【正文】 部操縱，可將其看成一個(gè)擾動(dòng)量。 7 圖 1 水箱系統(tǒng)的工藝過(guò)程原理圖 根據(jù)圖 1 的原理圖和圖 2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，對(duì)單容水箱系統(tǒng)建模 調(diào) 節(jié) 器調(diào) 節(jié) 閥 水 槽測(cè) 量 變 送U gU f+高 度出 水 閥 系 數(shù)+ 圖 2 水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖 表 1 水箱液位系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 參數(shù) 參數(shù)意義 參數(shù)值 1 參數(shù)值 2 參數(shù)值 3 參數(shù)值 4 K 閥體流量比例系數(shù) 10 12 0h 水箱初始液位高度（ m ） 2 A 水箱截面積（2m ） 10 1 2 可借 助 Simulink 搭建系統(tǒng)的仿真模型，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)分析，得出相關(guān)結(jié)論，然后引出閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，決定采用何種控制器。 成績(jī)?cè)u(píng)定： 平時(shí)表現(xiàn) 30%，設(shè)計(jì)成果 40%，答辯表現(xiàn) 30%。 7．構(gòu)成 水箱液位 閉環(huán)無(wú)靜差系統(tǒng)，并測(cè)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和提出改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足 σ%≤10%， pt ＜ 秒 ，靜態(tài)誤差小于 2%。 學(xué)習(xí)并掌握 Matlab 的使用方法，學(xué)會(huì)用 Matlab 仿真。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數(shù)，控制方式采用了 PID 算法，調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 本文主要是對(duì)一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、 PID 算法、Matlab 仿真、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列 的知識(shí)。 通過(guò)對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解書(shū)本知識(shí)，提高實(shí)踐能力，增強(qiáng)分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力。 6．比較開(kāi)環(huán)時(shí)和閉環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。引入閉環(huán)控制，將設(shè)計(jì)好的控制策略實(shí)現(xiàn)其中，根據(jù)實(shí)際響應(yīng)效果調(diào)整參數(shù)直至最優(yōu)，并記錄數(shù)據(jù) 4．主要參考文獻(xiàn) 薛定宇 .反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 .北京 :清華大學(xué)出版社 ,20xx. 飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心 .MATLAB 7 輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 .北京 :電子工業(yè)出版社 ,20xx. 胡壽松 .自動(dòng)控制原理 .4 版 .北京 :科學(xué)技術(shù)出版社 ,20xx. 白繼平，徐德輝 . 基于 MATLAB 下的 PID 控制仿真【 J】 .中國(guó)航海， 20xx（ 4）： 7780. 徐亞飛，劉官敏，高國(guó)章等 .溫箱溫度 PID 與預(yù)測(cè)控制 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) .(28):554557. 5 5．課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排 起 止 日 期 工 作 內(nèi) 容 12 月 16 日 12 月 17 日 12 月 18 日 12 月 20 日 12 月 23 日 12 月 24 日（上午） 12 月 25 日（下午） 12 月 26日（上午） 12 月 27 日（下午） 認(rèn)識(shí)系統(tǒng)構(gòu)成和原理分析 數(shù)學(xué)建模 控制策略研究和仿真 實(shí)物接線(xiàn)和調(diào)試 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì) 計(jì)算書(shū) 及 資料整理撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū) 及 資料整理 答辯 6．成績(jī)考核辦法 考核方法：平時(shí)表現(xiàn)，設(shè)計(jì)成果，答辯表現(xiàn)。對(duì) “水箱系統(tǒng) ”的液位控制問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真和透徹的研究，對(duì)從事自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，具有很要的意義，圖 1 是水箱液位控制的原理圖。 改變輸入信號(hào)，將階躍信號(hào)分別換成方波信號(hào)，信號(hào)的周期設(shè)置為 4s，幅值為 5V。 綜上所述，該系統(tǒng)的各性能指標(biāo)很好的滿(mǎn)足了要求，并較只加比例 環(huán)節(jié)時(shí)與各項(xiàng)性能要求十分接近，所以系統(tǒng)在合理范圍內(nèi)會(huì)得到更優(yōu)的圖形。 設(shè)計(jì)設(shè)備 1． ACCCI 型自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置； 2．?dāng)?shù)字式萬(wàn)用表； 3. 示波器。這里給出一組參考的設(shè)計(jì)參數(shù)，僅供參考，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中需聯(lián)系實(shí)際的控制對(duì)象進(jìn)行參數(shù)的試湊，以 達(dá)到預(yù)定的效果。調(diào)節(jié)反饋系數(shù) ?=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的 液位高度 H。 （ 2） 加入擾動(dòng)時(shí)水箱液位系統(tǒng)的自動(dòng)控制 試驗(yàn)條件：輸入信號(hào)為 +5V 穩(wěn)定電壓； 0 102RK??, 1 102RK??, 2 102RK??, 3 100RK??, 4 ??, 101iRK??，102fRK??， 1fiRR? ； 水箱出水閥門(mén)一直保持一個(gè)很小的開(kāi)度（從注水之初保持一個(gè)恒定擾動(dòng)） Ⅰ .純比例環(huán)節(jié) ① C=0， 5 330RK??, 53330 3 .3100P RK R? ? ? 27 圖 34 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) ② C=0， 5 510RK??, 53510 5 .1100P RK R? ? ? 圖 35 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 結(jié)論： 5R 不同而變化， 5R 增大則上升時(shí)間縮短 ，水箱的穩(wěn)定液位降低，上升時(shí)間也變長(zhǎng)了 Ⅱ .純積分環(huán)節(jié) ① C=1 F? ， 5 510RK??， 5 R C s?? 圖 36 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) ② C=10 F? ， 5 510RK??, 5 R C s?? 28 圖 37 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 結(jié)論： ，電容增大則上升時(shí)間縮短 ，上升時(shí)間明顯變長(zhǎng)，所以擾動(dòng)將增加上升時(shí)間 Ⅲ .比例積分環(huán)節(jié) C=10 F? ， 5 330RK??， 53330 3 .3100P RK R? ? ?， 5 R C s?? 圖 38 階躍響應(yīng)曲線(xiàn) 結(jié)論： ，在開(kāi)始時(shí)比例環(huán)節(jié)起著較強(qiáng)的作用，水位上升的趨勢(shì)非常明顯，但當(dāng)水位趨于給定值時(shí)，比例環(huán)節(jié)作用減弱，積分環(huán)節(jié)作用加強(qiáng)，系統(tǒng)誤差受到積分環(huán)節(jié)的控制與影響。 5．改變給定信號(hào)，觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。 需要 注意 的是， 運(yùn)放的鎖零信號(hào) G 接到－ 15V。 PID 調(diào)節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后作為水泵的工作電源，從而控制水的流量。 將以上參數(shù)帶入結(jié)構(gòu)圖中驗(yàn)證，如下圖所示： 圖 25 PID 參數(shù) 21 圖 26 PID 校正后的階躍輸出響應(yīng)曲線(xiàn) 可以看到，與只有 PI 校正時(shí)的 ,P i dK K K 總體相近。所以，一般不單獨(dú)加比例環(huán)節(jié)進(jìn)行校正。 繪制出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)，分析系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，得到相關(guān)性能指標(biāo)。 本論文 利用 PID 算法在 matlab 中進(jìn)行仿真并講解實(shí)物搭接效果，具體如下： 利用指導(dǎo)書(shū)中推導(dǎo)的模型和實(shí)際的參數(shù)，建立水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行線(xiàn)性化； 構(gòu)成 水箱液位 閉環(huán)無(wú)靜差系統(tǒng)，并測(cè)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和提出改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足 σ%≤10% ， pt ＜ 秒 ，靜態(tài)誤差小于 2%； 通過(guò)在 matlab 編程中求取合適的反饋?zhàn)兞?K,然后與仿真模型結(jié) 合構(gòu)成最優(yōu)控制的水箱液位系統(tǒng)，通過(guò)圖形分析是否滿(mǎn)足