自动控制原理课程设计__对水箱流量控制系统

一、引言自动控制原理课程是自动化类专业的核心课程，它涉及到控制系统的分析设计参数的整定等多种问题，包括古典控制理论,现代控制理论等。

作为电气工程及其自动化专业的学生，学好这门课程，对以后的工作或是进一步的深造都有很大的帮助。

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器，设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

二、设计课题 多容水箱水位控制系统设计设单位反馈的多容水箱水位控制系统，其系统的开环传递函数为：00()(1)(4)K G s s s s =++ ，用频域设计滞后——超前校正装置，使校正后系统满足以下指标：单位斜坡信号作用下速度误差系数s K r 110-=; 校正后相位裕量40。

≥γ，时域性能指标：超调量M ﹪≤30﹪，调整时间s t s 6≤；S tp2≤ 。

三、课程设计的目的及要求通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB 实现系统的仿真与调试。

要求根据所学控制理论知识（频率法或根轨迹法）进行人工设计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数。

要求在MATLAB 下，用simulink 进行状态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；确定校正装置的电路形式及电路参数；完成设计报告。

四、设计过程及步骤（1）设计思想在分析设计时，应用频域法设计滞后——超前校正装置，其中超前校正部分可以提高系统的相角裕量，同时使频带变宽，改善系统的动态特性；滞后校正部分则主要用来提高系统的稳态特性。

频率法设计校正装置主要是通过对数频率特性（Bode 图）来进行。

开环对数频率特性的低频段决定系统的稳态误差，根据稳态性能指标确定低频段的斜率和高度。

为保证系统具有足够的稳定裕量，开环对数频率特性在剪切频率c ω附近的斜率应为20dB dec ，而且应具有足够的中频宽度，为抑制高频干扰的影响，高频段应尽可能迅速衰减。

第一章水箱液位自动控制系统原理液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。

在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。

液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。

根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。

结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

应用范围在制浆造纸过程中涉及的所有池、罐、槽体液位自动控制。

图1.1中，是控制器的传递函数，是执行机构的传递函数，是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。

图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。

也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。

因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。

只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。

性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。

性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。

性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。

不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。

尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。

有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。

在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。

由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。

双容水箱液位控制结题研究分析报告自动控制系统课程设计双容水箱系统——结题报告学校：北京工业大学学院：电控学院专业：自动化班级：组号：第五组组员：实验日期：指导教师：目录一、课程设计任务 1 b5E2RGbCAP 二、被控对象地模型及分析 3 p1EanqFDPw 三、系统控制方案论证 5 DXDiTa9E3d 四、控制结构与控制器设计步骤 6 RTCrpUDGiT 五、实验过程论述 8 六、实验结果及分析 10 5PCzVD7HxA 七、总结 10 jLBHrnAILg 八、附录 10 xHAQX74J0X一、课程设计任务 1、课程设计目地（1）掌握自动控制系统地分析与控制器设计方法. （2）掌握基于 MATLAB 地系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数地方法 (4) 掌握基于物理对象地控制系统地调试方法（5）培养编制技术总结报告地能力. 2、被控对象: 双容水箱系统 3、性能指标要求衰减率 4:1～10:1,超调量 Mp<10%，调节时间 Ts<45s，稳态误差0 sse 二、被控对象地模型及分析 1 双容水箱地数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图 2-3 双容水箱液位控制结构图设流量 Q 1 为双容水箱地输入量，下水箱地液位高度 H 2 为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中地时延，其传递函数为 LDAYtRyKfE 式中 K=R 4 ，T 1 =R 2 C 1 ，T 2 =R 4 C 2 ，R 2 、R 4 分别为阀 V 3 和 V 4 地液阻，C 1 和 C 2 分别为左水箱和右水箱地容量系数.式中地 K、T 1 和 T 2 可由实验求得地阶跃响应曲线求出.具体地做法是在下图所示地阶跃响应曲线上取：Zzz6ZB2Ltk 6) - 1 ( *) 1 * )( 1 * () () () (2 1 12esS T S TKS GS QS H1）、h 2 （t）稳态值地渐近线h 2 (∞)；图 2-4 阶跃响应曲线 2）、h 2 （t）| t=t1 =0.4 h 2 (∞)时曲线上地点 A 和对应地时间 t 1 ； 3）、h 2 （t）| t=t2 =0.8 h 2 (∞)时曲线上地点B 和对应地时间 t 2 . 然后，利用下面地近似公式计算式 1-6 中地参数 K、T1 和 T2.其中：对于式（1-6）所示地二阶过程，0.32<t 1 /t 2 <0.46. 当 t 1 /t 2 =0.32 时，为一阶环节；当 t 1 /t 2 =0.46 时，过程地传递函数 G(S)=K/(TS+1) 2 （此时T 1 =T 2 =T=(t 1 +t 2 )/2*2.18 ） dvzfvkwMI1 过曲线地拐点做一条切线，它与横轴交于 A 点，OA 即为滞后时间常数て. 下图为我们组建立地数学模型：双容传函：2.16t tT T ) 4) (K 2 12 12 、阶跃输入量输入稳态值O Rh) 55 . 0 74 . 1 () T (T T T ) 52122 12 1tt、 t h t 0 0.4 0.8 2 0 0 ( h 0 0 ( h 0 0 ( 1 t 2 B A h 2 2 (t) 2 P て A *) 1 * 28 . 72 )( 1 * 15 . 114 (88 . 0) () () ( 1512esS SS GS QS H单容传函：总传函：2 、双容水箱系统数学模型地分析双容水箱系统地等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统地滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成地纯滞后，另一部分是有水箱自身地容量滞后.由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型. rqyn14ZNXI 三、系统控制方案论证 1、选用地控制方法：PID 控制方法 2、控制方法简介 PID 控制器各控制规律地作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单地控制方式.其控制器地输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来.但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 EmxvxOtOco （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器地输出与输入误差信号地积分成正比关系.对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统.为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差地累积取决于时间地积分，随着时间地增加，积分项会越大.这样，即便误差很小，积分项也会随着时间地增加而加大，它推动控制器地输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零.但是过大地积分速度会降低系统地稳定程度，出现发散地振荡过程. 比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差.SixE2yXPq5 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器地输出与输入误差信号地微分 *) 1 * 25 . 59 (457 . 0) (12esSS G *) 1 * 43 . 186 * 762 . 8250 (93 . 1 * 457 . 0) (32 esS SSSG（即误差地变化率）成正比关系.自动控制系统在克服误差地调节过程中可能会出现振荡甚至失稳.其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差地作用，其变化总是落后于误差地变化.解决地办法是使抑制误差地作用地变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差地作用就应该是零. 6ewMyirQFL 初步采取地方案: 副回路：比例控制 PID 主回路：比例积分控制 PID 四、控制结构与控制器设计步骤 1、控制结构：串级控制系统 2、控制器地设计：逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近. 具体步骤为：先断开主回路，整定副控制器.后闭合主回路，整定主控制器. 重新调整副控制器参数.若未达到控制要求，再调整主控制器参数.以上3、4 步骤循环进行，直到满足控制指标为止.对于不同地控制系统和不同地品质指标要求，逐步逼近法逼近地循环次数是不同地，所以往往费时较多. kavU42VRUs及仿真及 PID 参数调节：副回路整定参数：P：35 I：1.2 D：15 技术指标：Mp=5% Ts：45s Ess=0 主回路整定参数：P：30 I：0.18 D：40 技术指标：Mp=9% Ts：25s Ess=0五、实验过程论述在课设地开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到地仪器及软件，并对实验过程和目地进行了一番学习及了解. 接下来我们便进入到了对单/双容水箱地特性测试，也就是对变送器地调试，由于主副回路变送器地滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长地时间去确定零点电压及线性关系.最后主副回路零点电压基本分别稳定在了 1.04v 和 1.1v. y6v3ALoS89 然后便是对水箱数学模型地建立以及控制结构与控制器地设计与仿真.（也就是我前面所陈述地传函地测试与建立，以及我们组所选择地串级控制系统和 PID 整定方法）此阶段我们组完成地还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定百分百准确，但 PID 参数地调试及仿真结果还算比较令人满意.M2ub6vSTnP 最后便进入到了实时控制阶段.当我们天真地以为仿真调参过后已经接近成功地时候，实时控制地结果告诉我们，理想和现实果然还有一定地差距.当我们搭好模型并采用我们仿真所调试地参数进行测试后惊奇并失望地发现，不仅响应曲线不对，连液位都无法稳定. 一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入了新一轮地调参活动中，最终我们确定地方案是副回路用比例控制，主回路用比例积分控制.当我们随意给定系统几个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然能恢复稳态，虽然调节时间略长，但其它性能指标要求已基本满足. 至此实验基本告以段落. 0YujCfmUCw 实时控制结构图 PID 参数整定方法：两步法第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器. 副回路：比例控制 P=1.5 主回路：比例积分控制 P=3.5 I=0.21 给定 2cm 主水箱以加水地方式引入扰动技术指标：Mp=0 Ts=75s Ess=0 加扰动后：Mp=0 Ts=65s Ess=0 2 给定 4cm 主水箱以加大阀门开度地形式引入扰动技术指标：Mp= 7.5% Ts=110s 加扰动后：Mp= 6.25% Ts=75s六、实验结果及分析实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定 2cm 和 4cm 以及加入适当扰动后，系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但由于更正系统参数后时间紧迫使得在选择PID 参数时不够精确，导致响应时间未能达到小于 45 秒. eUts8ZQVRd 分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线地呈现，我总结出以下几个问题：（1）仿真地阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定地差别. sQsAEJkW5T 仿真处于理想状态，而实际是不可能处于理想状态地，系统受到了个个方面地干扰，其次，我组在计算系统参数地时候采用了大量地近似计算，所以这也有可能造成了仿真与实际系统之间地误差. GMsIasNXkA （2）实际液位与示波器显示地差别这个问题是我们组在进行实时控制时遇到地.刚开始我们以为是仪器坏了，可后来经过验证，结果有两方面原因：1 从头开始我们组地万用表就是坏地2.由于变送器地跳变使得水箱地线性关系并没有那么准确.TIrRGchYzg （3）系统调节时间过长虽然 P I D 三部分各有各自地特点，但在调节过程中他们地作用毕竟还是相互地，正所谓牵一发而动全身.但由于时间关系，我们组未能更精确地调整参数，所以导致系统调节时间未能达到小于 45 秒. 7EqZcWLZNX 七、总结此次为期一周地课设实验使我收获颇丰. 首先是让我们有了一次将理论与实践相结合地机会.虽然相关地知识在理论课上都有涉及，但到了实际应用中又是另一回事儿.从参数地测量，系统控制方法地选择，控制器地设计以及最后在实物上进行测试，让我们对工业控制地过程有了更清晰地了解.lzq7IGf02E 其次，这次课设让我们更加熟悉了仿真软件MATLAB 地使用以及“实时控制”这个我们以前完全没有接触过地东西. 同时，这次试验也让我们对自控及过控书上地知识进行了复习以及应用. zvpgeqJ1hk 其实这次课设对我们组而言也应吸取一些经验和教训. 比如我们地实时控制一直出不来，直到周五下午才在老师地帮助下发现，原来我们所用地万用表一直是坏地，导致我们要在三个小时之内重新调零调参测曲线，可见一个小小地疏忽不仅浪费了时间还对实验结果地质量产生了一定地影响. NrpoJac3v1 还好比较幸运地是我们基本顺利地完成了此次课设，实验结果也较为满意.最后特别感谢老师地指导以及其它组同学在忙碌之余对我们组伸出地橄榄枝，我们以后会再接再厉，多参加一些这样地实习，提高自己地实践经验，为以后工作打下坚实地基础. 1nowfTG4KI7 7 、附录附件 1：THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验平台硬件地组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源.有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A 五路，每路均有短路保护自恢复功能.它们地开关分别由相应地钮子开关控制，并由相应发光二极管指示.其中+24V 主用于温度控制单元和直流电机单元. fjnFLDa5Zo 实验前，启动实验平台左侧地空气开关和实验台上地电源总开关.并根据需要将±5V、±15V、+24V 钮子开关拔到“开”地位置. tfnNhnE6e5 实验时，通过 2 号连接导线将直流电压接到需要地位置. 二、低频函数信号发生器及锁零按钮低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦波信号、三角波信号、方波信号、斜波信号和抛物波信号.输出频率分为 T1、T2、T3、T4 四档.其中正弦信号地频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7kHz、700Hz～ 10kHz 三档，V p-p 值为 16V. HbmVN777sL 使用时先将信号发生器单元地钮子开关拔到“开”地位置，并根据需要选择合适地波形及频率地档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要地频率和幅值，并通过 2 号连接导线将其接到需要地位置. V7l4jRB8Hs另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器地放电.当按下按钮时，通用单元中地场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端地初始电压为 0V；当按钮复位时，单元中地场效应管处于开路状态，此时可以开始实验. 83lcPA59W9 三、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时地阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调.使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元地拔动开关来实现.当按下自锁按钮时，单元地输出端输出一个连续可调(选择正输出时，调 RP1 电位器；选择负输出时，调 RP2 电位器)地阶跃信号(当输出电压为1V 时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元地输出端输出电压为 0V. mZkklkzaaP 注：单元地输出电压可通过实验台上地直流数字电压表来进行测量. 四、低频频率计低频频率计是由单片机89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成地，具有输入阻抗大和灵敏度高地优点.其测频范围为：0.1Hz～10.0kHz. AVktR43bpw 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号地频率.使用时先将低频频率计地电源钮子开关拔到“开”地位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号地频率). ORjBnOwcEd 另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作. 注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据地频率，这是由于频率计地输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值地频率.此现象并不影响内外测频. 2MiJTy0dTT 五、交/ 直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为 200mV、2V、20V.当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（±5‰）和真有效值测量地特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确地有效值，其适用地波峰...。

水箱液位控制课程设计-自动化-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统班级：自动化0901班学号：姓名：刘弟文指导教师：王姝梁岩设计时间：2012年5月7日至5月25日摘要水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。

本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。

首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。

然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。

最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。

关键词：水箱液位控制器 PID参数整定串级控制前馈控制目录1 引言 (2)2 课程设计任务及要求 (2)实验系统熟悉及过程建模 (2)实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 (2)实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 (3)实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 (3)实现副回路进水流量的前馈控制 (4)3 实验系统熟悉及过程建模 (4)系统结构 (4)过程建模 (5)进水流量和主管道流量模型 (6)进水流量和上水箱液位模型 (8)副回路流量与上水箱液位数学模型 (9)双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (10)4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (11)结构原理 (11)单容水箱控制器PID参数整定 (13)单容水箱比例系数Kp的整定 (13)单容水箱积分时间参数整定 (13)单容水箱微分时间参数整定 (14)单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (14)单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (15)干扰频繁剧烈变化的解决办法 (16)5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (16)双容水箱单回路控制系统原理 (16)双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (18)比例参数的整定 (18)积分常数参数的整定 (19)微分常数参数的整定 (19)双容水箱抗干扰能力检验 (20)双容水箱提高控制质量方法 (20)6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 (21)串级副回路参数整定 (23)串级主回路参数整定 (24)串级主回路比例参数整定 (25)串级主回路积分参数整定 (25)串级主回路微分参数整定 (26)串级控制系统给定负阶跃响应曲线 (26)副回路进水流量剧烈变化解决办法 (27)7 副回路进水流量的前馈控制 (27)副回路进水流量和水箱上液位前馈-反馈复合控制系统 (27)前馈控制器模型的确立 (27)前馈-反馈复合控制系统PID参数整定 (28)前馈-反馈复合控制系统不加前馈控制器 (29)8 收获体会和建议 (29)1 引言通过本次课程设计，加深了对自控控制系统理论知识的理解，了解了一些工业生产过程中控制系统设计的过程，结合了所学的理论知识和实际工业应用过程，提高了动手能力。

课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统的设计班级：学号：姓名：指导教师：设计时间： 2012.05.07—2012.05.25摘要在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。

而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。

过程时间常数一般比较小。

以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。

液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。

国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。

很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置!本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。

这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。

液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。

而其中应用最广泛的就是PID 控制器。

这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。

学会建立了最初的四种模型。

接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。

并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。

关键词：水箱液位 PID控制串级控制前馈控制经验凑试法1.引言在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30 年代就已有应用。

过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。

目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

1 单容水箱动态特性1.1 单容水箱构成无自平衡对象表1-1 一阶无自平衡对象的实验数据及验证结果对象参数计算过程: TS e S G s τ-=)( ，KT 1=，00)()(h t t K t h +-⨯=根据实验数据，利用matlab 拟合曲线得到： 4.6067t 1.187,00==h0359.10328.0)(+=t t h30.48780328.011===K T 4.6067=τ 传递函数为：30.4878S)(-4.6067Se S G =实验飞升曲线如图1-1图1-1（+为实验数据点，直线为拟合直线）1.2 单容水箱构成自平衡对象由于试验给的是放水的过程，但是该系统的关键参数不会变化，因为它是一个惯性环节（1)(+=Ts K s G ），其中，T 是不会变的，则可以用MATLAB 模拟的方法。

表1-2一阶自平衡对象的实验数据及验证结果①由飞升曲线确定一阶惯性环节的参数，1)(+=Ts Ks G中需要确定未知参数K 和T 。

静态增益 3.92 5%203.92)0()(=⨯=∞=x y K 。

求时间常数T 时，先将实验飞升曲线改写成如下标幺的飞升曲线，)()(*∞=y t y y 标幺的飞升曲线的表达式为：T t e y /*1--=因此只需选择某个时刻1t ，找出)(1*t y 的值，就可解出T 值。

)](1ln[1*1t y t T --= 63.0)101(*=y ，则102)63.01ln(101=--=T 。

STs K s G 102192.31)(+=+=实验曲线：图1-22 二阶对象的传递函数(二阶20%给定)表中)()()(*∞=y t y t y ,y(t)是任意时刻水位高度，)(∞y 为达到平衡时水位的高度。

)(*t y 传递函数121)(2++=s T s T s G ζ。

此式改写))((1)(212ωω++=s s T s G ，式中]1[1]1[12221-+=--=ζζωζζωTT或⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT 于是传递函数又可表示成 ))(()(2121ωωωω++=s s s G在单位阶跃作用下，输出的飞升曲线为t t e e t y 21121122*1)(ωωωωωωωω---+--=根据以上飞升曲线模型，利用matlab 拟合可得： w1= 0.0132 , w2= 7.9935利用公式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT ，可以得到T= 3.0754, ζ=12.3121传递函数121)(2++=s T s T s G ζ=175.7286S 9.4581 12++S曲线如图2-1：图2-1（平滑曲线为拟合曲线，震荡曲线为实验曲线）3 二阶对象的传递函数(二阶40%给定)表中)()()(*∞=y t y t y ,y(t)是任意时刻水位高度，)(∞y 为达到平衡时水位的高度传递函数可表示成 ))(()(2121ωωωω++=s s s G在单位阶跃作用下，输出的飞升曲线为t t e e t y 21121122*1)(ωωωωωωωω---+--=根据以上飞升曲线模型，利用matlab 拟合可得：（附程序2）w1= 0.0082 w2= 8.1451利用公式：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==21212121ωωωωζωωT ，可以得到T= 3.8637, ζ= 15.7511传递函数121)(2++=s T s T s G ζ=1121.7158S 14.9284 12++S曲线如图图3-1（平滑曲线为拟合曲线，震荡曲线为实验曲线）4 用带时延的一阶惯性对象拟合二阶40%给定对象参数计算过程 其中稳态放大系数： 1.59415%401883.3)0()(=⨯=∞=x y K 为计算时间常数T 及纯时延τ，将)(t y 改写成标幺飞升曲线)()()(*∞=y t y t y ，有：⎪⎩⎪⎨⎧≥-<=--τττt et t y T t 10)(*任取两点(t 1,y1*)、(t 2,y2*)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧------=----=)](1ln[)](1[ln )](1[ln )](1[ln )](1[ln )](1[ln 2*1*2*11*22*1*12t y t y t y t t y t t y t y t t T τ 可取y*(61)=0.3908,y*(116)=0.6302⎩⎨⎧=-==-=-=52110)61116(2)(22112t t t t T τ 传递函数sS e Se TS K s G 511015941.11)(--+=+=τ实验曲线:图4-15 设计串联校正装置（二阶20%给定的校正）校正前的根轨迹：图5-1分析与计算：由于要求在阶跃输入下闭环系统的稳态位置误差05.0<ss e ，阻尼比8.06.0<<ζ则：19)1(05.01>=<+=p pss K R K Re而且当ζ=0.707时，即cos -1 ζ=450时动态性能最佳 由原开环极点为（-0.0132，0i ）,(-7.9935,0i) 可取希望的极点为S 1为（-7，-7i ） 设计超前-滞后校正装置：⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=b b a aC T s T s T s T s K s G ββ111)( 由011225)9935.7)(0132.0(0924.0-=++∠s s应使超前校正部分提供r=0225-0180=045的超前角即：0451=++∠bbT s T s β由此可得01.5.285.996.31===ααbbT T为使滞后校正部分对r 角影响很小则：011≈++∠a aT s T s α 可使21.0152.01==aaT T α校正后的根轨迹由图可知当ζ=0.707时，开环增益为74=p K ，即19>p K 满足05.0<ss e 的校正要求，此时8.06.0<<ζ满足要求。

课程：创新与综合课程设计电子与电气工程学院实践教学环节说明书题目名称水箱水位自动控制装置学院电子与电气工程学院专业电子信息工程班级学号学生姓名起止日期13周周一~14周周五水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。

本次课程设计思路是以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。

通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。

一、设计题及即要求1、设计并制作一个水箱水位自动控制装置，原理示意图如下：2、基本要求：设计并制作一个水箱水位自动控制装置。

（1）水箱1 的长×宽×高为50 ×40 ×40 cm；水箱2 的长×宽×高为40×30 ×40 cm（相同容积亦可）；水箱1 的放在地面，水箱2 放置高度距地0.8-1.2m。

（2）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤1cm。

（3）水箱 2 中要求的水位高度及上下限可以通过键盘任意设置；（4）实时显示水箱2 中水位的实际高度和水泵、阀门的工作状态。

3、发挥部分：（1）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤0.3 cm。

（2）由无线远程控制器实现基本要求，无线通讯距离不小于10 米。

远程控制器上能够同步实现超限报警显示。

（3）其他创新。

二、设计思路：以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。

通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。

原理框图：三、系统结构1、控制模块：本次课程设计采用控制模块是AT89C51单片机。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

目录1绪论 (1)1.1计算机模拟控制系统 (1)1.1.1系统的分类 (1)1.1.2系统的数学模型 (1)1.2计算机模拟控制系统 (1)1.3数学模型及其建立方法 (2)1.3.1数学模型的表达形式与对模型的要求 (2)1.3.2建立数学模型的基本方法 (3)2水箱水位系统概述 (5)2.1水箱水位控制系统硬件设计 (5)2.1.1有自平衡能力的单容元件 (6)2.1.2电动机的数学模型 (6)2.1.3减速器的传递函数 (7)2.2系统的传递函数 (8)2.2.1控制器的确定 (9)2.3控制器的正反作用 (9)3硬件电路 (11)3.1控制系统的校正 (11)3.2控制系统的稳态误差 (12)4仿真软件介绍 (14)4.1 MATLAB的启动和退出 (14)4.1.1MATLAB操作桌面简介 (14)4.1.2命令窗口菜单（Command Window）简介 (16)4.2变量 (17)4.3MATLAB的矩阵运算 (18)4.4仿真 (19)5结论 (20)6参考文献 (21)1绪论1.1计算机模拟控制系统计算机模拟控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。

随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。

现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。

进而计算机模拟控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。

1.1.1系统的分类按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。

1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。

课程：创新与综合课程设计电子与电气工程学院实践教学环节说明书题目名称水箱水位自动控制装置学院电子与电气工程学院专业电子信息工程班级学号学生姓名起止日期13周周一~14周周五水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。

本次课程设计思路是以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。

通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。

一、设计题及即要求1、设计并制作一个水箱水位自动控制装置，原理示意图如下：2、基本要求：设计并制作一个水箱水位自动控制装置。

（1）水箱1 的长×宽×高为50 ×40 ×40 cm；水箱2 的长×宽×高为40×30 ×40 cm（相同容积亦可）；水箱1 的放在地面，水箱2 放置高度距地0.8-1.2m。

（2）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤1cm。

（3）水箱 2 中要求的水位高度及上下限可以通过键盘任意设置；（4）实时显示水箱2 中水位的实际高度和水泵、阀门的工作状态。

3、发挥部分：（1）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变，误差≤0.3 cm。

（2）由无线远程控制器实现基本要求，无线通讯距离不小于10 米。

远程控制器上能够同步实现超限报警显示。

（3）其他创新。

二、设计思路：以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。

通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。

原理框图：三、系统结构1、控制模块：本次课程设计采用控制模块是AT89C51单片机。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

PLC水箱水位控制课程设计
1. 设计概述：
1.有传感器，3个贮水水箱，每个水箱有2个液位，S1，S3，S5（动合触
电）用于指示每个水箱的“满”；S2，S4，S6（动断触点）用于指示每个
水箱的“空”。

S1—S6通过模拟器自动检测给出信号。

3个贮水水箱放水
开关S7，S8，S9在PLC外部操作设定，通过认为的方式，按随机的顺序
将水箱放空。

只要检测到水箱“空”的信号，系统就自动的向水箱注水，直到检测到水箱“满”的信号为止。

2.电磁阀Y1，Y2，Y3分别是用于3个水箱的注水操作；电磁阀Y4，Y5，
Y6分别是用于3个水箱的放空操作。

贮水水箱系统的示意图如下。

3.水箱注水的顺序要与水箱放空的顺序相同，例如水箱放空顺序是2-1-3，
水箱注水的顺序也应当是2-1-3。

4.每次只能对1个水箱进行注水操作。

图1-1 注水水箱系统示意图
2. I/O口分配表：
2.1本次设计采用S7-300系列PLC完成控制任务，I/O口分配情况及作用如下：
输出/输入I/O口地址分配表
2.2 其他编程元件的地址分配如下：
其他编程元件的地址分配表
2.3 梯形图控制程序框图
图2-1梯形图控制程序框图3．梯形图程序。