PAGE目錄第一章緒論 11.1設(shè)計(jì)目的 11.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 11.3課題研究的背景 21.4研究意義 3第二章總體設(shè)計(jì)方案 42.1系統(tǒng)工作原理 42.2系統(tǒng)方框圖 42.3未校正的初始數(shù)學(xué)模型 52.4系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 7第三章系統(tǒng)校正 83.1系統(tǒng)校正一 83.2系統(tǒng)校正二 10第四章系統(tǒng)分析 124.1仿真及分析一 124..1.1時(shí)域分析 124.1.2系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo) 124.2仿真及分析二 134.2.1根軌跡圖 134.2.2時(shí)域分析 144.2.3系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo) 144.3特性指標(biāo)分析 14第五章總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 16PAGE16第一章緒論在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，例如居民生活用水的供應(yīng)，飲料、食品加工，溶液過濾，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要維持合適的高度，既不能太滿溢出造成浪費(fèi)，也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)，特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID算法、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了PID算法，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。選用合適的器件設(shè)備、控制方案和算法，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。1.1設(shè)計(jì)目的通過本課題的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，對自動(dòng)化儀表的選型、參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試的能力，檢驗(yàn)所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的綜合利用能力，為今后工作打好基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)供水水箱的液位控制系統(tǒng)，要求在采用儀表控制的情況下，設(shè)計(jì)一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)器。各環(huán)節(jié)選用適當(dāng)?shù)膬x表和器件，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制方式，確定控制器參數(shù)，并可以通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。分析不同控制方式的控制規(guī)律和在不同控制方式下系統(tǒng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)在上下水流量發(fā)生變化時(shí)，能快速恢復(fù)到設(shè)定值。1.3課題研究的背景液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)工程控制中，有很多地方需要對容器內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行液位控制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。液位控制一般指對某一液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動(dòng)控制，是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，工業(yè)作業(yè)的是微機(jī)控制和原有儀表控制，微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢：a.直觀而集中的顯示運(yùn)行參數(shù)，能顯示液位狀態(tài)。b.在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改給種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制，并修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，可以方便的改變液位的上限、下限。c.具有水體水體控制的自動(dòng)化處理及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少人工的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨，單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾強(qiáng)，利用單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn)，因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域的到廣泛的應(yīng)用，使用單片機(jī)控制液位是很好的選擇。目前我國在單片機(jī)測控裝置研究、生產(chǎn)應(yīng)用中，取得了很大成績，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期，進(jìn)調(diào)查，各種科研研究所在這方面開展的工作更注重的是理論和算法，數(shù)年來這方面的論文較多，注重生產(chǎn)實(shí)際的很少。一些發(fā)達(dá)國家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已積累了很多經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)入了國際市場，我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)上，與其他發(fā)達(dá)國家還存在差距，但是我國科研人員已經(jīng)克服了很多困難，并在不斷地摸索中前進(jìn)，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，這是發(fā)展趨勢。1.4研究意義在日常生產(chǎn)和生活中常遇到液位的監(jiān)測問題。尤其在許多工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)的液位或物料位進(jìn)行監(jiān)測，為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，節(jié)省財(cái)力、物力，避免資源的浪費(fèi)，特別是對一些具有高溫、高壓、低溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等液體，都要對液位進(jìn)行檢測，液位的檢測顯得尤為重要。而對于這些影響身體健康的液體，不易在現(xiàn)場直接進(jìn)行檢測，必須通過一定的技術(shù)，進(jìn)行監(jiān)控。目前液位的檢測越來越受到重視，隨著人們生活水平和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，檢測的精度和實(shí)時(shí)性要求也越來越高，另外，還要求系統(tǒng)能提供對液位的自動(dòng)控制功能。也就是說今后液位的監(jiān)測和控制系統(tǒng)的研究將是一個(gè)重要的課題。因此，我們以自動(dòng)控制原理課專題研究為契機(jī)，以機(jī)械浮球杠桿式液位自動(dòng)控制系統(tǒng)為實(shí)例，從簡單、傳統(tǒng)、機(jī)械化的液位控制系統(tǒng)開始，展開探索和研究，將課堂所學(xué)的知識(shí)注入液位控制系統(tǒng)的研究中，將對以后的學(xué)習(xí)工作生活產(chǎn)生重大的意義和影響。第二章總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)工作原理如圖1.1水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖所示為浮球杠桿式液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理示意圖，通過這個(gè)系統(tǒng)，我們希望，在任意情況下，液面的高度維持不變。圖1.1水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖工作原理：電位器電刷位于中點(diǎn)位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，控制閥門有一定的開度，使水箱中流入水量與流出水量相等，從而液面保持在希望高度上。一旦流入水量或流出水量發(fā)生變化，水箱液面高度便相應(yīng)變化。例如，當(dāng)液面升高時(shí)，浮子位置亦相應(yīng)升高，通過杠桿作用使電位器電刷從中點(diǎn)位置下移，從而給電動(dòng)機(jī)提供一定的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器減小閥門開度，使進(jìn)入水箱的流量減少。此時(shí)，水箱液面下降，浮子位置相應(yīng)下降，知道電位器電刷回到中點(diǎn)位置，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)，液面恢復(fù)給定高度，反之，若水箱液面下降，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大閥門開度，加大流入的水量，使液面升到給定的高度。2.2系統(tǒng)方框圖如圖2.1水位控制系統(tǒng)的方框圖所示圖2.1水位控制系統(tǒng)的方框圖圖2.1水位控制系統(tǒng)的方框圖2.3未校正的初始數(shù)學(xué)模型(1)浮子、杠桿、電位計(jì)浮球杠桿測量液位高度的原理式(2-1)式中Uo為電位計(jì)的輸出電壓，為電位計(jì)兩端的總電勢，為杠桿的長度比，為高度的變化，l為電位計(jì)電阻絲的中點(diǎn)位置到電阻絲邊緣的長度。(2)拉氏變換

(2-2)式中a=8cm，b=2cm，=60V，l=2.5cm故，傳遞函數(shù)為(2-3)=6(3)電動(dòng)機(jī)通過查找電動(dòng)機(jī)的資料得，(2-4)其中，，(4)減速器這是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，增益為減速器的減速比。在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓為0—56V時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速為0—25，經(jīng)過減速器后輸出的轉(zhuǎn)速為0—5。(5)減速比故，傳遞函數(shù)為其中，。（6）控制閥這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中，控制閥連接流入口的水管為方形管，尺寸為寬16cmX高15cm，流入速度，流出速度。輸入量為減小后的轉(zhuǎn)速n，控制閥每轉(zhuǎn)一圈，進(jìn)水口的開度改變量為1cm，輸出量為流入量，則與n的原理式如下：(2-5)拉氏變換后(2-6)故，傳遞函數(shù)為(2-7)其中，。（7）水箱這是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，實(shí)際液位Y是流入量與流出量的差值對時(shí)間t的積分。(2-8)式中，是水箱的橫截面積，拉氏變換后，

(2-9)故，傳遞函數(shù)為(2-10)式中，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)(2-11)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)(2-12)2.4系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析閉環(huán)特征方程根一次項(xiàng)系數(shù)為零，所以系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而且系統(tǒng)是II型系統(tǒng)，不容易穩(wěn)定。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和小組成員討論，我們做出了對系統(tǒng)進(jìn)行降型的方案，即通過添加微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進(jìn)行校正。第三章系統(tǒng)校正3.1系統(tǒng)校正一在前向通道添加微分調(diào)理電路環(huán)節(jié)在電位計(jì)的輸出電壓與電動(dòng)機(jī)的輸入端之間接一個(gè)微分調(diào)理電路，對輸入的電壓進(jìn)行調(diào)理傳遞函數(shù)為：(3-1)其中，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=(3-2)系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性曲線如圖3.1系統(tǒng)的Bode圖所示圖3.1系統(tǒng)的Bode圖圖3.1系統(tǒng)的Bode圖根據(jù)其傳遞函數(shù)得到如圖3.2系統(tǒng)校正后的Bode圖所示：圖3.2系統(tǒng)校正后的Bode圖圖3.2系統(tǒng)校正后的Bode圖仿真代碼如下:num=[10.8];den=[210];H=tf(num,den);bode(H)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)(3-3)其中，K=10.8，T=2分析：經(jīng)過改進(jìn)后的系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是系統(tǒng)的超調(diào)量過大，調(diào)節(jié)時(shí)間過長，這是需要下一步改進(jìn)的方面。為了避免過大的超調(diào)量，而不增大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，小組討論決定，采用比例—微分環(huán)節(jié)（PD）控制。3.2系統(tǒng)校正二PD校正的優(yōu)點(diǎn)：比例微分校正（相位超前校正），其傳遞函數(shù)為G(s)=-K(Ts+1)式中K=R1/R0——比例放大倍數(shù)T=R0C0——微分時(shí)間常數(shù)比例微分校正的作用主要體現(xiàn)在兩方面：（1）使系統(tǒng)的中、高頻段特性上移（PD調(diào)節(jié)器的對數(shù)漸近幅頻特性的斜率為+20dB/dec），幅值穿越頻率增大，使系統(tǒng)的快速性提高。（2）PD調(diào)節(jié)器提供一個(gè)正的相位角，使相位裕量增大，改善了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。但是，由于高頻段上升，降低了系統(tǒng)的抗干擾能力。添加PD環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為(3-4)系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性曲線如圖3.3系統(tǒng)的Bode圖所示圖3.3系統(tǒng)的Bode圖圖3.3系統(tǒng)的Bode圖其中，k=1,QUOTEτ=KdKp根據(jù)其傳遞函數(shù)得到如圖3.4系統(tǒng)校正后的Bode圖所示:圖3.4系統(tǒng)校正后的Bode圖圖3.4系統(tǒng)校正后的Bode圖仿真代碼如下：num=[1.0810.8];den=[210];H=tf(num,den);bode(H)由圖可見，增加比例積分校正裝置后：低頻段，L(ω)的斜率和高度均沒變，所以不影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。中頻段，L(ω)的斜率沒變，相位裕量變大，提高了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性；穿越頻率ωc也變大，快速性提高。高頻段，L(ω)的斜率由校正前的-40dB/dec變?yōu)樾Ｕ蟮?20dB/dec，系統(tǒng)的抗高頻干擾能力下降。綜上所述，比例微分校正將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性改善，但是抗高頻干擾能力下降。第四章系統(tǒng)分析4.1仿真及分析一4..1.1時(shí)域分析系統(tǒng)的時(shí)域分析如圖4.1系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)所示圖4.1系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)圖4.1系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)4.1.2系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo)超調(diào)量pos=70.8723%調(diào)節(jié)時(shí)間ts=15.3000s上升時(shí)間tr=2.1000s峰值時(shí)間tp=1.5000s4.2仿真及分析二4.2.1根軌跡圖取τ=0.1，繪出為變量的根軌跡圖如圖4.2系統(tǒng)的根軌跡圖所示圖4.2系統(tǒng)的根軌跡圖圖4.2系統(tǒng)的根軌跡圖仿真代碼如下：num=[0.11];den=[210];rlocus(num,den)分析：根軌跡在＞0時(shí)離開實(shí)軸，而且系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的。所以，我們?nèi)?，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

G(s)=(4-1)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=(4-2)4.2.2時(shí)域分析系統(tǒng)的時(shí)域分析如圖4.3系統(tǒng)的時(shí)域分析圖所示圖4.3系統(tǒng)的時(shí)域分析圖圖4.3系統(tǒng)的時(shí)域分析圖4.2.3系統(tǒng)暫態(tài)特性指標(biāo)超調(diào)量pos=2.4786%調(diào)節(jié)時(shí)間ts=0.2000s上升時(shí)間tr=0.2000s峰值時(shí)間tp=0.2000s4.3特性指標(biāo)分析最終系統(tǒng)已經(jīng)比較令人滿意了，超調(diào)量為2.4786%，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.2s，經(jīng)過計(jì)算，，。第五章總結(jié)此次設(shè)計(jì)也豐富了我對自動(dòng)控制理論的進(jìn)一步研究，了解了系統(tǒng)穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)的影響，學(xué)會(huì)了用時(shí)域分析方法和頻域分析方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，也學(xué)會(huì)了MATLAB仿真的一些基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)習(xí)完校正章節(jié)后，我們在系統(tǒng)中加入了PD環(huán)節(jié)，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，也達(dá)到了校正的目的。同時(shí)也通過查閱相關(guān)資料，能夠自己動(dòng)手完成這個(gè)設(shè)計(jì)也是讓我很有收獲的一方面。雖然在設(shè)計(jì)過程中