自動控制原理浮球液位控制系統課程設計

1、安徽工業大學課程設計說明書課程名稱自動控制原理課程設計學 院電氣與信息工程學院專業班級自132姓 名李嘉明學 號139064403指導教師賀容波設計時間題目15.浮球液位控制系統及要求：圖1所示為液位控制系統，假設穩 態輸入流量為Q，穩態輸出流量為Q,穩態水頭為H，穩態導閥的位移為X = 0，穩態閥的位置為Y。假設設定點玉對應于穩態水頭H，設定點是固定的。 又假設擾動輸入流量qd在t = 0時刻作用于水箱，qd的量值很小。要求：建立系統的傳遞函數，并畫出結構圖；當擾動輸入量qd為單位階躍函數時，試分析系統的時域性能；當系統不穩定時，用根軌跡校正系統并確定系統校正裝置參數，畫出系統波 特圖，指出

2、校正方法；如果系統是穩定的，那么就設計一個二階不穩定系統，用 根軌跡進行分析并確定系統校正裝置參數，畫出系統波特圖，指出校正方法；Matlab進行仿真驗證。目錄 TOC o 1-5 h z 1設計題目與題目分析11.1設計題目1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.2題目分析12建立系統傳遞函數及結構圖錯 誤！ 未 定 義 書 簽。2.1 系統傳遞函數 錯誤！未定義書簽。2.2系統結構圖錯誤！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暫態性能3 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 3.2穩態性能3 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 4判斷系統穩定性，分析并校正3 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 4.1設計一個二階不穩定系統34.2對系統進行校正55Matlab仿真驗證65.1校正前系統Bode圖75.2校正后系統Bode圖75.3單位階躍響應曲線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9 HYPERLINK l bookmark137 o Current Document 7設計結論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.設計題目與題目分析1.1設計題目圖1所示為液位控制系統，假設穩態輸入流量為Q ,穩態輸出流量為Q, 穩態水頭為H,穩態導閥的位移為X= 0，穩態閥的位置為Y。假設設定點R對應于穩態水 頭H，設定

5、點是固定的。又假設擾動輸入流量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液位控制系統要求：建立系統的傳遞函數，并畫出結構圖；當擾動輸入量qd為單位階躍函數時，試分析系統的時域性能；當系統不穩定時，用根軌跡校正系統并確定系統校正裝置參數，畫出系統波 特圖，指出校正方法；如果系統是穩定的，那么就設計一個二階不穩定系統，用根軌跡進行 分析并確定系統校正裝置參數，畫出系統波特圖，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，同時也有水通過負載閥不斷地流出水槽。水流入量Q由調節閥Y加

6、以控制， 流出量Q則由用戶根據需要通過負載閥來改變。被調量為水位瓦它反映水的流 入流出之間的平衡關系，當流入量多于流出量時，h增加，浮球上升，通過連桿 調節調節閥Y以減少出水量使液位穩定；反之亦然。系統各參量如下：Q為輸入輸出水流量穩態值qi為輸入水流量的增量qo為輸出水流量的增量H為液位穩態值h為液位增量v為穩態閥增量R為液阻C為液容2 .建立系統傳遞函數及結構圖2.1系統傳遞函數設A為液槽橫截面積，液阻R固定。根據物料平衡關系，在正常工作狀態下，初 始時刻處于平衡狀態：h=0，qi=qo=0,當調節閥開度發生變化v時，液位隨之發 生變化。在流出端負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節閥Y。流入量與流出量之差為. dC A dhqi - qo = A （1）dt dtqi由調節閥開度變化v引起，當閥前后壓差不變時，有qi = Kv （2）其中K：為閥門流量系數，穩態閥（調節閥）Y=X+x，x=ah/b流出量與液位高度的關系為Q=AO（頊，這是一個非線性關系式，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，得系統傳遞函數為G （s）松 WAV （s ） Ts +1分析時域性能當擾動輸入量qd為

8、單位階躍函數時，系統輸出與擾動之間的傳遞函數為H (s) _ Ts +1N (s) Ts +1 + KH (s)=Ts +1s (Ts +1 + K)1 Ks Ts +1 + K3.1暫態性能由拉普拉斯反變換可得單位階躍響應h(t)為, K 1+Kh(t)= 1 -一 e t T此式表明，一階系統的單位階躍響應的圖形將是一條單調上升的指數曲線。一階系統的單位階躍響應沒有超調，不存在峰值時間，故其性能指標主要就是調整時間t0便有兩個閉環極點位于右半s平面，故無論K1取何值，系統都不穩定。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對系統進行校正采用傳遞函數 G (s )=s +1的串聯超前校正裝置，則校正后的系統開環傳遞函數為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 尚系統校正后穩定。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串聯超前校正裝置電路圖如下圖所示根據校正裝置中的電容電阻與校正環節的T,T之間的關系，可以求得校正環節中：R1=10K, R2=10K，R=10K，C=0.1 P F設計結論經過人工設計和計算機輔助設計，最終得到串聯校正環節為：G (s )= s +1并經過仿真驗證，得到系統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計，我復習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傳遞函數Bode圖