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1、自动控制系统课程设计1、设计题目：水箱液位控制系统的设计及实物调试2、设计目的1、加强对自动控制原理这门课程的认识，初步认识工程设计方法。2、通过对水箱液位控制系统的设计，进一步理解书本知识，提高实践能力，增 强分析问题，解决问题的能力。3、学习并掌握 Matlab 的使用方法，学会用 Matlab 仿真。 4、学会对仿真结果进行分析，计算，并应用到实践设计中去。3、设计设备1、ACC I型自动控制理论及计算机控制技术实验装置2、数字式万用表3、示波器4、MATLAB件4、设计任务（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解水箱液位控制系统的工作原 理。（2）总体方案的构思根据设计的要求和条
2、件进行认真分析与研究， 找出关键问题。 广开思路， 利 用已有的各种理论知识， 提出尽可能多的方案， 作出合理的选择。 画出其原理框 图。（3）总体方案的确定可从频域法、跟轨迹法分析系统， 并确定采用何种控制策略， 调整控制参数。（4）系统实现搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将 设计好的控制策略实现其中， 根据实际响应效果调整参数直至最优， 并记录数据5、设计要求1分析系统的工作原理，进行系统总体设计。 2选择系统主电路各元部件，进行主电路设计，并完成系统调试。 3构成开环系统，并测其动态特性。4测出各环节的放大倍数及其时间常数。5分析单闭环无差系统的动态性能。
3、6比较开环时和闭环时的动态响应。 7构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性 能的方法，使得系统动态性能指标满足 % 5%,tr 0.2s,ts 0.5s 。6、MATLAB件仿真61 软件仿真部分设计要求1、参考文献【1】完成对电机的数学建模， 拉普拉斯变换后得到系统的传递函数；2、带入表中的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数；3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得 到相关性能指标；4、分步骤实现系统的PID校正，分别进行比例控制（P）校正，比例微分控制（PD 校正，比例积分控制（PI）校正和比例积分微分控制（PID）校正；5、
4、运用自动控制原理知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频 域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能；6、 设计后的系统满足如下性能指标：% 5%,tr 0.2s,ts 0.5s；7、 改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s，幅值 为 5V。62 模型建立1 “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图参考文献【 1】，可以得到水箱液位控制系统的工艺过程原理图如图 6.2.1 所示图 6.2.1图中:Qi 水箱流入量；Q2 水箱流出量；A 水箱截面积；u 进水阀开度；f 出水阀开度；h 水箱液位高度；ho 水箱初始液位高度；K 阀体流量比例系数。2.软件仿真单元框图根据工艺
5、过程原理图（图6.2.1 ）可设计出仿真单元的原理图:图 6.2.2# / 16word.3. 水箱液位系统相关参数表 6.2.3参数意义参数值K阀体流量比例系数10h水箱初始液位高度（m2A水箱截面积（m）106. 3 MALAB 仿真1.超前串联校正仿真：（1）输入程序根据文献【1】中提供的方法以及自动控制原理课程设计指导书中提供的参数推算开环传递函数G（s）假设f不变，系统初始态为稳态，由提供的参数得h02,K10, A 10m2。则： Q1- Q2dhA - dt(1)Q1K u(2)Q2K(3)对（3）式在ho处进行线性化,得:Q2Kh2也h(4)对（1）、（2）、（4）式进行拉普拉
6、斯变换后得QgQ2(s) s A H(s)(5)Q,s)K U(s)(6)Q2 (s)K H(s)(7)H (s)2由（5）、（6）、（ 7）式联立化简得到系统的闭环传递函数 在MATLAB令窗口定义好模型G(s)G(s)(3.536s 1)(3.536s 1)MATLAB?序代码如下：num=1den=3.536,1G=tf(nu m,de n)得到结果如下：num = den =3.53601.0000Tran sfer fun cti on:13.536 s + 1 sisotool(G) 按回车键进入SISO系统设计工具进行系统设计。(2)将模型载入SISO设计工具通过file/imp
7、ort命令载入模型，完成整个系统的闭环结构，根据系统的相关参数，可知需修改 H 3.54，F 10。通过调节系统增益来改善系统反应速度，通过增加积分环节以调节系统的稳 态误差，通过增加调节函数的零极点并调节零极点位置来改变系统的稳定性减小 误差，通过以上各项措施来改善系统的性能指标并最终使系统达到要求的性能指 标1.调整增益图5312增加超前校正网络并调整超前校正网络的零极点分布图 5.3.23.系统仿真波形图图533由系统仿真波形图可以看出tr 0.005s0.2s , ts 0.0081s 0.5s ,%0.697%5%,所以系统是满足要求的，此时超前校正调节函数为G(s) 548.9 0
8、.76s)-s(1 0.0011s)2. PID校正仿真：(1) PID建模根据原理图和系统结构图，参考文献【1】利用MATLAB Simulink对系统 进行仿真研究，构建模拟系统闭环循环图图534(2)PID校正1.无任何调节状态(P=1,I=O,D=O )图 5.3.5通过Matlab进行仿真运行后，得到系统的阶跃响应曲线如下：图 5.3.6从系统的阶跃响应曲线图可知：“水箱系统”液位控制系统在无调节器的情况下, 过渡过程是一个非周期过程，是稳定的系统，调节时间教短，响应比较迅速，但 是，该系统是一个有静差的系统，应该给系统增加一个调节器。2.无静差系统图537通过Matlab进行仿真运
9、行后，得到系统的阶跃响应曲线如下：图5383. 衰减振汤系统E Functioifc Block Paruet ers: PID Controller| XPID Controler (mask) link)Enter ewpressions for proportion inlegi al and derivative terms. P+iys+CsPfanieterProportional:HelpApply图539通过Matlab进行仿真运行后，得到系统的阶跃响应曲线如下# / 16word.图 5.3.106.4结论：1“水箱系统”的液位控制可以实现无静差，并且具有较好的动态过程控制。
10、2. P参数不宜设置过大，否则系统会出现不稳定情况。3. 当I参数设置较大，即积分作用较强时，可以出现衰减振荡过程。4. 本系统采用PI调节作用，对抗干扰性能的要求也能很好的满足。7、硬件调试单元：7.1硬件单元设计要求：1、参考课程设计硬件操作指南完成实物接线；2、将阶跃信号作用域系统，调节信号的占空比、频率和幅值；3、测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出；4、分析系统的元件取值对输出影像，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分 等角度分析。7.2设计原理：水箱液位控制系统框图如图所示，由给定、PID调节器、功率放大、水泵、液位测量和输出电压反馈电路组成。 在参数给定的情况下，经过
11、PID运算产生相 应的控制量，使水箱里的水位稳定在给定值。图 7.2.1给定Ug由ACCH自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单 元U1提供，电压变化范围为1.3V15V。PID调节器的输出作为水泵的输入信号，经过功率放大后作为水泵的工作电 源，从而控制水的流量。液位测量通过检测有机玻璃水箱的水压，转换成电压信号作为电压反馈信 号,水泵的水压为06Kpa输出电压为010V,这里由于水箱的高度受实验台的 限制，所以调节压力变送器的量程使得水位达到250mm寸压力变送器的输出电压，从而调节输出电压为5V。根据实际的设计要求，调节反馈系数7.3硬件调试单元接线原理图:其中元件参数可自己调整
12、，以下为参考值：Ro Ri R2 100KR3 10KR4 1MR5 10KCi 1 FRf/Ri 17.4具体实验步骤：1、将acch面板上U1单元的可调电压接到Ug ；2、 给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd o , R4的作用是提高PI 调节器的动态特性。3、经PI运算后给水泵驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到 水泵的正极输入端（IN+）,负极端（IN-）接地；4、液位测量的输出接到电压反馈的输入端，由于液位测量输出的电压值为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数Rf R，从而调节输出的电压U0 ；5、接好上述线路，全面检查线路后，合上
13、实验面板上的电源开关，再合上液位 测量水泵的驱动电源开关，调整 PI参数，是系统稳定，同时观测输出电压变化 情况 6在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则 根据PI参数对系统性能的影响重新调节 PI参数。7、改变给定信号，观察系统动态特性。7.5设计所测数据： 1、 改变R5的值，将其分别设置成10kQ和510kQ，并观察输出曲线。2、外加输出干扰，在水位接近设定值时打开出水阀，观察输出曲线。3、改变反馈增益系数并观察输出曲线。7.6设计实验所测得的数据及分析：1.取给定电压Ui 5V,Rf r 1,R5 10k Q 1 F时，线路各点的电压输出波形图如下所示:图
14、7.6.2图 7.6.1图 7.6.4图761所示为系统从进水阀开始进水到液面达到给定值过程中水泵输入电压与液面输出电压的波形比较；图7.6.2所示为系统反馈回路输出与系统比较器输出的波形比较；图763所示为系统给定值与液面输出电压比较波形；图 7.6.4所示为有扰动时系统系统给定值与液面输出电压比较波形。2.取给定电压Ui 5V,Rf r 1,Rs 510k ,Ci 1 F时，线路各点的电压输出 波形图如下所示：STOP n |SAVE/FIEC 存 B面,_ . iiBr* a vl .rnsah * *+ *+-i4 4 ?+!* * 4 *+十J-+T-II存储至USUsen其中图7.6.5展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值过程 中液位输出电压和水泵输入电压的比较波形；图7.6.6展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值是液位输出电压与给定值的比较波形；图7.6.7展示的是系统从进水阀开始进水一直到液位达到设定值过程中比较器输出电压 与反馈回路反相器输出电压的比较波形；图7.6.8展示的是当液位达到给定值后 一段时间再外加扰动后水
