制和原有儀表控制，微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢(shì)：a. 直觀而集中的顯示運(yùn)行參數(shù)，能顯示液位狀態(tài)。b. 在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改給種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制，并修改系統(tǒng)的 控制參數(shù)，可以方便的改變液位的上限、下限。c. 具有水體水體控制的自動(dòng)化處理及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界

5、面，操作人員在 監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少人工的疲勞 和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨，單 片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出 等部件。單片機(jī)自問世以來(lái)，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的 優(yōu)點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾強(qiáng)，利用 單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn)，因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域的到廣泛的應(yīng)用，使用單 片機(jī)控制液位是很好的選擇。目前我國(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)應(yīng)用中，取得了很大成績(jī)，總結(jié)了 很多經(jīng)驗(yàn)，但是各行業(yè)仍處于發(fā)

6、展期，進(jìn)調(diào)查，各種科研研究所在這方面開展的 工作更注重的是理論和算法，數(shù)年來(lái)這方面的論文較多，注重生產(chǎn)實(shí)際的很少。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已積累了很多經(jīng)驗(yàn), 奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)入了國(guó)際市場(chǎng)，我國(guó)在新型測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和 經(jīng)驗(yàn)上，與其他發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距，但是我國(guó)科研人員已經(jīng)克服了很多困難， 并在不斷地摸索中前進(jìn)，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平，這 是發(fā)展趨勢(shì)。1.4研究意義在日常生產(chǎn)和生活中常遇到液位的監(jiān)測(cè)問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中, 需要對(duì)系統(tǒng)的液位或物料位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工 作環(huán)境，節(jié)省財(cái)力、物力，避免資源的浪

7、費(fèi)，特別是對(duì)一些具有高溫、高壓、低 溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等液體，都要對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，液位的 檢測(cè)顯得尤為重要。而對(duì)于這些影響身體健康的液體，不易在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行檢測(cè), 必須通過一定的技術(shù)，進(jìn)行監(jiān)控。U前液位的檢測(cè)越來(lái)越受到重視，隨著人們生活水平和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高， 檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性要求也越來(lái)越高，另外，還要求系統(tǒng)能提供對(duì)液位的自動(dòng)控 制功能。也就是說今后液位的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的研究將是一個(gè)重要的課題。因此，我們以自動(dòng)控制原理課專題研究為契機(jī)，以機(jī)械浮球杠桿式液位自 動(dòng)控制系統(tǒng)為實(shí)例，從簡(jiǎn)單、傳統(tǒng)、機(jī)械化的液位控制系統(tǒng)開始，展開探索和研 究，將課堂所學(xué)的知識(shí)注入液位控制系統(tǒng)的研究中，

8、將對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作生活產(chǎn) 生重大的意義和影響。14第二章總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)工作原理如圖1.1水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖所示為浮球杠桿式液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原圖1.1水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖工作原理：電位器電刷位于中點(diǎn)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，控制閥門有一定的 開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度上。一旦流 入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應(yīng)變化。例如，當(dāng)液面升高時(shí)， 浮子位置亦相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點(diǎn)位置下移，從而給電動(dòng) 機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小閥門開度，使進(jìn)入水箱的流 量減少。此時(shí)，水箱液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，知道電位器電刷回到

9、中點(diǎn)位 置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度，反之，若水箱液面下降，則系 統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大閥門開度，加大流入的水量，使液面升到給定的高度。2.2系統(tǒng)方框圖如圖2.1水位控制系統(tǒng)的方框圖所示圖2.1水位控制系統(tǒng)的方框圖2.3未校正的初始數(shù)學(xué)模型(1)浮子、杠桿、電位計(jì)浮球杠桿測(cè)量液位高度的原理式U, Z?A/zUo=al(2-1)式中Uo為電位計(jì)的輸出電壓，U口為電位計(jì)兩端的總電勢(shì)，%為杠桿的長(zhǎng)度比，A/?為高度的變化，1為電位計(jì)電阻絲的中點(diǎn)位置到電阻絲邊緣的長(zhǎng)度。 拉氏變換Uo(5)=(2-2)式中 a=8cm b=2cm, U, =60V, 1=2.5cm故，傳遞函數(shù)為GW)*(2-3)電

10、動(dòng)機(jī)通過查找電動(dòng)機(jī)的資料得,(2-4)其中，K3 =28.95 心 30,7； =1.962減速器這是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，增益為減速器的減速比。在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的 輸入電壓為056V時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速為025%,經(jīng)過減速器后輸出的轉(zhuǎn) 速為05%。(5)減速比i丄收,傳遞函數(shù)為G4(s) = K4 其中，K4 =i = %o(6)控制閥這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中，控制閥連接流入口的水管為方形管，尺寸為 寬16cmX高15cm,流入速度匕=46號(hào)丫，流出速度Voul = 40 o輸入量為 減小后的轉(zhuǎn)速n,控制閥每轉(zhuǎn)一圈，進(jìn)水口的開度改變量為lcm,輸出量為流入 量Qin，則Qm與n的原理式如下：Q

11、.n =(J価比血 拉氏變換后Q” (滬凹色S故，傳遞函數(shù)為G$(5)= S其中，K5 =750 o(7)水箱這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，實(shí)際液位Y是流入量Q“與流出量0啦的差值A(chǔ)0對(duì)時(shí) 間t的積分。丫 = J* Q” _/(2-8)(2-5)(2-6)(2-7)式中，AM是水箱的橫截面積，Am =50cmx50cm=2500em2拉氏變換后,r(5)=(2-9)故，傳遞函數(shù)為式中，6 =2500(2-10)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s) =10.8(2-11)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)0($)=36102 +5s2 +36(2-12)2.4系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析閉環(huán)特征方程根一次項(xiàng)系數(shù)為零，所以系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而且系統(tǒng)

12、是 II型系統(tǒng)，不容易穩(wěn)定。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和小組成員討論，我們做出了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 降型的方案，即通過添加微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。第三章系統(tǒng)校正3.1系統(tǒng)校正一在前向通道添加微分調(diào)理電路環(huán)節(jié)在電位計(jì)的輸出電壓與電動(dòng)機(jī)的輸入端之間接一個(gè)微分調(diào)理電路，對(duì)輸入 的電壓進(jìn)行調(diào)理傳遞函數(shù)為：G2(s) = K2s(3-1)其中，k2 = 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)10.8G(s)=0-2)2s + s系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線如圖3系統(tǒng)的Bode圖所示ffl 3.1系統(tǒng)的Bode圖根據(jù)其傳遞函數(shù)得到如圖3.2系統(tǒng)校正后的Bode圖所示:aoisBode Diagram-2*10T10 10 10 10Frequency (

13、rad/sec)604020531圖3.2系統(tǒng)校正后的Bode圖仿真代碼如下：num=10.8;den=2 1 0;H=tf(num,den);bode(H)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)(3-3)0( S)=s(C+l) + K其中，K=10.8, T=2分析:經(jīng)過改進(jìn)后的系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是系統(tǒng)的超調(diào)量過大，調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng), 這是需要下一步改進(jìn)的方面。為了避免過大的超調(diào)量，而不增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差, 小組討論決定，采用比例一微分環(huán)節(jié)（PD）控制。3.2系統(tǒng)校正二PD校正的優(yōu)點(diǎn)：比例微分校正（相位超前校正），其傳遞函數(shù)為G（s）=-K（Ts+l）式中K二“/Ro比例放大倍數(shù)T=R（）Co微分時(shí)間常數(shù)比例微分校

14、正的作用主要體現(xiàn)在兩方面：（1）使系統(tǒng)的中、高頻段特性上移（PD調(diào)節(jié)器的對(duì)數(shù)漸近幅頻特性的斜率為 +20dB/dec）,幅值穿越頻率增大，使系統(tǒng)的快速性提高。（2）PD調(diào)節(jié)器提供一個(gè)正的相位角，使相位裕量增大，改善了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定 性。但是，由于高頻段上升，降低了系統(tǒng)的抗干擾能力。添加PD環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為0時(shí)離開實(shí)軸，而且系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的。所以，我們?nèi)p=3OO ,系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=324(X1 + zs)2s + s(4-1)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=324s + 32402疋 + 325s+ 3240(4-2)4.2.2時(shí)域分析超調(diào)量 pos =2.4786%調(diào)節(jié)時(shí)

15、間ts = 0.2000s上升時(shí)間tr =0.2000s峰值時(shí)間tp = 0.2000s4.3特性指標(biāo)分析最終系統(tǒng)已經(jīng)比較令人滿意了，超調(diào)量為2.4786%,調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2s,經(jīng)過計(jì)算，Kp=300 , Kd = 30。第五章總結(jié)此次設(shè)計(jì)也豐富了我對(duì)自動(dòng)控制理論的進(jìn)一步研究，了解了系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì) 控制系統(tǒng)的影響，學(xué)會(huì)了用時(shí)域分析方法和頻域分析方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，也學(xué) 會(huì)了 MATLAB仿真的一些基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)習(xí)完校正章節(jié)后，我們?cè)谙到y(tǒng)中加入了 PD 環(huán)節(jié)，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，也達(dá)到了校正的U的。同時(shí)也通過查閱相關(guān)資 料，能夠自己動(dòng)手完成這個(gè)設(shè)計(jì)也是讓我很有收獲的一方面。雖然在設(shè)計(jì)過程中 遇到

16、了一些不懂的問題，但通過查閱資料和小組同學(xué)討論，都一一解決了，通過 這次課程設(shè)計(jì)也提高了我對(duì)自控這門課的興趣。通過這次專題研究，我們進(jìn)一步 鞏固了自動(dòng)控制原理所學(xué)的大部分知識(shí)，有助于我們今后的學(xué)習(xí)。而且也激發(fā)了 我們的研究熱情，大大地增加了我們的成就感。設(shè)訃采用單回路控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中采用了智能儀表能夠更好的適應(yīng)環(huán)境 變化對(duì)于控制系統(tǒng)的要求。在實(shí)際的應(yīng)用中只要確定了被控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，就 可以把此指標(biāo)作為控制器的外給定，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)控制器夠自己進(jìn)行參數(shù)整定找 到最佳控制參數(shù)。參考文獻(xiàn)1 何衍慶，黎冰，黃海燕.工業(yè)過程生產(chǎn)控制.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.82 厲玉鳴.化工儀表圾自動(dòng)化.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.033 張晉格.控制系統(tǒng)CAD基于MATLAB語(yǔ)言.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.64 王毅,張?jiān)缧?過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010.055 孫洪程，李大宇.過程控制工程技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.03邵裕森，戴先中.過程控制工程北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.067 孫洪程，翁維勤，魏杰.過程控制系統(tǒng)及工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社2