水箱液位控制系统

《MATLAB》大作业————水箱液位控制系统设计学院：电气工程学院班级：10自动化1班学号：P10181378姓名：陈辉指导老师：杨成慧2目录摘要………………………………………………………………3引言………………………………………………………………3一、液位控制系统的原理…………………………………………3二、控制系统元件的选择………………………………………5三、控制系统的参数确定…………………………………………6四、控制系统的仿真结果…………………………………………8五、设计总结……………………………………………………10参考文献…………………………………………………………103水箱液位控制系统摘要：在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。在工业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等,所以水箱液位控制系统在生活成为了必不可少的东西。设计一个合理的水箱液位控制系统对生活的意义重大，一个完整的水箱液位控制系统主要由水箱、电动机、进水阀门、浮子连杆等配件构成：操作简便，可靠性好，运行成本低，可扩展行强等特点，本文对给定的水箱液位控制系统进行分析，画出结构框图，描述每一个元件的函数，并写出每个元件的传递函数，用Matlab/Simulink对系统进行仿真，并分析结果。关键字：水箱，液位控制系统，电动机，建模，传递函数。引言：在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、顶层水箱等作为基本蓄水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管不给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护给水系统的正常运作。在工业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。4水箱液位控制系统式进行控制理论与控制工程教学、实验和研究的平台，可以方便地构成一阶系统对象和二阶系统对象。用户可通过经典的PID控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果过水位的变化直接地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。这种系统不仅适用于农业和生活用水的控制，也适用于工业上的液位控制和马桶的给水控制。一、液位控制系统的原理自动控制系统的组成（1）自动控制系统由控制对象和制动控制设备组成。即由控制对象、传感器、控制器和执行器所组成的闭环控制系统。（2）所谓的控制对象是指所需控制的机器、设备、或生产过程。（3）被控参数是所需控制和调节的物理量或状态参数化，即控制对象的输出信号，如锅炉温度、水箱水位等。（4）被控参数的预定值（理想值）称为给定值（设定值）。给定值与被控参数的测量值之差成为偏差。（5）扰动是指除给定输入之外，对系统的输出有影响的信号的总称。（6）传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理量信号的原件或仪表，如热电阻，热电偶等，如果传感器所发出的信号与后面控制所要求的信号不一致时，则需要增加一个变送器，将传感器的输出信号转换成后面所要求的信号。（7）控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据比较结果的偏差大小，按照预定的控制规律输出控制信号的原件或仪表。（8）执行器是动力部件，它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开度，5对控制对象施加控制作用，使被控对象保持在给定值。[2]二、控制系统元件的选择实验原理图如下：图（1）水箱液位控制系统的原理图水箱液位控制系统如图（1）所示。该体统的任务是使液面高度保持在一个设定的值上。水箱是被控对象，水箱液位是被控量，电位器设定的电压u（表示液位的希望值y）是给定量，出水量为干扰量。系统的工作说明：当电位器电刷位于中间位置时（对应给定电压u）时，即水位处在希望的高度，同时出水量等于进水量，此时电动机不动，系统处在平衡状态。若流水量或出水量发生变化，当液面升高时浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中间位置下移，产生电位差，通过放大器放大，给电动机一个控制电压，驱动电动机通过减速器减小进水阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。这时，液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中间位置，系统重新恢复平衡。反之，液位下降，系统会增大进水阀门开度，加大进水量使液位升高到希望高度。6系统的理方块图如图（2）图（2）水箱液位控制系统的方块图[1]现在将图（2）中每个环节用s域的传递函数表示，画出系统动态结构图，如图（3）所示。图（3）[6]三、控制系统的参数确定系统动态结构图中各环节传递函数的解释：K1是设定电位与反馈信号比较后输出的误差信号经放大器后增益的倍数。G1是电动机的传递函数121TssKG，该公式是参考了网上的相关信息，它是输入电压与电机转速的或电机轴转角的传递函数。K3是进水阀门的传递系数，电机转动实现了阀门的开度调节，进而控制录的入水量，电动机转速与入水量可以简化为一个K3。7G2是入水量与水箱液位的传递函数12RCsRG，如果水箱没有出水口，则CsG12，在建立G2这个传递函数时，是将水箱整个模型等效为一个RC网络电路。C称为水容，意义为水箱的底面积。R称为水阻，意义是产生单位流量变化需要的液位差。K4是液位通过浮子反映在电位上的传递参数。将该系统化简为如图4所示：其中G为系统的传递函数。4321234321)()(KKKKssTCRCRTsKKKKsG分母为特征多项式：432123)()(KKKKssTCRCRTssD系统稳定性的判断：列出劳斯表：3sCRT12sTCR4321KKKK1sTCRTCRCRTKKKK43210s4321KKKK此时可以对系统的稳定性进行判断：当TCRTCRCRTKKKK43210时系统稳定。8当TCRTCRCRTKKKK43210是系统不稳定。例如，选一组参数，对系统进行仿真。设K1=K2=K3=K4=1，C=R=T=1时，则该系数是满足稳定条件的。传递函数为2/12)(231ssssG[5]四、控制系统的仿真结果1、运用Matlab运行仿真程序代码如下：num=[1];den=[1210.5];t=0:0.1:60;y1=step(num,den,t);plot(t,y1);仿真结果如下图所示:9图（5）结果分析：得到系统的阶跃相应如图(5)所示。系统虽然是稳定的，在确定参数的时候要特别注意，否则仿真的波形将不稳定，从而导致超调量和调节时间都比较大。由此可以知道系统各控制元件的选择是非常重要的。2、运用simulink运行仿真根据系统的动态结构图，如下图:[3]10图（6）实验结果仿真如下图：图（7）在图中有输入信号也有干扰信号。输入信号是初始时间为0，高度为5的阶跃信号。干扰信号为初始时间为5，高度为2的阶跃信号。用示波器观察图形。在尝试了几组值后，最终确定使用图中的参数(K1=K3=K4=1，C=R=1，,K2=3，T=0.01)。得到输出波形如图（7）所示。由matlab仿真方法和simulingk仿真的结果存在一些差距，但是曲线最终11都趋于稳定，说明此设计方案可靠性好，精度高。在生活中得到广泛的应用，随着科技的进步，对系统相关设备进行改进，可以提高系统的性能和稳定性。五、设计总结：在学习了matlab之后，有了一定的基础，可以完成一些简单的设计，就本设计而言，要对系统进行分析首先要建立正确的系统框图，再系统的将每一个环节对应的传递函数找到。通过查找相关书籍，以及一些毕业论文和学术论文，对设计此实验提供了很大的帮助，也正因为有了这些东西，才使得我顺利的完成了该设计。建立正确的系统框图，这是一个建模的过程，接着就是参数的选择和确定，这个是个让我复杂的过程，也是很重要的环节。在学习了自动控制原理之后，对参数的理解也变得相对容易了，在设计过程中要求满足“稳定性、快速性、准确性”，而对于它的实际工程中的意义并不了解。所以在仿真的时候有些参数我不得不用试根的方法来确定参数。完成该实验设计，发现了自己还有很多的不足，有很多地方都没有弄懂，特别是在参数的确定上出现的问题最多，所以在以后的学习中有必要加强这方面的学习才能，不断进步，提高自己。参考文献：[1]自动控制原理第五版同步辅导及习题全解，中国矿业大学出版社2006年8月[2]胡寿松.自动控制原理.科学出版社,2007年10月[3]宋志安.基于MATLAB的液压伺服控制系统分析与设计.国防工业出版社2007年2月[4]刘叔军.MATLAB控制系统应用于实例.清华大学出版社2008年5月[5]瞿亮基于MATLAB的控制系统计算机仿真.清华大学出版社、北京交通大学出版社2006年1月12[6]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业大学出版社2005年8月