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)定點玉對應(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：建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出結(jié)構(gòu)圖；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；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

2、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；Matlab進行仿真驗證。目錄 TOC o 1-5 h z 1設(shè)計題目與題目分析11.1設(shè)計題目1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.2題目分析12建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)及結(jié)構(gòu)圖錯 誤！ 未 定 義 書 簽。2.1 系統(tǒng)傳遞函數(shù) 錯誤！未定義書簽。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖錯誤！未定義書簽。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 3分析時域性能3 HYPE

3、RLINK l bookmark60 o Current Document 3.1暫態(tài)性能3 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 3.2穩(wěn)態(tài)性能3 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析并校正3 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 4.1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8 HYPERLI

4、NK l bookmark133 o Current Document 6校正裝置電路圖與電路參數(shù)9 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 7設(shè)計結(jié)論9 HYPERLINK l bookmark147 o Current Document 8心得體會9 HYPERLINK l bookmark151 o Current Document 9參考文獻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

5、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。L十IX0仁（液客）（液阻）1液位控制系統(tǒng)要求：建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出結(jié)構(gòu)圖；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；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；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

6、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)量為水位瓦它反映水的流 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

7、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. dC A dhqi - qo = A （1）dt dtqi由調(diào)節(jié)閥開度變化v引起，當(dāng)閥前后壓差不變時，有qi = Kv （2）其中K：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=AO（頊，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），可得丁丑 + h = Kvdt（4）式中，T=RA，K=KR。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G （s）松 WAV （s ） Ts +1分析時域性能當(dāng)擾動輸入量qd為

8、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H (s) _ Ts +1N (s) Ts +1 + KH (s)=Ts +1s (Ts +1 + K)1 Ks Ts +1 + K3.1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, K 1+Kh(t)= 1 -一 e t 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t0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 A S)=1 2氣：1 + 0.253 2中 0) = -180 - arctan0.5 L(

9、3 ) = -20lg 2 - 20lg 寸1 + 0.2532取點列表計算30.20.50.7A (3)24.8763.881.926甲(3)-185.7-194.0-199.30.911.521.1260.8940.3560.177-204.2-206.6-216.9-225伯德圖繪制如下校正前剪切頻率 = 0.91s t，相角裕度Y = 24.2。c 一4.2對系統(tǒng)進行校正采用傳遞函數(shù) G (s )=s +1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Gc (s) =(s + 1)S2tTT2)有零點Z=-1，極點P=P2=0, 漸近線與實軸的交點為：c = j=1 2=1P3=-2

10、1一2與實軸正方向夾角為：=0, 1, 2.)_ (2 k + 1)k _ 兀兀a n 一 m22d 一s + 1由:=0，可得分離點為(0，j0)dsH SISO Design for SI SO Design TaskRoot Locus Editor for Open Loop 1(OL1)Right-click on the plots for mo re design options._gIIIIIIillI-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20Real AxisFile Edit View Design Analysis Tools Window

11、 Helpx o、公即1 尚系統(tǒng)校正后穩(wěn)定。則A 21 + 0.2532甲(s)= arctans 180 一 arctan0.5sL (s)= 20lg (1 + s2 一 20lg 2 一 20lg 偵1 + 0.25s2取點列表計算s0.20.50.70.911.52A (S)25.3694.3382.3511.5151.2650.6400.395甲(s)-174-166-163.6-161.9-161.5-163.5-169.7伯德圖繪制如下校正后的剪切頻率s =1.2s -1，相角裕度八=19.23Matlab仿真驗證5.1校正前系統(tǒng)伯德圖如下H Figure 1 邙 X文件(F)查

12、看(V)插入(I) IMCD桌面(D)窗口 (W)蒂助(H)EH ST 05耍以可如回mPJCDpn-Es1巨aCDPJcu5EqQ_Bode Plot with No Gain5.2校正后系統(tǒng)伯德圖如下文件(F) 鎘(E)查看(V)插入(I)工MCD桌面(D)留口幫助(H)日口 S 巧囪曼贏T息I 口田I18 口Frequency (rad/s|mp)-gn-EglAI(6OP)luroeX eApeay邕-3 壬一maH顧EZIP-45FEJtoHlol.m 一 n/，B !sBdljIIso，upoolsAraul.tiplljluizl* ErJLPJJi-gun 尸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根據(jù)校正裝置中的電容電阻與校正環(huán)節(jié)的T,T之間的關(guān)系，可以求得校正環(huán)節(jié)中：R1=10K, R2=10K，R=10K，C=0.1 P F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：G (s )= s +1并經(jīng)過仿真驗證，得到系統(tǒng)的相角裕度和剪切頻率為：y, = 19.23，s = 1.2s-1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