1、 1 一、液位控制系统的原理分析 1.1 水箱液位控制系统的原理框图 本次课程设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单的控制系统， 所谓简单 液位控制系统通常是指有一个被控对象， 一个检测变松单元一个控制器和一个执 行器所组成的单闭环负反馈控制系统，也成为单回路控制系统。 简单控制系统有着共同的特征，他们均有四个基本环节组成，即被控对象， 测量变送装置，控制器和执行器。对不同对象的简单控制系统尽管其具体装置与 变量不相同，但都可以用相同的方框图表示： 图 1 控制系统方框图 这是单回路水箱液位控制系统， 单回路调节系统一般指在一个调节对象上用 一个调节器保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量
2、信号，其输出也只控 制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务 是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单 回路液位控制，采用工业智能仪表控制。 1.2 被控过程传递函数的一般形式 根据被控过程动态特性的特点， 典型工业过程控制所涉及及被控对象的传递 函数一般具有下述几种形式 2 1 一阶惯性加纯迟延 s e Ts k sG 1 )( 11 2 二阶惯性环节加纯迟延 s e sTsT K sG )1)(1( )( 21 )21( 3 N 阶惯性环节加纯迟延 s n e Ts K sG )1( )( )31( 上述 3 个公式只适用于自衡过
3、程。对于非自衡过程，其传递函数应包含有一 个积分环节，即 s e Ts sG 1 )( )41( s e sTsT sG )1( 1 )( 21 )51( 二、建立被控对象数学模型 2.1 求传递函数 根据阶跃响应的实验数据如表 1 t/s 0 10 20 40 60 80 100 140 h/m 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 t/s 180 250 300 400 500 600 700 800 h/m 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20 表 1 阶跃响应数据 3 使用 Matlab 编辑.m 文件，得出阶跃响应曲线。Matl
4、ab 程序如下： t = 0 10 20 40 60 80 100 140 180 250 300 400 500 600 700 800; h = 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 8.8 11.8 14.4 16.5 18.4 19.2 19.6 19.8 20; plot(t,h) grid on hold on 得到阶跃响应曲线再取 0.39 和 0.62 处的 t 值如图 2、图 3 图 2 阶跃响应曲线（1） 4 图 3 阶跃响应曲线（2） 2.2 计算传递函数并仿真 由图 1 图 2 可知，在 0.39 和 0.62 处的 t 值分别为 128.2 和 201.7
5、根据=2t（0.39y(无穷)-t（0.63y(无穷） ） T=2t（t（0.63y(无穷）-t0.39y(无穷)） 可得出 K=1、=55、T=147 从而得到传递函数为 S e S sG 55 1147 1 )( 对该对象进行仿真如图 4、图 5： 5 图 4 原系统 simulink 结构图 图5 阶跃响应曲线 6 三、控制系统参数的整定及 MATLAB 的数字仿真 3.1 选择控制方案 选择 PID 单闭环控制，其控制原理图 6 如下： 图 6 控制系统原理图 通过调节)(sG c 中的 PID 参数使得广义对象的特性改善，减少调节时间。 3.2 参数整定计算 建立对象的 simuli
6、nk 模型，仿真如图 7： 图7 simulink 模型 Q Y U M Y E R _ )(sG c )(sG v )(sG p )(sG m 7 通过调节控制器中的 PID 参数，使调节时间减小，并且速度提升的前提下超 调小于 25%，且使稳态无差。 采用等幅振荡曲线法整定计算 PID 参数当35.8，100 1 T,25 D T时得等 幅振荡曲线如图 8 图 8 等幅振荡曲线 此时 P=0.12，I=0.01，D=25，将三个数据带入 PID 调节器中得到图9 图9 PID 整定曲线（1） 由图可知 超调量 P 25%,继续调节 PID 参数 I=0.005 时得到图 10， 由图可 知超调量 P 25%。 8 图10 PID 整定曲线（2） 四、系统调试、性能分析 （1）超调量=22% （2）峰值时间： f t=0.7S （3）过渡过程时间 s t=1.8S （4）余差 y=1-1=0 （5）第一个波峰值 y1=0.22 （6）第二个波峰值 y
