水箱液位控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p>　　液位控制系統(tǒng)的原理分析</p><p>　　1.1水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　本次課程設(shè)計對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個簡單的控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指有一個被控對象，一個檢測變松單元一個控制器和一個執(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)。</p><p>　　簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，他們均

2、有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象，測量變送裝置，控制器和執(zhí)行器。對不同對象的簡單控制系統(tǒng)盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：</p><p><b>　　圖1控制系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)

3、。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(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。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。</p><p>　　1.2被控過程傳遞函數(shù)的一般形式</p><p>　　根據(jù)被控過程動態(tài)特性的特點，典型工業(yè)過程控制所涉及及被控對象的傳遞函數(shù)一般具有下述幾種形式</p><p><b>　　

4、1一階慣性加純遲延</b></p><p>　　2 二階慣性環(huán)節(jié)加純遲延</p><p>　　3 N階慣性環(huán)節(jié)加純遲延</p><p>　　上述3個公式只適用于自衡過程。對于非自衡過程，其傳遞函數(shù)應(yīng)包含有一個積分環(huán)節(jié)，即</p><p>　　二、建立被控對象數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　2

5、.1求傳遞函數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)階躍響應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)如表1</p><p><b>　　表1 階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　使用Matlab編輯.m文件，得出階躍響應(yīng)曲線。Matlab程序如下：</p><p>　　t = [0 10 20 40 60 80 100 140 180

6、250 300 400 500 600 700 800];</p><p>　　h = [0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20];</p><p><b>　　plot(t,h)</b></p><p><b>　　grid on</b

7、></p><p><b>　　hold on</b></p><p>　　得到階躍響應(yīng)曲線再取0.39和0.62處的t值如圖2、圖3</p><p>　　圖2階躍響應(yīng)曲線（1）</p><p>　　圖3 階躍響應(yīng)曲線（2）</p><p>　　2.2計算傳遞函數(shù)并仿真</p>

8、<p>　　由圖1圖2可知，在0.39和0.62處的t值分別為128.2和201.7</p><p>　　根據(jù)τ=2t（0.39y(無窮)-t（0.63y(無窮）） T=2t（t（0.63y(無窮）-t0.39y(無窮)）</p><p>　　可得出K=1、=55、T=147 從而得到傳遞函數(shù)為 </p><p>　　對該對象進(jìn)行仿真如圖4、

9、圖5：</p><p>　　圖4 原系統(tǒng)simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　圖5 階躍響應(yīng)曲線</b></p><p>　　三、控制系統(tǒng)參數(shù)的整定及MATLAB的數(shù)字仿真</p><p>　　3.1 選擇控制方案</p><p>　　選擇PID單閉環(huán)控制，其控制原理圖6如下：<

10、;/p><p>　　圖6 控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　通過調(diào)節(jié)中的PID參數(shù)使得廣義對象的特性改善，減少調(diào)節(jié)時間。</p><p>　　3.2 參數(shù)整定計算</p><p>　　建立對象的simulink模型，仿真如圖7：</p><p>　　圖7 simulink模型</p><p>　　

11、通過調(diào)節(jié)控制器中的PID參數(shù)，使調(diào)節(jié)時間減小，并且速度提升的前提下超調(diào)小于25%，且使穩(wěn)態(tài)無差。</p><p>　　采用等幅振蕩曲線法整定計算PID參數(shù)當(dāng)，,時得等幅振蕩曲線如圖8</p><p><b>　　圖8等幅振蕩曲線</b></p><p>　　此時P=0.12，I=0.01，D=25，將三個數(shù)據(jù)帶入PID調(diào)節(jié)器中得到圖9</

12、p><p>　　圖9 PID整定曲線（1）</p><p>　　由圖可知 超調(diào)量 >25%,繼續(xù)調(diào)節(jié)PID參數(shù)I=0.005時得到圖10，由圖可知超調(diào)量 25%。</p><p>　　圖10 PID整定曲線（2）</p><p>　　四、系統(tǒng)調(diào)試、性能分析</p><p>　?。?）超調(diào)量δ=22%</p>

13、;<p>　?。?）峰值時間：=0.7S</p><p>　　（3）過渡過程時間=1.8S</p><p>　?。?）余差y=1-1=0</p><p>　　（5）第一個波峰值y1=0.22</p><p>　?。?）第二個波峰值y2=0.01</p><p>　?。?）衰減比η=y1/y2=22<

14、/p><p>　　（8）衰減率Ψ=（y1-y2）/y1=0.95</p><p>　?。?）振蕩頻率=2π/p=4.8</p><p>　　全部P、I、D的參數(shù)P=0.12，I=0.005，D=25</p><p><b>　　五、設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　在液位系統(tǒng)的控制器設(shè)計中，建立了

15、被控對象的數(shù)學(xué)模型、利用MATLAB仿真及調(diào)試實驗，同時完成軟件設(shè)計方面的工作。在本次畢業(yè)設(shè)計中，通過查閱大量的資料，使我的知識得以擴充，加深了對本專業(yè)的認(rèn)識，這次畢業(yè)設(shè)計通過老師的指導(dǎo)以及自己的努力，我圓滿的完成了任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計的目的。我學(xué)會了過程控制設(shè)計的基本方法，對系統(tǒng)的整體分析。經(jīng)過前面的大量研究工作，本課題得出了以下結(jié)論：</p><p>　　1 采用測試法對液位系統(tǒng)進(jìn)行模型分析，推導(dǎo)出了被控對象的數(shù)

16、學(xué)模型。</p><p>　　2 通過MATLAB的數(shù)字仿真，確定被控對象模型的正確性。</p><p>　　3 采用穩(wěn)定邊界法對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行整定。</p><p>　　4 通過MATLAB數(shù)字仿真，對幾種PID參數(shù)整定方法進(jìn)行性能分析。</p><p>　　通過這次設(shè)計使我明白了有些東西看上去非常簡單，當(dāng)自己置身其中去做時，并不容易。

17、在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)改進(jìn)或是較為缺乏的部分，其一是分析問題的能力，可能是自己學(xué)習(xí)的不夠扎實，實習(xí)中碰到了不少釘子，遇到問題時頭腦茫然。二是解決問題的成熟度，這也許是個性使然，再加上缺少經(jīng)驗的累積和歷練所以在處理設(shè)計中的問題時，容易慌慌張張。這次設(shè)計也讓我在此體會到了書本上學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識和實際應(yīng)用起來是兩個完全不同的概念，所以在現(xiàn)階段的學(xué)習(xí)中，我們主要是應(yīng)該去學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識，學(xué)習(xí)掌握分析問題和解決問題的能力。在以

18、后的工作中，把理論和實際相結(jié)合，努力實現(xiàn)大學(xué)所學(xué)習(xí)的理論知識。所以說，這次課程設(shè)計也是對以前所學(xué)知識的一個初審。對于我以后學(xué)習(xí)，找工作也是受益匪淺。我感性回到理性的重新認(rèn)識，進(jìn)一步對社會的認(rèn)知，對于以后工作所應(yīng)把握的方向也有所啟發(fā)！</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王琦. 計算機控制技術(shù). 上海：華東理工大學(xué)出版社，200

19、9.</p><p>　　[2] 王銀鎖. 過程控制系統(tǒng). 北京：石油工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[3] 何離慶. 過程控制系統(tǒng)與裝置. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2003</p><p>　　[4] 方康玲. 過程控制與集散控制系統(tǒng). 北京：電子工業(yè)出版啥，2009</p><p>　　[5] 舒迪前. 預(yù)測控制系統(tǒng)及其應(yīng)用. 北