自動控制設(shè)計(自動控制原理課程設(shè)計)[學(xué)術(shù)參考]

1、自動控制原理課程設(shè)計本課程設(shè)計的目的著重于自動控制基本原理與設(shè)計方法的綜合實際應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：古典自動控制理論（PID）設(shè)計、現(xiàn)代控制理論狀態(tài)觀測器的設(shè)計、自動控制MATLAB仿真。通過本課程設(shè)計的實踐，掌握自動控制理論工程設(shè)計的基本方法和工具。1 內(nèi)容某生產(chǎn)過程設(shè)備如圖1所示，由液容為C1和C2的兩個液箱組成，圖中Q為穩(wěn)態(tài)液體流量，為液箱A輸入水流量對穩(wěn)態(tài)值的微小變化，為液箱A到液箱B流量對穩(wěn)態(tài)值的微小變化，為液箱B輸出水流量對穩(wěn)態(tài)值的微小變化，為液箱A的液位穩(wěn)態(tài)值，為液箱A液面高度對其穩(wěn)態(tài)值的微小變化，為液箱B的液位穩(wěn)態(tài)值，為液箱B液面高度對其穩(wěn)態(tài)值的微小變化，分別為A，B兩液槽的出水

2、管液阻。設(shè)為調(diào)節(jié)閥開度。已知液箱A液位不可直接測量但可觀，液箱B液位可直接測量。圖1 某生產(chǎn)過程示意圖要求1. 建立上述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2. 對模型特性進(jìn)行分析，時域指標(biāo)計算，繪出bode,乃示圖，階躍反應(yīng)曲線 3. 對B容器的液位分別設(shè)計：P，PI，PD，PID控制器進(jìn)行控制；4. 對原系統(tǒng)進(jìn)行極點配置，將極點配置在1j和1j；（極點可以不一樣）5. 設(shè)計一觀測器，對液箱A的液位進(jìn)行觀測（此處可以不帶極點配置）；6. 如果要實現(xiàn)液位h2的控制，可采用什么方法，怎么更加有效？試之。用MATLAB對上述設(shè)計分別進(jìn)行仿真。（提示：流量Q=液位h/液阻R，液箱的液容為液箱的橫斷面積，液阻R=液面差變

3、化/流量變化。）2雙容液位對象的數(shù)學(xué)模型的建立及MATLAB仿真過程一、對系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模如圖一所示，被控參數(shù)的動態(tài)方程可由下面幾個關(guān)系式導(dǎo)出：液箱A：液箱B：消去中間變量，可得：式中，兩液槽的容量系數(shù)兩液槽的出水端阻力第一個容積的時間常數(shù)第二個容積的時間常數(shù)_雙容對象的放大系數(shù)其傳遞函數(shù)為：二對模型特性進(jìn)行分析，繪出bode,奈氏圖，階躍反應(yīng)曲線當(dāng)輸入為階躍響應(yīng)時的Matlab仿真：令T1=T2=6；K=1單位階躍響應(yīng)的MATLAB程序：num1=1;den1=36 12 1;G1=tf(num1,den1);figure(1);step(G1);xlabel(時間(sec);ylabel(輸出

4、響應(yīng));title(二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng));step(G1,100);運行結(jié)果如下：階躍反應(yīng)曲線：圖1c()=1;c(tp)=1;tp=45.5s;td=10s; ts=45.5s;最大超調(diào)量：(tp)= c(tp)- c()/ c()*100%=0%穩(wěn)態(tài)誤差分析：開環(huán)傳遞函數(shù)，穩(wěn)態(tài)誤差；用MATLAB繪制的奈氏圖如下圖2所示，其程序如下：nyquist(1,conv(6 1,6 1)圖2在工程實踐中，一般希望正相角裕度r為4560,增益裕度KdB,即K。當(dāng)系統(tǒng)為單位負(fù)反饋時的ode圖：用MATLAB繪制的奈氏圖如下圖3所示，其程序如下： sys=tf(1,conv(6 1,6 1);marg

5、in(sys);figure圖3三：對B容器的液位分別設(shè)計：P，PI，PD，PID控制器進(jìn)行控制PID控制的原理和特點 (1)P控制：取P=9;I=0;D=0;（2）PI控制：P=6，I=0.4，D=0；（3）PD控制：P=9，I=0，D=5；（4）PID控制：P=5，I=0.3，D=4； 四系統(tǒng)極點配置在-1+j; -1-j 根據(jù)傳遞函數(shù)得微分方程 令得狀態(tài)方程輸出：極點配置：令K=1; T1=T2=2; 用MATLAB確定狀態(tài)反饋矩陣K，使得系統(tǒng)閉環(huán)極點配置在（-1+j,-1-j）,程序如下：A=0 1;-0.25 -1;B=0;1;P=-1+j;-1-j;K=place(A,B,P)運行

6、結(jié)果為K =1.7500 1.0000仿真：仿真圖五設(shè)計一觀測器，對液箱A的液位進(jìn)行觀測l 建立狀態(tài)觀測器：根據(jù)傳遞函數(shù)得微分方程 令得狀態(tài)方程輸出：全維觀測器的建立：令，得期望特征式：對比1式和2式，得得所以全維狀態(tài)觀測器得方程是本實驗中，需觀測的狀態(tài)為水箱A溶液的液位，建立數(shù)學(xué)模型R1=R2=1; c1=c2=1;令狀態(tài)觀測器的極點為（-6-j,-6+j）設(shè)計此給定系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的MATLAB程序如下A=-1 0;1 -1;B=1 0;C=1 1;A1=A;B1=C;C1=B;P=-6-j -6+j;K=acker(A1,B1,P);G=K運行結(jié)果為G = 26 -16仿真：仿真圖：六、如果要實現(xiàn)液位h2的控制，可采用什么方法，怎么更