1、自動控制系統(tǒng)課程設計1、 設計題目：水箱液位控制系統(tǒng)的設計及實物調試2、設計目的1、 加強對自動控制原理這門課程的認識，初步認識工程設計方法。2、 通過對水箱液位控制系統(tǒng)的設計，進一步理解書本知識，提高實踐能力，增強分析問題，解決問題的能力。3、 學習并掌握Matlab的使用方法，學會用Matlab仿真。4、 學會對仿真結果進行分析，計算，并應用到實踐設計中去。3、設計設備1、 ACCC型自動控制理論及計算機控制技術實驗裝置2、 數(shù)字式萬用表3、 示波器4、 MATLAB軟件4、設計任務（1）復習有關教材、到圖書館查找有關資料，了解水箱液位控制系統(tǒng)的工作原理。 （2）總體方案的構思 根據(jù)設計的

2、要求和條件進行認真分析與研究，找出關鍵問題。廣開思路，利用已有的各種理論知識，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，調整控制參數(shù)。（4）系統(tǒng)實現(xiàn)搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實現(xiàn)開環(huán)控制，記錄實驗數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設計好的控制策略實現(xiàn)其中，根據(jù)實際響應效果調整參數(shù)直至最優(yōu)，并記錄數(shù)據(jù)5、設計要求1分析系統(tǒng)的工作原理，進行系統(tǒng)總體設計。2選擇系統(tǒng)主電路各元部件，進行主電路設計，并完成系統(tǒng)調試。3構成開環(huán)系統(tǒng)，并測其動態(tài)特性。4測出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及其時間常數(shù)。5分析單閉環(huán)無差系統(tǒng)的動態(tài)性能。6比較開環(huán)時和閉環(huán)

3、時的動態(tài)響應。7構成水箱液位閉環(huán)無靜差系統(tǒng)，并測其動態(tài)性能指標和提出改善系統(tǒng)動態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動態(tài)性能指標滿足。6、MATLAB軟件仿真61 軟件仿真部分設計要求1、 參考文獻【1】完成對電機的數(shù)學建模，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，分析系統(tǒng)的單位階躍響應，得到相關性能指標；4、 分步驟實現(xiàn)系統(tǒng)的PID校正，分別進行比例控制（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、 運用自動控制原理知識分析系統(tǒng)的性能特征，從階躍響應性能指標

4、，頻域特性等角度分析系統(tǒng)校正前和校正后的性能；6、 設計后的系統(tǒng)滿足如下性能指標：；7、 改變輸入信號，將階躍信號分別換成方波信號，信號的周期設置為4s，幅值為5V。62 模型建立1 “水箱系統(tǒng)”的液位控制工藝過程原理圖參考文獻【1】，可以得到水箱液位控制系統(tǒng)的工藝過程原理圖如圖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)工藝過程原理圖（圖6.2.1）可設計出仿真單元的原理圖：圖6.2.23. 水箱液位系統(tǒng)相關參數(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【1】中提供的方法以及自動控制原理課程設計指導書中提供的參數(shù)推算開環(huán)傳遞函數(shù)假設不變, 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（3）式在 處進行線性化, 得: （4）對（1）、（2）、（4）式進行拉普拉斯變換后得： （5） （6） （7）由（5）、（6）、（7）式聯(lián)立化簡得到系統(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)按回車鍵進入SISO系統(tǒng)設計工具進行系統(tǒng)設計。 （2）將模型載入SISO設計工具通過file/import命令載入模型，完成整個系統(tǒng)的閉環(huán)結構，根據(jù)系統(tǒng)的相關參數(shù)，可知需修改，。通過調節(jié)系統(tǒng)增益來改善系統(tǒng)反應速度，通過增加積分環(huán)節(jié)以調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，通過增加調節(jié)函數(shù)的零極點并調節(jié)零極點位置來改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性減小誤差，通過以上各項措施來改善系統(tǒng)的性能指標并最終使系統(tǒng)達到要求的性能指標1. 調整增益圖5.3.12. 增加超前校正網(wǎng)絡并調整超前校正網(wǎng)絡的零極點分布圖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，此時超前校正調節(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)結構圖，參考文獻【1】利用MATLAB中Simulink對系統(tǒng)進行仿真研究,構建模擬系統(tǒng)閉環(huán)循環(huán)圖 圖5.3.4(2)PID校正1. 無任何調節(jié)狀態(tài)（P=1,I=0,D=0）圖5.3.5通過Matlab進行仿真運行后，得到系統(tǒng)的階躍響應曲線如下: 圖5.3.6從系統(tǒng)的階躍響應曲線圖可知：“水箱系統(tǒng)”液位控制系統(tǒng)在無調節(jié)器的情況下，過渡過程是一個非周期過程，是穩(wěn)定的系統(tǒng)，調節(jié)時間教短，響應比較迅速，但是，該系統(tǒng)是一個有靜差的系統(tǒng)，應

8、該給系統(tǒng)增加一個調節(jié)器。2.無靜差系統(tǒng)圖5.3.7通過Matlab進行仿真運行后，得到系統(tǒng)的階躍響應曲線如下: 圖5.3.83.衰減振蕩系統(tǒng)圖5.3.9通過Matlab進行仿真運行后，得到系統(tǒng)的階躍響應曲線如下:圖5.3.106.4 結論：1“水箱系統(tǒng)”的液位控制可以實現(xiàn)無靜差，并且具有較好的動態(tài)過程控制。2. P參數(shù)不宜設置過大，否則系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。3. 當I參數(shù)設置較大，即積分作用較強時，可以出現(xiàn)衰減振蕩過程。4. 本系統(tǒng)采用PI調節(jié)作用，對抗干擾性能的要求也能很好的滿足。7、硬件調試單元：7.1硬件單元設計要求：1、 參考課程設計硬件操作指南完成實物接線；2、 將階躍信號作用域系統(tǒng)

9、，調節(jié)信號的占空比、頻率和幅值；3、 測出系統(tǒng)在不同電阻和電容取值情況下的階躍響應輸出；4、 分析系統(tǒng)的元件取值對輸出影像，分別從有擾動、無擾動，有積分、無積分等角度分析。7.2設計原理： 水箱液位控制系統(tǒng)框圖如圖所示，由給定、PID調節(jié)器、功率放大、水泵、液位測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PID運算產(chǎn)生相應的控制量，使水箱里的水位穩(wěn)定在給定值。圖7.2.1 給定Ug由ACCT自動控制理論及計算機控制技術的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3V15V。 PID調節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號，經(jīng)過功率放大后作為水泵的工作電源，從而控制水的流量。 液位測量通過檢

10、測有機玻璃水箱的水壓，轉換成電壓信號作為電壓反饋信號，水泵的水壓為06Kpa，輸出電壓為010V，這里由于水箱的高度受實驗臺的限制，所以調節(jié)壓力變送器的量程使得水位達到250mm時壓力變送器的輸出電壓為5V。根據(jù)實際的設計要求，調節(jié)反饋系數(shù)，從而調節(jié)輸出電壓。7.3 硬件調試單元接線原理圖： 圖7.2.2其中元件參數(shù)可自己調整，以下為參考值：7.4 具體實驗步驟：1、 將ACCT面板上單元的可調電壓接到；2、 給定輸出接PI調節(jié)器的輸入，這里參考電路中，的作用是提高PI調節(jié)器的動態(tài)特性。3、 經(jīng)PI運算后給水泵驅動電路提供輸入信號，即將調節(jié)器電路單元的輸出接到水泵的正極輸入端（IN+），負極端

11、（IN-）接地；4、 液位測量的輸出接到電壓反饋的輸入端，由于液位測量輸出的電壓值為正值，所以反饋回路中接一個反饋系數(shù)可調節(jié)的反相器。調節(jié)反饋系數(shù)，從而調節(jié)輸出的電壓；5、 接好上述線路，全面檢查線路后，合上實驗面板上的電源開關，再合上液位測量水泵的驅動電源開關，調整PI參數(shù)，是系統(tǒng)穩(wěn)定，同時觀測輸出電壓變化情況。6、 在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。如達不到，則根據(jù)PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響重新調節(jié)PI參數(shù)。7、 改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性。7.5 設計所測數(shù)據(jù)：1、改變R5的值，將其分別設置成10k和510k，并觀察輸出曲線。2、外加輸出干擾，在水位接近設定值時打開

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 設計實驗所測得的數(shù)據(jù)及分析：1. 取給定電壓時，線路各點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)從進水閥開始進水到液面達到給定值過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所示為有擾動時系統(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，線路各點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)從進水閥開始進水一直到液位達到設定值過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)從進水閥開始進水一直到液位達到設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)從進水閥開始進水一直到液位達到設定值過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展示的是當液位達到給定值后一段時間再外加擾動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，線路各點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系統(tǒng)有影響。當時，當液位實際電壓達到時，通過反饋回路輸出的反饋電壓已經(jīng)達到，比較器輸出電壓為零，系統(tǒng)認為實際值已經(jīng)達到給定值，導致水泵停止工作；通過推導可以得出，若，那么只有當實際值達到時，反饋輸出才為Ui，此時比較器輸出為零，水泵停止工作。所以可以認為改變反饋回路的增益使其為原來的倍時，相當于間接的改變給定值為原來的倍。8、總結：當合上出水閥，閉合水泵驅動電源開關，進水閥開始進水，液面開始上升，此時，液面輸出電壓上升，水泵輸入電壓保持不變，比較器