水箱液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

一、液位控制系統(tǒng)的原理分析1.1水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖本次課程設(shè)計(jì)對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)一般是指有一個(gè)被控對(duì)象，一個(gè)檢測(cè)變松單元一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也成為單回路控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著一路的特征，他們均有四個(gè)大體環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象，測(cè)量變送裝置，控制器和執(zhí)行器。對(duì)不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)雖然其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：也;咬圖1控制系統(tǒng)方框圖變量測(cè)量委送㈱控制涪北戒也;咬圖1控制系統(tǒng)方框圖變量測(cè)量委送㈱控制涪北戒|函道這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器維持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要維持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。按照控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。1.2被控進(jìn)程傳遞函數(shù)的一般形式按照被控進(jìn)程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)，典型工業(yè)進(jìn)程控制所涉及及被控對(duì)象的傳遞函數(shù)一般具有下述幾種形式1一階慣性加純遲延G(s)=*ets

Ts+T2二階慣性環(huán)節(jié)加純遲延G(s)=e-is

(Ts+1)(Ts+1)(1-2)3N階慣性環(huán)節(jié)加純遲延G(s)=_^e-is

(Ts+1)n(1-3)上述3個(gè)公式只適用于自衡進(jìn)程。對(duì)于非自衡進(jìn)程，其傳遞函數(shù)應(yīng)包括有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，即?、1G(s)=etsT(1-4)G(s)=e-isTs(T2s+1)(1-5)二、成立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型2.1求傳遞函數(shù)按照階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1t/s01020406080100140h/m000.20.82.03.65.48.8t/s180250300400500600700800h/m11.814.416.518.419.219.619.820表1階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)利用Matlab編輯.m文件，得出階躍響應(yīng)曲線。Matlab程序如下:t=[01020406080100140180250300400500600700800];h=[000.20.82.03.65.48.811.814.416.518.419.219.619.820];plot(t,h)gridonholdon取得階躍響應(yīng)曲線再取0.39和0.62處的t值如圖二、圖3圖2階躍響應(yīng)曲線（1）圖3階躍響應(yīng)曲線（2）2.2計(jì)算傳遞函數(shù)并仿真由圖1圖2可知，在0.39和0.62處的t值別離為128.2和201.7按照T=2t（0.39y（無(wú)窮）-t（0.63y（無(wú)窮））T=2t（t（0.63y（無(wú)窮）-t0.39y（無(wú)窮））1可得出K二一、t=5五、T=147從而取得傳遞函數(shù)為G（s）=。-5551475十1對(duì)該對(duì)象進(jìn)行仿真如圖4、圖5：

圖4原系統(tǒng)simulink結(jié)構(gòu)圖圖5階躍響應(yīng)曲線三、控制系統(tǒng)參數(shù)的整定及MATLAB的數(shù)字仿真3.1選擇控制方案選擇PID單閉環(huán)控制，其控制原理圖6如下:圖6控制系統(tǒng)原理圖通過(guò)調(diào)節(jié)Gc(s)中的PID參數(shù)使得廣義對(duì)象的特性改善，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3.2參數(shù)整定計(jì)算成立對(duì)象的simulink模型，仿真如圖7：圖7simulink模型

通過(guò)調(diào)節(jié)控制器中的PID參數(shù)，使調(diào)節(jié)時(shí)間減小，而且速度提升的前提下超調(diào)小于25%，且使穩(wěn)態(tài)無(wú)差。采用等幅振蕩曲線法整定計(jì)算PID參數(shù)當(dāng)5=8.35，T1=100,TD=25時(shí)得等幅振蕩曲線如圖81"圖8等幅振蕩曲線此時(shí)P=0.12，I=0.01，D=25，將三個(gè)數(shù)據(jù)帶入PID調(diào)節(jié)器中取得圖9圖9PID整定曲線（1）由圖可知超調(diào)量5^>25%，繼續(xù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)I=0.005時(shí)取得圖10，由圖可知超調(diào)量5疽25%。四、系統(tǒng)調(diào)試、性能分析超調(diào)量5=22%峰值時(shí)間:tf=0.7S過(guò)渡進(jìn)程時(shí)間ts=1.8S余差y=1-1=0第一個(gè)波峰值y1=0.22第二個(gè)波峰值y2=0.01衰減比n=y1/y2=22衰減率中二(y1-y2)/y1=0.95振蕩頻率wd=2n/p=4.8全數(shù)P、I、D的參數(shù)P=0.12,I=0.005,D=25五、設(shè)計(jì)總結(jié)在液位系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，成立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、利用MATLAB仿真及調(diào)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)完成軟件設(shè)計(jì)方面的工作。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，通過(guò)查閱大量的資料，使我的知識(shí)得以擴(kuò)充，加深了對(duì)本專(zhuān)業(yè)的熟悉，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)老師的指導(dǎo)和自己的盡力，我圓滿(mǎn)的完成了任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。我學(xué)會(huì)了進(jìn)程控制設(shè)計(jì)的大體方式，對(duì)系統(tǒng)的整體分析。通過(guò)前面的大量研究工作，本課題得出了以下結(jié)論：1采用測(cè)試法對(duì)液位系統(tǒng)進(jìn)行模型分析，推導(dǎo)出了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。2通過(guò)MATLAB的數(shù)字仿真，肯定被控對(duì)象模型的正確性。3采用穩(wěn)定邊界法對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定。4通過(guò)MATLAB數(shù)字仿真，對(duì)幾種PID參數(shù)整定方式進(jìn)行性能分析。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白了有些東西看上去超級(jí)簡(jiǎn)單，當(dāng)自己置身其中去做時(shí)，并非容易。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)改良或是較為缺乏的部份，其一是分析問(wèn)題的能力，可能是自己學(xué)習(xí)的不夠扎實(shí)，實(shí)習(xí)中碰著了很多釘子，碰到問(wèn)題時(shí)頭腦茫然。二是解決問(wèn)題的成熟度，這或許是個(gè)性使然，再加上缺少經(jīng)驗(yàn)的積累和歷練所以在處置設(shè)計(jì)中的問(wèn)題時(shí)，容易慌慌張張。這次設(shè)計(jì)也讓我在此體會(huì)到了書(shū)本上學(xué)習(xí)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用起來(lái)是兩個(gè)完全不同的概念，所以在現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)中，咱們主如果應(yīng)該去學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)掌握分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在以后的工作中，把理論和實(shí)際相結(jié)合，盡力實(shí)現(xiàn)大學(xué)所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。所以說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)也是對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的一個(gè)初審。對(duì)于我以后學(xué)習(xí)，找工作也是收獲頗豐。我感性回到理性的從頭熟悉，進(jìn)一步對(duì)社會(huì)的認(rèn)知，對(duì)于以后工作所應(yīng)把握的方向也有所啟發(fā)！六、參考文獻(xiàn)王琦.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).上海：華東理工大