青岛滨海学院毕业设计水箱水位控制系统设计一、系统结构原理1.1自动控制系统的组成（1）自动控制系统由控制对象和制动控制设备组成。即由控制 对象、传感器、控制器和执行器所组成的闭环控制系统。（2）所谓控制对象是指所需控制的机器、设备、或生产过程。（3）被控参数是所需控制和调节的物理量或状态参数化，即控 制对象的输出信号，如房间温度、水箱水位。（4）被控参数的预定值（或理想值）称为给定值（设定值）。 给定值与被控参数的测量值之差称为偏差。（5）扰动是指除给定输入之外，对系统的输出有影响的信号的 总称。（6）传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理量信号 （如电阻、电势、电流、气压、位移）的元件或仪表，如热电阻、热 电偶等，如果传感器所发出的信号与后面控制所要求的信号不一致 时，则需要增加一个变送器，将传感器的输出信号转换成后面所要求 的信号。（7）控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据 比较结果的偏差大小，按照预定的控制规律输出控制信号的原件或仪 表。（8）执行器是动力部件，它根据控制器送来的控制信号大小改 变调节阀的开度，对控制对象施加控制作用，使被控参数保持在给定值。1.2水箱水位结构原理水箱尺寸：长X宽X咼=25X20X40 cm 3液位控制系统由被控水箱1、蓄水箱2液位检测仪表差压变送器LT、调节器LC、调节阀等组成。图1水箱水位自动控制原理图二、系统控制要求及指标2.1 水箱水位的控制要求：液位L=30cm(可任意设置)稳态误差ess (余差)W 土5mm过度时间tsW4分钟衰减比n4:l2.2 对自动控制控制系统的基本要求：(1) 稳定性：稳定性是对控制系统最基本的要求。所谓系统稳定， 一般指当系统受到扰动作用后，系统的被控制量偏离了原来的平衡状 态，但当扰动撤离后，经过若干时间，系统若仍能返回到原来的平衡 状态，则称系统是稳定的。(2) 准确性：给定稳态误差和扰动稳态误差越小，表示稳态精度 也越高。(3) 快速性：控制系统不仅要稳定和并有较高的精度，而且还要求 系统的响应具有一定的快速性，对于某些系统来说，这是一个十分重 要的性能指标。有关系统响应速度定量的性能指标，一般可以用上升 时间、调整时间和峰值时间来表示。自动控制的基本要求是它的稳定性。稳定性是指自动控制系统在 外界干扰作用下，过度过程能否达到新的稳定状态的性能，系统的稳 定程度用衰减比 n 或衰减率来衡量。衰减比 n 是衡量过度过程稳定性的动态指标，它是指过度过程曲 线第一个波峰值与同相位第二个波峰值之比。用衰减比n判断控制系统是否稳定及克服干扰恢复平衡的快慢 程度。NV1时，系统为发散震荡，不稳定；n=l时，系统为等副震荡, 也不稳定；n1时，系统为衰减震荡，是稳定过程。N太大，系统不 灵敏，所以系统要工作在正常状态下，一般n二410时。三、对象特征的求取3.1理论分析计算法液位高度L为输出变量，入水流量Q1为输入量。由物料平衡原理Q1 - Q 2 = A叫A:水箱截面积dt增量式：AQ1-AQ 2 = A-dALdAt1)2)定义：R液阻可求得：AdL+AL=aqi dt RLK放大倍数RRAS +1Ts +1时间常数T = RA3.2实验测定法初始稳定状态时DTL=3.5mA Q2=0.65kg/mmLl=15.7cm输入阶跃变化则DTL=5mA响应曲线如下图：mAI牛53.5t测得数据如下：L2=25cmQ2=0.91kg/minQ2max=1.5kg/minL=30cmQ=1.1kg/min可求得：_ 0.362cm min/ kg _ KAL _ 25 -15.7ZQ2_ 0.91-0.65T二AR=0.2X0.25X0.362=18 分钟对象特性传递函数为：G _卫竺为一阶惯性环节（s） Q118s +1（s）四、控制方案确定4.1理论确定如图示，系统中信号沿箭头方向前进，最后又回到系统原来的起点， 形成一个闭合回路，这种系统叫做闭环控制系统。在此闭环系统中， 系统的输出信号是被控参数，它通过传感器（测量元件）这个环节再 返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种将系统的输出信号引 回到输入端的过程叫做反馈。被控参数的测量值称为反馈信号。反馈 信号使系统原来的输入信号减弱的为负反馈；反之为正反馈。正、负 分别用“+”和“-”表示，用“。”代表比较器。当系统的被控参数受干扰而上升（或下降）时，我们希望通过控 制使其尽快地回到给定值。如果采用正反馈，由于反馈的增强输入信 号的控制，结果只能使被控制参数越升越高（或月降越低），使偏差越来越大。这在自动控制系统中是不能允许的。一般米用负反馈。4.2闭环系统原理方框图选择单回路闭环控制系统即可满足控制要求（如图1）方框图如下:图水毎水位自动控制系统方杠图闭环控制系统是利用负反馈的作用来减小系统误差的。当输出量偏离 期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响，从而使系 统具有自动修正被控制量偏离的能力，减小系统误差，较好地实现了 自动控制的功能。五、仪表选择及传递函数求取选择DDZ11（电动单元组合仪表）信号为统一标准010mA（DC）5.1 调节器 DTL321P=1200%Ti=0200sToc=0300s52伺服放大器、调节阀ZPE1电动伺服放大器 ZAZ电动调节阀其放大倍数K=翌=Q max - Q min =兰=o5kg 加人vAZIm ax - Im in105.3差压变送器 DBC433其放大系数K = 25 mA / cmm AL 0.4六、系统的组成及方框图 液位控制系统工作原理（如图1） 经过适当的调试，使系统的参数保持在一定的数值，当控制阀门保 持一定的开启度，使水箱中的进水量Q1与出水量Q2相等，从而使水 位保持在希望的高度上。当流入水量或流出水量发生变化，水箱中液位也会发生变化，通 过检测装置测量值的变化，再有控制器和执行器的共同作用，使水箱 水位保持在预定值。如当液面上升时，变送器的测量值升高，比较器得出的偏差传送 带控制器，控制器按照预定的控制规律，使执行器减小阀门的开启度， 使进水量Q1小于出水量Q2,从而使水位下降，检测压力也随之下降， 直到压力回到给定的位置。系统重新处于平衡状态，液面恢复给定的 高度。反之，若水箱的液位下降，则系统会自动增大阀门的开启度，加 大进水量，使液位上升到给定的高度。七、系统性能分析与调节器参数整定7.1性能分析液位系统的输入信号，即主要扰动为用水量Q2的变化，取正常 用水量Q2有20%的变化为输入信号。未校正时其稳定误差，可由终值定理求出：F A0.362 x 1.1 x 0.21 + K01 + 0.362 x 0.15 x 25ss=0.34mm2.036不满足余差要求。过的时间ts约为常数T的34倍:Ts=(34) X 18=(5472)分钟ts=4分钟不满足要求,必须加入校正，整定调节器参数。7.2调节器参数整定一阶惯性环节，只需比例调节即可 干扰作用下的闭环传递函数:LF(s)0.362/18s +11 + K x 0.15 x 25 xp036218s +10.362/J8s +11 +1.36 K /18s +10.362/1.362 K +1181.362 Kp-s + 1181.36 K +1校正后时间常数：般 ts=(34) T现要求tsW4分取 ts=4 T 解得：k 12.5p 5mm=0.005必须：4x畀1.36K +1p由稳态误差公式：0.362x1.1x0.2e =ss 1+0.36212.5p即调节器比例度：PW0.08=8%液位系统接线图以及系统的调试81 液位系统的接线图：+3I541262734ZAZDBC亿图试用版XWD121920记录仪1112121920DTL123456789101112ZPE液位系统连接线图 亿图试用版8.2 水箱液位系统的调试经过我们小组的共同努力，最终终于完成了水箱液位系统的制 作，在接下来的时间里，我们针对这个系统进行了性能测试，8.3 调试过程中出现的问题及其解决方案 在测试的过程中，发现水箱液位的灵敏度出现了问题。测量的准确度出现了偏差，经过研究发现，是液位计的安装位置无法确保信号 的传输。最后我们采用了新的实施方案，从根本上解决了在调试过程中出 现的问题。使得水箱液位控制系统的准确度提升了一个新的高度。总结在这次设计的制作过程中，我们分了四个阶段，第一阶段：我们收集相关的资料，把在制作过程中所需要的原件， 进行统一整理，以备下一阶段的采购；第二阶段：针对以上的材料准备，我们分工明细，一起购买在设 计中所需要的物件。第三阶段:在所有的物件都准备齐全以后，我们开始了水箱液位 系统的制作过程，我们在高老师的指导下，不断的发现问题，解决问 题。最终基本完成了制作任务；第四阶段：我们整理了与制作相关的资料，对本次制作过程中花 费进行了清算，最后全身心的去写作毕业论文。在本次的制作过程中，学会了如何去设计一个项目，如何去完成 一个项目。让我从中学到了好多在书本上接触不到的东西。使我受益 匪浅。致谢本次论文的写作是在高老师的指导下进行的。针对在写作过程中 遇到许多的难题，包括技术上和理论中难以理解的部分，高老师都给 认真的解释，为此，向高老师表示最衷心的谢意。我们小组在设计水箱液位控制系统的设计中，互相配合，相互协 作，学会去发现问题，解决问题。遇到不明白的问题都积极的去询问 老师，或者去找寻相关的资料。从中感受到了团结合作的力量，每一 个人在我们的设计过程中，都担当了非常重要的角色。也要感谢在制 作过程中给予我们帮助的院级领导和同学们。这次毕业设计使我们有机会把我们的课堂理论知识运用到实际 生活中，贴近生活，实现我们的人生价值。并且通过对知识的综合利 用，加入个人的分析和比较，加深了了我们对理论知识的理解和运用。从这次毕业设计的制作过程中，让我深切的领会到想要在激烈的 社会竞争中占领自己的一块领地，必须要把自己的闪光点，发挥出来， 并不断的改正自己的缺点，完善自己的能力，以更好的一面去面对社 会。在以后的学习工作过程中，我会虚心的接受师傅们对我的教导， 好好的工作，发扬我们学校吃苦耐劳的精神，做有一个合格的滨海毕 业生。参考文献1 自动控制原理梅晓榕主编 2007年2月第二版2 自动控制原理唐育正主编 2008年7月第一版3 制冷与空调装置