自動控制原理浮球液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、安徽工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書課程名稱自動控制原理課程設(shè)計學(xué) 院 電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級自132姓 名李嘉明學(xué) 號139064403指導(dǎo)教師賀容波設(shè)計時間2016.6.17-2016.6.27題目 15. 浮球液位控制系統(tǒng)及要求:圖 1 所示為液位控制系統(tǒng)， 假設(shè)穩(wěn)態(tài)輸入流量為 Q ， 穩(wěn)態(tài)輸出流量為 Q ,穩(wěn)態(tài)水頭為 H ,穩(wěn)態(tài)導(dǎo)閥的位移為 X = 0 ，穩(wěn)態(tài)閥的位置為 Y 。假設(shè)設(shè)定點 R 對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)水頭 H ，設(shè)定點是固定的。又假設(shè)擾動輸入流量 qd 在 t = 0 時刻作用于水箱， qd 的量值很小。要求：1. 建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出結(jié)構(gòu)圖；2. 當(dāng)擾動輸入量 qd 為單位階躍函數(shù)

2、時，試分析系統(tǒng)的時域性能；3. 當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時，用根軌跡校正系統(tǒng)并確定系統(tǒng)校正裝置參數(shù)，畫出系統(tǒng)波特圖，指出校正方法；如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么就設(shè)計一個二階不穩(wěn)定系統(tǒng)，用根軌跡進行分析并確定系統(tǒng)校正裝置參數(shù)，畫出系統(tǒng)波特圖，指出校正方法；4. Matlab 進行仿真驗證。目錄1設(shè)計題目與題目分析.1 1.1設(shè)計題目.11.2題目分析.12建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)及結(jié)構(gòu)圖.22.1系統(tǒng)傳遞函數(shù).22.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.23分析時域性能.33.1暫態(tài)性能.33.2穩(wěn)態(tài)性能.34判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析并校正.34.1設(shè)計一個二階不穩(wěn)定系統(tǒng).34.2對系統(tǒng)進行校正.55Matlab仿真驗證.65.1校正前系統(tǒng)Bode

3、圖.75.2校正后系統(tǒng)Bode圖.75.3單位階躍響應(yīng)曲線.85.4Simulink模型圖.86校正裝置電路圖與電路參數(shù).97設(shè)計結(jié)論.98心得體會.99參考文獻.101. 設(shè)計題目與題目分析1.1設(shè)計題目圖 1 所示為液位控制系統(tǒng)， 假設(shè)穩(wěn)態(tài)輸入流量為 Q ， 穩(wěn)態(tài)輸出流量為 Q ,穩(wěn)態(tài)水頭為 H ,穩(wěn)態(tài)導(dǎo)閥的位移為 X = 0 ，穩(wěn)態(tài)閥的位置為 Y 。假設(shè)設(shè)定點 R 對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)水頭 H ，設(shè)定點是固定的。又假設(shè)擾動輸入流量 qd 在 t = 0 時刻作用于水箱， qd 的量值很小。要求：1. 建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出結(jié)構(gòu)圖；2. 當(dāng)擾動輸入量 qd 為單位階躍函數(shù)時，試分析系統(tǒng)的時域性能

4、；3. 當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時，用根軌跡校正系統(tǒng)并確定系統(tǒng)校正裝置參數(shù)，畫出系統(tǒng)波特圖，指出校正方法；如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么就設(shè)計一個二階不穩(wěn)定系統(tǒng)，用根軌跡進行分析并確定系統(tǒng)校正裝置參數(shù)，畫出系統(tǒng)波特圖，指出校正方法；4. Matlab 進行仿真驗證。1.2題目分析水槽是常見的水位控制對象。設(shè)水槽如圖1所示，水流通過控制閥門不斷流入水槽，同時也有水通過負(fù)載閥不斷地流出水槽。水流入量Q由調(diào)節(jié)閥Y加以控制，流出量Q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，它反映水的流入流出之間的平衡關(guān)系，當(dāng)流入量多于流出量時，h增加，浮球上升，通過連桿調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥Y，以減少出水量使液位穩(wěn)定；反之亦然。系統(tǒng)各參量如

5、下：Q為輸入輸出水流量穩(wěn)態(tài)值qi為輸入水流量的增量qo為輸出水流量的增量H為液位穩(wěn)態(tài)值h為液位增量v為穩(wěn)態(tài)閥增量R為液阻C為液容2建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)及結(jié)構(gòu)圖2.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)設(shè)A為液槽橫截面積，液阻R固定。根據(jù)物料平衡關(guān)系，在正常工作狀態(tài)下，初始時刻處于平衡狀態(tài)：h=0，qi=qo=0,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化v時，液位隨之發(fā)生變化。在流出端負(fù)載閥開度不變的情況下，液位的變化將使流出量改變，也使浮球移動通過連桿反饋給調(diào)節(jié)閥Y。流入量與流出量之差為（1）qi由調(diào)節(jié)閥開度變化v引起，當(dāng)閥前后壓差不變時，有（2）其中Ku為閥門流量系數(shù)，穩(wěn)態(tài)閥（調(diào)節(jié)閥）Y=X+x，x=ah/b流出量與液位高度的關(guān)系為Q=A

6、O，這是一個非線性關(guān)系式，可在平衡點（H，Q）附近進行線性化，得到液阻表達式（3）將（2）和（3）式帶入式（1），可得（4）式中，T=RA，K=KuR。在零初始條件下，對式（4）兩端進行拉式變換，得系統(tǒng)傳遞函數(shù)為2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖N(S)V(s)H（s）3.分析時域性能當(dāng)擾動輸入量qd為單位階躍函數(shù)時，系統(tǒng)輸出與擾動之間的傳遞函數(shù)為3.1暫態(tài)性能由拉普拉斯反變換可得單位階躍響應(yīng)h(t)為h(t)= 此式表明，一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的圖形將是一條單調(diào)上升的指數(shù)曲線。一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)沒有超調(diào)，不存在峰值時間，故其性能指標(biāo)主要就是調(diào)整時間ts，即ts=3T3.2穩(wěn)態(tài)性能擾動穩(wěn)態(tài)誤差終值為擾動穩(wěn)態(tài)

7、誤差級數(shù)為4.判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析并校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為令,得s=-1/T，無零點，唯一極點為P1=-1/T該系統(tǒng)穩(wěn)定。4.1設(shè)計一個二階不穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為繪制系統(tǒng)根軌跡并對穩(wěn)定性進行分析。令，得s1=s2=0，s3=-2該傳遞函數(shù)無零點，極點為P1=P2=0，P3=-2漸近線與實軸的交點為：與實軸正方向夾角為：由，可得分離點為（0，j0）令，得解得，故根軌跡與虛軸的交點為（0，j0）根軌跡如下圖所示j-20由圖可知，當(dāng)K1>0便有兩個閉環(huán)極點位于右半s平面，故無論K1取何值，系統(tǒng)都不穩(wěn)定。取K1=1則取點列表計算0.20.50.70.911.5224.8763.

8、881.9261.1260.8940.3560.177-185.7-194.0-199.3-204.2-206.6-216.9-225伯德圖繪制如下校正前剪切頻率，相角裕度4.2對系統(tǒng)進行校正采用傳遞函數(shù)的串聯(lián)超前校正裝置，則校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為有零點z1=-1，極點P1=P2=0，P3=-2漸近線與實軸的交點為：與實軸正方向夾角為：由，可得分離點為（0，j0）系統(tǒng)校正后穩(wěn)定。則取點列表計算0.20.50.70.911.5225.3694.3382.3511.5151.2650.6400.395-174-166-163.6-161.9-161.5-163.5-169.7伯德圖繪制如下校正

9、后的剪切頻率，相角裕度5.Matlab仿真驗證5.1校正前系統(tǒng)伯德圖如下5.2校正后系統(tǒng)伯德圖如下5.3單位階躍響應(yīng)曲線校正前：校正后：5.4 Simulink模型圖校正前校正后6.校正裝置電路圖與電路參數(shù)串聯(lián)超前校正裝置電路圖如下圖所示R2R1RRC根據(jù)校正裝置中的電容電阻與校正環(huán)節(jié)的之間的關(guān)系，可以求得校正環(huán)節(jié)中：R1=10K，R2=10K，R=10K，C=0.17.設(shè)計結(jié)論經(jīng)過人工設(shè)計和計算機輔助設(shè)計，最終得到串聯(lián)校正環(huán)節(jié)為：并經(jīng)過仿真驗證，得到系統(tǒng)的相角裕度和剪切頻率為：，8.心得體會通過本次課程設(shè)計，我復(fù)習(xí)鞏固了自動控制原理，對其有了更深層次的理解，更加熟悉了手工繪制控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)Bode圖的方法，并能更加熟練的從中求取關(guān)鍵參數(shù)。本次課程設(shè)計的計算機校驗部分讓我學(xué)會應(yīng)用matlab軟件解決困難系統(tǒng)的問