南京工程学院_自动控制_课设论文--水箱液位控制系统的设计及实物调试(编辑修改稿)

南京工程学院_自动控制_课设论文--水箱液位控制系统的设计及实物调试(编辑修改稿)内容摘要：

比较在不加扰动和加扰动情况下以及在各种不同环节作用下系统性能。 该题目包括 MATLAB 软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对 系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系 统稳定性的影响。 硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。 在化工及工业锅炉自动控制系统中，有许多问题最终都归结为 “水箱系统 ”的液位控制问题。 对 “水箱系统 ”的液位控制问题进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说，具有很要的意义，图 1 是水箱液位控制的原理图。 7 图 1 水箱系统的工艺过程原理图 根据图 1 的原理图和图 2 系统的结构图，对单容水箱系统建模 调 节 器调 节 阀 水 槽测 量 变 送U gU f+高 度出 水 阀 系 数+ 图 2 水箱液位控制结构图 表 1 水箱液位系统相关参数 参数 参数意义 参数值 1 参数值 2 参数值 3 参数值 4 K 阀体流量比例系数 10 12 0h 水箱初始液位高度（ m ） 2 A 水箱截面积（2m ） 10 1 2 可借 助 Simulink 搭建系统的仿真模型，先对系统进行开环分析，得出相关结论，然后引出闭环控制系统，根据系统的特点，决定采用何种控制器。 软件仿真部分设计要求 参考文献 [1]完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数。 8 带入表 的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数。 绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标。 分步骤实现系统的 PID 校正，分别进行比例控制 (P)校正，比例微分 (PD)控制校正、比例积分 (PI)控制校正和比例积分 微分 (PID)校正。 运用《自动控制原理》知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能。 设计后的系统满足如下性能指标： % 5%, rt , st。 改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为 4s，幅值为 5V。 水箱液位控制系统图 图 1 中，进水口的阀门由一个调节器控制，以保持水位不变 ，出口处的阀门由外部操纵，可将其看成一个扰动量。 符号说明： Q1— 水箱流入量 Q2— 水箱流出量 A— 水箱截面积 U— 进水阀开度 H— 水箱液位高度 0h — 水箱初始液位高度 1K — 阀体流量比例系数 假设 f 不变，系统初始状态为稳 态： , , m K A m   则： 9 12112101201211120=2la pla c e( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) 7 ( )2dhQ Q AdtQ K uQ K hhKQhhs Q s s A H s sH ss K U sKQ s H s H sh      在 处 进 行 线 性 化 得 到将 前 三 式 进 行 变 换 得 所以，系统的开环传递函数为 ( ) 1 .1 8 1 5()( ) 0 .4 8 2 3 3HsGs U s s  系统的开环结构图如图 3 所示，闭环结构图如图 4 所示 图 3 水箱液位系统的开环结构图 U n i f o r m R a n d o mN u m b e rS t e pS co p eS a t u r a t i o nP I D ( s )P I D C o n t r o l l e r1sI n t e g r a t o r3 . 4 7G a i n 20 . 1 3 9G a i n 18 . 5G a i n 图 4 水箱液位系统的闭环结构图 软件仿真过程、图形分析及结论 10 未校正前系统的仿真过程、图形 分析及结论 输入程序： H= A= K= num= den=[1,] t=0:1:15 step(num,den,t) 得到开环传递函数的阶跃响应图如下： S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )Amplitude0 5 10 1500 . 511 . 522 . 5S y s t e m : s y sR i s e T i m e ( s e c ) : 4 . 5 5S y s t e m : s y sP e a k a m p l i t u d e : 2 . 4 5O v e r s h o o t ( % ) : 0A t t i m e ( s e c ) : 1 5S y s t e m : s y sS e t t l i n g T i m e ( s e c ) : 8 . 1 4S y s t e m : s y sT i m e ( s e c ) : 0 . 2 6 7A m p l i t u d e : 0 . 2 5 1 图 5 达稳态值 10％的时间显示 S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )Amplitude0 5 10 1500 . 511 . 522 . 5S y s t e m : s y sR i s e T i m e ( s e c ) : 4 . 5 5S y s t e m : s y sP e a k a m p l i t u d e : 2 . 4 5O v e r s h o o t ( % ) : 0A t t i m e ( s e c ) : 1 5S y s t e m : s y sS e t t l i n g T i m e ( s e c ) : 8 . 1 4S y s t e m : s y sT i m e ( s e c ) : 5 . 1 9A m p l i t u d e : 2。