2022年典型控制系统仿真———液位自动控制系统仿真 .pdf

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1、班级：0309102 姓名：030910231 杨博文030910221 董朋030910224 王玮典型控制系统的仿真- 液位控制系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - 目录一.引言 . - 3 - 二方案选择 . - 3 - 1 单回路控制方案说明：. - 3 - 2 对该系统的初步分析. - 3 - 三系统的建模. - 4 - 1、原系统变化液位与开关阀门闭合程度关系表达式. - 4 - 2 开环系统 mat

2、lab 仿真 . - 6 - 2.1 原系统： . - 6 - 2.2 原系统输出波形. - 7 - 2.3 分析 . - 7 - 四液位控制系统的工作原理. - 8 - 1.建立加入反馈的液位控制系统模型：. - 8 - 五、单位反馈的系统分析. - 9 - 六、自控数学模型的建立及其传递函数. - 10 - 七、传递函数)()(sHsHio的汇总 . - 11 -八液箱控制系统现实仿真（为简化画图，只画了一级液箱，实际为二级液箱）-12九实际系统的仿真： （已将液量与液位的关系用物理关系转化） . - 12 - 1 系统加入闭环反馈后的simulink 仿真 . - 12 - 2 加入闭环

3、后系统波形图. - 13 - 3 结果 . - 13 - 十、实际的实现方法. - 13 - 1.阀门用气动式开关. - 13 - 2.相应执行环节 . - 14 - 十一实践结论. - 14 - 十二小组分工 . - 15 - 十三 .实践总结 . - 15 - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 3 - 一.引言在自控创新实践中，我们选择了某生产过程中液容进行控制，通过对该液箱的开环控制传递函数来研究系统的

4、稳态特性，动态特性， 以及根据现有的知识液平来探究如何通过闭环系统来进一步调高系统的稳定性。通过查阅相关资料以及答疑，我们知道：计算机控制方法能够更加精确的控制液位，它是现代工业进行控制的主流技术，在计算机控制系统中可以实现自动化控制, 既节省人力资源又可以大大提高生产率。在答疑中，老师推荐我们闭环反馈用压电传感器。首先我们要确定总体方案：总体方案是只针对所设计的任务、要求和条件，根据已经掌握的知识和资料从全局着眼，将总体功能要求合理地发、分配给若干单元电路，并画出一个能够表示各单元功能和总体工作原理的框图。在分析比较各种资料的基础上，发挥自己的创造力，设想几种系统方案，从设计的合理性、技术的

5、先进性、运行的可靠性和制作的经济性等方面，分别进行技术论证和经济效益的比较，最后确定总体方案。二方案选择1 单回路控制方案说明：在对此典型控制系统的研究中，我们采用了最简单、最基本；应用最广泛、最成熟的单回路控制系统。 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不大，控制质量要求不很高的场合。在该题目的制作中，我们查阅了相关资料，知道单回路控制系统是指由一个测量变送器、一个调节器、 一个执行器连同被控过程组成的、对一个被控参数进行控制的反馈控制系统。2 对该系统的初步分析图 1，图 2 分别是单回路控制的原理图及系统工程图。单回路控制通过输出的反馈实现对输入

6、的控制， 控制方案简单； 因为生产实际对控制要求不是太高所以单回路控制可以满名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 4 - 足要求，被控对象是 B 罐的液位所以要选取液位高度 H 作为被控参数，为了使B罐的也为基本无差调节规律可以采用 PI 调节，最后根据系统对参数进行整定。三系统的建模1、原系统变化液位与开关阀门闭合程度关系表达式首先，我们需要建立输出液位与输入的微小变化q1 之间的关系，从而通过控制输入的变化来

7、调节液位的输出。分析被控对象：液位控制器执行阀液位过程检测变送器eu1q)(tf设 定 值实 际 液 位名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 5 - 某连续生产过程需要2 个生产罐，罐A、B 罐 A 直径 1.5 米，高 2 米，生产中为原料输入罐；罐 B 为生产罐，直径 2 米，高 2 米；两个罐依照自然落差进行安装。罐 A 底边距地 3 米， ，罐 B落地安装。 生产中罐 A 输入主要原料为液体，管径为 DN

8、=40；最大工艺流量8T/h ；调节阀P=0.09MPa。要求罐B 液位处于一个人为设定的高度。要实现对B 罐的控制有以下考虑: (1) 测量变送单元仪表的选择，显然采用深度测量比较简单，例如： 利用深度传感器对当前液位进行测量也是为了实现计算机控制进行A/D 转换。(2) 影响液位的因素： 进液量 Q+q2 以及排液量Q+q3 ，B罐为生产容器所以对A 罐进行控制比较合理 A罐可以有缓冲作用。在必要时可也可以对B 罐进行控制不影响生产情况下，所以在进行计算机控制时就要设计相应的控制优先级，根据实际情况进行控制。(3) 对于 A罐液要进行相应控制，只是不需要精确控制，只要不超过上限以及不影响B

9、罐需求的情况下即可。1Q A罐稳态液体输入分量2Q B 罐稳态液体输出分量q1箱 A的输入流量对稳态值的微小变化q2箱 B的输入流量对稳态值的微小变化q3箱 B的输出流量对稳态值的微小变化H1箱 A的稳态液面高度H2 箱 B的稳态液面高度h1箱 A液面高度对稳态值的微小变化h2箱 B液面高度对稳态值的微小变化R1 箱 A输出管的液阻R2箱 B输出管的液阻已知：流量 =液高 / 液阻，液箱的液容=液箱的横截面积，液阻=液面差变化 / 流量变化不考虑液箱的互相影响其确定输入量q1 与输出量 h2 之间的传递函数在微小的时间间隔dt 内，液箱的液体增量等于输入量减去输出量，即对于箱A，C1dh1=(

10、q1-q2)dt 根据液阻的定义，q2与 h1的关系为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 6 - 112Rhq当 R1 为常量时，从两式中消去q2可得111111qRhdtdhCR对式两边进行拉普拉斯变换，并假设初始条件为零，可得：)()()(111111sQRsHssHCR整理后可得：1)()(11111sCRRsQsH，同理，对箱B可得1)()(22222sCRRsQsH联立上述两式，消去中间变量，可以得到

11、系统的传递函数)1)(1()()(2211212sCRsCRRsQsH，可以看出此式为一个二阶系统。参数说明：根据已知可得：C1=1.77 ，C2=3.14 。对于液阻选择如下： （假设液位的变化不是很大，则各液阻可以看作是常量）R1=R2 =1带入数据可得：)114.3)(177.1(1)()(12sssQsH2 开环系统 matlab 仿真2.1 原系统：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 7 - 2.2

12、原系统输出波形结果：稳态误差Ess=0，调节时间ts=13.5s（3%的误差带）2.3 分析从前面仿真数据可以看出，液位h 的变化跟随流量的微小变化q 而变化，即输入有了一定波动， 则输出液位相应的做出变化，原系统不可能按照我们实际设想的既定液位保持不变，液位会一直随着输入或者输出的变化进行改变。即使原系统具有满意的动态响应特性，但是其稳定特性不能令人满意，可以通过在前向通道中串联一个适当的反馈装置来解决，通过改变开关的大小来控制输入的微小变化从而调节液位的高低与预设液位达到平衡。下面要做的就是对原系统加入反馈环节。因此， 为了保证液面不变，我们必须手动控制阀门的闭合，来是液面稳定在设计的高度

13、。其中， 流量变化 q1 的单位我们采用m3/s，液位 h 的变化我们采用m。则单位时间内，输入的液量变化为q1m3，液位变化为q1/C2，其中 C2 在前面已经给出，为3.14 ，故修改传递函数为：)114.3)(177.1(114.31)()(12sssQsH也就是说， 我们要通过手动控制阀门的变化来改变液位的高度，结果为输入一个单位阶跃响应的变化，液位改变0.318m（以我们所设的数值计算）。下面我们通过设置闭环反馈来自动的改变阀门的开度，使之满足要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

14、- - - - - 第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 8 - 四液位控制系统的工作原理1.建立加入反馈的液位控制系统模型：设计思想： 首先，设定一个预设液位，并在预设液位放置一个深度传感装置，再在液面放置一个深度传感装置，以测定实际液位，将两个深度传装置的返回信息转变为电信号，对两个电信号做比较， 可得出实际液位与预设液位之间的差别，产生一个差距电信号，传输到放大电路进行电信号的放大，然后传输到执行机构电动机，通过减速机构将机械转矩加到进液阀门，从而对进液阀门做出开大或者关小开关的处理。如此动态循环， 系统便能在很短的实际内到达新的平衡，达到预定液位。此处深度传

15、感我们采用连杆加浮球装置。2.系统结构图与流程图连杆，浮子给定液位实际液位液池阀门电位器放大器电动机减速器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 9 - 五、单位反馈的系统分析当连杆位于电位器中点位置时，浮子电压为零，电压差为零，所以电动机不动，控制阀门有一定的开度，使液箱中流入液量与流出液量相等，从而液面保持在希望高度上，此时我们称系统达到平衡状态。当连杆位于电位器中点位置偏上时，根据杠杆原理， 箱内液面下降，

16、此时电压差增大，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入液量大于出液量，箱内液面逐渐升高，从而渐渐达到平衡状态。当连杆位于电位器中点位置偏下时，根据杠杆原理， 箱内液面上升， 此时电压差减小，使电动机工作，而控制闸门的开度，使入液量小于出液量，箱内液面逐渐降低，从而渐渐达到平衡状态。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 10 - 六、自控数学模型的建立及其传递函数在前面的描述中，我们已知在本控制系统中，我们设Q1 为

17、进液量（平衡状态下的增量）， Q2 为出液量， Ho 为平衡时的B 罐液面高度， H 为液面实际高度（平衡状态下的增量） ，C 为 A，B 液箱的横截面积。1)电位计独立工作没什么意义， 我们把给定液面体现在电位器上，这就需要电位器和连杆，浮子一起工作，他们是一个整体。实际液面通过电位器，连杆，浮子得到电位值，与预设液位通过电位器的反馈值比较，因为电位器体现的是电压的大小，而我们通过杠杆原理还有浮子，将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系。Go（s）=Ku)(UH(S)S。2)电动机的数学模型设)(tu为输入的控制电压)(V，i电枢电流)( A,M为电机产生的主动力矩)(mN,

18、为电机轴的角速度)/(srad)()(tutRidtdiL查阅资料后，得知：)(2122rrmmeMdtdMTKuKdtdTdtdTT式中：RLT称为直流电动机的电气时间常数；mmKKJRT称为直流电动机的机电时间常数；KK11，KKRKm2为比例系数。直流电动机电枢绕组的电感比较小，一般情况下可以忽略不计，上式可化简为rmMKuKdtdT21对上式取拉氏变换，设初始条件为零，令K1=1，得电动机传递函数：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 16 页 - -

19、 - - - - - - - - 11 - )1(1)(sTssGmm3) 阀门处得数学模型此环节传递函数11s)()(KsQsGv（3)液池液面变化的数学模型由于有出液口，影响液箱内液面的除了入液量，还有出液量。当液流为层流时，系统是线性的；基于系统是线性的或者是线性化的这一假设，可以求得系统的微分方程。当 Q1=Q2 时， H=Ho ；当 Q1 不等于 Q2 时，液面的高度H 也会发生变化，其变化率与流量差Q1-Q2 成正比，此时有)02()01(QQQQdtdHc于是液池的微分方程为21QQdtdHF取：HKQM2因为在微小时间间隔dt 内，容器内存储的液体增量等于输入量减去输出量。则液

20、池的微分方程可表示为：HKQdtdHFM1设 T=MKF，1RK111)()()(1cTSTsKsQsHsGR七、传递函数)()(sHsHio的汇总总的动态结构图模型如下：实际液位给定液位11Tss11sTkmu1K名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 12 - 所以，总的传递函数)()(sHsHio为： （即实际液位与已知液位的传递关系) umkkTssTsKusHsHsG10c)1)(1(14.31)()(

21、)(八液箱控制系统现实仿真（为简化画图， 只画了一级液箱）九实际系统的仿真：（已将液量与液位的关系用物理关系转化）1 系统加入闭环反馈后的simulink仿真名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 13 - 2 加入闭环后系统波形图3 结果Ts=6.92s 原系统的 13.5s （3% 的误差带），最终稳态液位c=0.3185m，与原系统符合。十、实际的实现方法1.阀门用气动式开关气动式开关作用： 接受调节器输出

22、的控制信号，经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移，来改变调节机构（调节阀）的流通截面积， 以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 14 - 2.相应执行环节气开式：当压力信号超过一定值的时候，阀开始打开，即有气则开。十一实践结论在原始的二级液箱系统中，生产用液箱的液位高度随缓冲液箱的输入液量的变化而变化， 输入液量采用人工手动的方式调节，此

23、种调节方式主要有两个问题，一是， 调节不精确。人工操作不可能像数学计算一样完全能够精确到一个定值，所以输入的液量就有微小变化，达不到生产的要求。二，操作不方便。原系统中， 如果要把液位改变到另外一个值，就得靠非常有经验的技术员来控制阀门的开度， 以及开的时间， 等等还得随时观察液位的变化来调节阀门开度，可见很是麻烦。在改进后的系统中，采用自动控制的技术，很好的解决了原始系统中存在的问题，一者， 通过自动控制，能够使输入液量达到一个精确值。二者，可以很方便的设定一个欲调节的液位， 然后控制系统就能自动的调节调节实际液位到预设液位，可使操作变得很方便简单。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

24、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 15 - 十二小组分工组长：杨博文负责课题的确定，查找相关的资料，对单位反馈系统的的分析及建模以及参数的选择，最后的校验工作。组员：董朋主要做一些matlaB 的系统仿真，数据的处理工作，以及最终文档的编辑总结工作。组员：王玮收集资料， 找出一些其他的类似系统做比较，找出值得借鉴的研究方法在我们自己的系统中做补充，完善我们的研究。十三 .实践总结我们做这个自动控制的仿真，最初只是简单的确定了这个题目，却没有找到具体

25、的仿真项目，我们先是想仿真课本上的直流电动机速度控制系统，因为课本上给出了完整的系统结构图和传递函数等，就可以简化我们的工作量，但我们认为， 如果我们只是照着书上写好的东西做一遍仿真， 那我们就不会有太多的收获，最多只是熟悉一下课本，不会对自己研究一个东西有什么深层次的认识。然后我们就着眼于实际生产中用的比较多的液箱控制系统，这个系统很具有典型二级系统控制的特性， 对我们的所学有很大的帮助。但我们在工作的最初却遇到了不少的问题，最初我们没太理解自动控制的思想，也只是一味的模拟了一下二级液箱的自发状态下液位变化与输入液量的关系。经历过几次答疑后，陆老师给我们指出了我们应该做的工作重心，不是原始系

26、统的模拟，而是把它改进成一个自动控制、能够自动调节液位的系统。还指出了我们的一些错误，比如说我们只做了纯数学上的模拟，没有转化为物理上的液位与液量的关系，等等经过再次的修改， 我们借鉴了陆老师磁悬浮小球的设计方法，知道我们这次设计的控制系统不单单是一个伺服控制系统，我们要根据预期的液面来调整控制系统，这与我们平时自控课本上学习到的随动系统有着很大的差别。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - - 16 - 我们把开始

27、做的微小变化量q 等效成阀门的变化，通过进一步思考，我们知道了如何通过实际液面与设定液面的差值来选择阀门的开关角度。但我们这次创新实践也有很多不足。首先，起初我们查阅资料时知道用AD ，DA转换可以将我们设计的模型付诸实际，还有用 matlab 动画仿真可以更清晰的看出我们的动态过程，但由于所学知识的关系，我们尽管做了一定的努力，最终也没有形成实物。总之， 通过这次实践， 我们小组成员都或多或少的学到了不少东西，对自动控制的思想也都深入了不少。总之，这次实践是一次很有意义的实践。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - -