1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)題目：水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試2、設(shè)計(jì)目的1、 加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程的認(rèn)識(shí)，初步認(rèn)識(shí)工程設(shè)計(jì)方法。2、 通過(guò)對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解書本知識(shí)，提高實(shí)踐能力，增強(qiáng)分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。3、 學(xué)習(xí)并掌握Matlab的使用方法，學(xué)會(huì)用Matlab仿真。4、 學(xué)會(huì)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算，并應(yīng)用到實(shí)踐設(shè)計(jì)中去。3、設(shè)計(jì)設(shè)備1、 ACCC型自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置2、 數(shù)字式萬(wàn)用表3、 示波器4、 MATLAB軟件4、設(shè)計(jì)任務(wù)（1）復(fù)習(xí)有關(guān)教材、到圖書館查找有關(guān)資料，了解水箱液位控制系統(tǒng)的工作原理。 （2）總體方案的構(gòu)思 根據(jù)設(shè)計(jì)的

2、要求和條件進(jìn)行認(rèn)真分析與研究，找出關(guān)鍵問(wèn)題。廣開思路，利用已有的各種理論知識(shí)，提出盡可能多的方案，作出合理的選擇。畫出其原理框圖。 （3）總體方案的確定 可從頻域法、跟軌跡法分析系統(tǒng)，并確定采用何種控制策略，調(diào)整控制參數(shù)。（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設(shè)計(jì)好的控制策略實(shí)現(xiàn)其中，根據(jù)實(shí)際響應(yīng)效果調(diào)整參數(shù)直至最優(yōu)，并記錄數(shù)據(jù)5、設(shè)計(jì)要求1分析系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。2選擇系統(tǒng)主電路各元部件，進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)，并完成系統(tǒng)調(diào)試。3構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)，并測(cè)其動(dòng)態(tài)特性。4測(cè)出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及其時(shí)間常數(shù)。5分析單閉環(huán)無(wú)差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。6比較開環(huán)時(shí)和閉環(huán)

3、時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。7構(gòu)成水箱液位閉環(huán)無(wú)靜差系統(tǒng)，并測(cè)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和提出改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿足。6、MATLAB軟件仿真61 軟件仿真部分設(shè)計(jì)要求1、 參考文獻(xiàn)【1】完成對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)建模，拉普拉斯變換后得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；2、 帶入表中的水箱液位系統(tǒng)參數(shù)，求出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)；3、 繪制出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)，分析系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，得到相關(guān)性能指標(biāo)；4、 分步驟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID校正，分別進(jìn)行比例控制（P）校正，比例微分控制（PD）校正，比例積分控制（PI）校正和比例積分微分控制（PID）校正；5、 運(yùn)用自動(dòng)控制原理知識(shí)分析系統(tǒng)的性能特征，從階躍響應(yīng)性能指標(biāo)

4、，頻域特性等角度分析系統(tǒng)校正前和校正后的性能；6、 設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)滿足如下性能指標(biāo)：；7、 改變輸入信號(hào)，將階躍信號(hào)分別換成方波信號(hào)，信號(hào)的周期設(shè)置為4s，幅值為5V。62 模型建立1 “水箱系統(tǒng)”的液位控制工藝過(guò)程原理圖參考文獻(xiàn)【1】，可以得到水箱液位控制系統(tǒng)的工藝過(guò)程原理圖如圖6.2.1所示 圖6.2.1圖中： 水箱流入量; 水箱流出量; 水箱截面積; 進(jìn)水閥開度; 出水閥開度; 水箱液位高度; 水箱初始液位高度; 閥體流量比例系數(shù)。2. 軟件仿真單元框圖根據(jù)工藝過(guò)程原理圖（圖6.2.1）可設(shè)計(jì)出仿真單元的原理圖：圖6.2.23. 水箱液位系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 表6.2.3 參數(shù)意義參數(shù)值閥體流量比

5、例系數(shù)10水箱初始液位高度（m）2水箱截面積（m2）106. 3 MALAB仿真1. 超前串聯(lián)校正仿真：(1)輸入程序 根據(jù)文獻(xiàn)【1】中提供的方法以及自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中提供的參數(shù)推算開環(huán)傳遞函數(shù)假設(shè)不變, 系統(tǒng)初始態(tài)為穩(wěn)態(tài), 由提供的參數(shù)得。 則： （1） （2） （3）對(duì)（3）式在 處進(jìn)行線性化, 得: （4）對(duì)（1）、（2）、（4）式進(jìn)行拉普拉斯變換后得： （5） （6） （7）由（5）、（6）、（7）式聯(lián)立化簡(jiǎn)得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)在MATLAB命令窗口定義好模型，MATLAB程序代碼如下： num=1den=3.536,1G=tf(num,den)得到結(jié)果如下：num = 1

6、den = 3.5360 1.0000 Transfer function: 1-3.536 s + 1 sisotool(G)按回車鍵進(jìn)入SISO系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （2）將模型載入SISO設(shè)計(jì)工具通過(guò)file/import命令載入模型，完成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，可知需修改，。通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益來(lái)改善系統(tǒng)反應(yīng)速度，通過(guò)增加積分環(huán)節(jié)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)增加調(diào)節(jié)函數(shù)的零極點(diǎn)并調(diào)節(jié)零極點(diǎn)位置來(lái)改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性減小誤差，通過(guò)以上各項(xiàng)措施來(lái)改善系統(tǒng)的性能指標(biāo)并最終使系統(tǒng)達(dá)到要求的性能指標(biāo)1. 調(diào)整增益圖5.3.12. 增加超前校正網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整超前校正網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)分布圖5.3

7、.23. 系統(tǒng)仿真波形圖圖5.3.3由系統(tǒng)仿真波形圖可以看出, ,所以系統(tǒng)是滿足要求的，此時(shí)超前校正調(diào)節(jié)函數(shù)為2. PID校正仿真：(1) PID建模根據(jù)原理圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，參考文獻(xiàn)【1】利用MATLAB中Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,構(gòu)建模擬系統(tǒng)閉環(huán)循環(huán)圖 圖5.3.4(2)PID校正1. 無(wú)任何調(diào)節(jié)狀態(tài)（P=1,I=0,D=0）圖5.3.5通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)行后，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下: 圖5.3.6從系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖可知：“水箱系統(tǒng)”液位控制系統(tǒng)在無(wú)調(diào)節(jié)器的情況下，過(guò)渡過(guò)程是一個(gè)非周期過(guò)程，是穩(wěn)定的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)時(shí)間教短，響應(yīng)比較迅速，但是，該系統(tǒng)是一個(gè)有靜差的系統(tǒng)，應(yīng)

8、該給系統(tǒng)增加一個(gè)調(diào)節(jié)器。2.無(wú)靜差系統(tǒng)圖5.3.7通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)行后，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下: 圖5.3.83.衰減振蕩系統(tǒng)圖5.3.9通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)行后，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如下:圖5.3.106.4 結(jié)論：1“水箱系統(tǒng)”的液位控制可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，并且具有較好的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。2. P參數(shù)不宜設(shè)置過(guò)大，否則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。3. 當(dāng)I參數(shù)設(shè)置較大，即積分作用較強(qiáng)時(shí)，可以出現(xiàn)衰減振蕩過(guò)程。4. 本系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)作用，對(duì)抗干擾性能的要求也能很好的滿足。7、硬件調(diào)試單元：7.1硬件單元設(shè)計(jì)要求：1、 參考課程設(shè)計(jì)硬件操作指南完成實(shí)物接線；2、 將階躍信號(hào)作用域系統(tǒng)

9、，調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比、頻率和幅值；3、 測(cè)出系統(tǒng)在不同電阻和電容取值情況下的階躍響應(yīng)輸出；4、 分析系統(tǒng)的元件取值對(duì)輸出影像，分別從有擾動(dòng)、無(wú)擾動(dòng)，有積分、無(wú)積分等角度分析。7.2設(shè)計(jì)原理： 水箱液位控制系統(tǒng)框圖如圖所示，由給定、PID調(diào)節(jié)器、功率放大、水泵、液位測(cè)量和輸出電壓反饋電路組成。在參數(shù)給定的情況下，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使水箱里的水位穩(wěn)定在給定值。圖7.2.1 給定Ug由ACCT自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V15V。 PID調(diào)節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后作為水泵的工作電源，從而控制水的流量。 液位測(cè)量通過(guò)檢

10、測(cè)有機(jī)玻璃水箱的水壓，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)作為電壓反饋信號(hào)，水泵的水壓為06Kpa，輸出電壓為010V，這里由于水箱的高度受實(shí)驗(yàn)臺(tái)的限制，所以調(diào)節(jié)壓力變送器的量程使得水位達(dá)到250mm時(shí)壓力變送器的輸出電壓為5V。根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。7.3 硬件調(diào)試單元接線原理圖： 圖7.2.2其中元件參數(shù)可自己調(diào)整，以下為參考值：7.4 具體實(shí)驗(yàn)步驟：1、 將ACCT面板上單元的可調(diào)電壓接到；2、 給定輸出接PI調(diào)節(jié)器的輸入，這里參考電路中，的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性。3、 經(jīng)PI運(yùn)算后給水泵驅(qū)動(dòng)電路提供輸入信號(hào)，即將調(diào)節(jié)器電路單元的輸出接到水泵的正極輸入端（IN+），負(fù)極端

11、（IN-）接地；4、 液位測(cè)量的輸出接到電壓反饋的輸入端，由于液位測(cè)量輸出的電壓值為正值，所以反饋回路中接一個(gè)反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓；5、 接好上述線路，全面檢查線路后，合上實(shí)驗(yàn)面板上的電源開關(guān)，再合上液位測(cè)量水泵的驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)，調(diào)整PI參數(shù)，是系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)觀測(cè)輸出電壓變化情況。6、 在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號(hào)，系統(tǒng)達(dá)到無(wú)靜差。如達(dá)不到，則根據(jù)PI參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PI參數(shù)。7、 改變給定信號(hào)，觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。7.5 設(shè)計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)：1、改變R5的值，將其分別設(shè)置成10k和510k，并觀察輸出曲線。2、外加輸出干擾，在水位接近設(shè)定值時(shí)打開

12、出水閥，觀察輸出曲線。3、改變反饋增益系數(shù)并觀察輸出曲線。7.6 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)及分析：1. 取給定電壓時(shí)，線路各點(diǎn)的電壓輸出波形圖如下所示： 圖7.6.1 圖7.6.2 圖7.6.3 圖7.6.4圖7.6.1所示為系統(tǒng)從進(jìn)水閥開始進(jìn)水到液面達(dá)到給定值過(guò)程中水泵輸入電壓與液面輸出電壓的波形比較；圖7.6.2所示為系統(tǒng)反饋回路輸出與系統(tǒng)比較器輸出的波形比較；圖7.6.3所示為系統(tǒng)給定值與液面輸出電壓比較波形；圖7.6.4所示為有擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)系統(tǒng)給定值與液面輸出電壓比較波形。2. 取給定電壓時(shí)，線路各點(diǎn)的電壓輸出波形圖如下所示：圖7.6.5 圖7.6.6 圖7.6.7 圖7.6.8其中圖7.6

13、.5展示的是系統(tǒng)從進(jìn)水閥開始進(jìn)水一直到液位達(dá)到設(shè)定值過(guò)程中液位輸出電壓和水泵輸入電壓的比較波形；圖7.6.6展示的是系統(tǒng)從進(jìn)水閥開始進(jìn)水一直到液位達(dá)到設(shè)定值是液位輸出電壓與給定值的比較波形；圖7.6.7展示的是系統(tǒng)從進(jìn)水閥開始進(jìn)水一直到液位達(dá)到設(shè)定值過(guò)程中比較器輸出電壓與反饋回路反相器輸出電壓的比較波形；圖7.6.8展示的是當(dāng)液位達(dá)到給定值后一段時(shí)間再外加擾動(dòng)后水泵輸入電壓與液位輸出電壓的比較波形。3.取給定電壓，分別取2和3.3，時(shí)，線路各點(diǎn)的電壓輸出波形圖如下所示：圖7.6.9 圖7.6.10圖7.6.11 圖7.6.11 由這一組波形圖與第一組波形圖相比較可以看出，改變反饋回路的增益對(duì)系統(tǒng)有影響。當(dāng)時(shí)，當(dāng)液位實(shí)際電壓達(dá)到時(shí)，通過(guò)反饋回路輸出的反饋電壓已經(jīng)達(dá)到，比較器輸出電壓為零，系統(tǒng)認(rèn)為實(shí)際值已經(jīng)達(dá)到給定值，導(dǎo)致水泵停止工作；通過(guò)推導(dǎo)可以得出，若，那么只有當(dāng)實(shí)際值達(dá)到時(shí)，反饋輸出才為Ui，此時(shí)比較器輸出為零，水泵停止工作。所以可以認(rèn)為改變反饋回路的增益使其為原來(lái)的倍時(shí)，相當(dāng)于間接的改變給定值為原來(lái)的倍。8、總結(jié)：當(dāng)合上出水閥，閉合水泵驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)，進(jìn)水閥開始進(jìn)水，液面開始上升，此時(shí)，液面輸出電壓上升，水泵輸入電壓保持不變，比較器