自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)2013

1、自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：鄧曉剛指導(dǎo)教師：鄧曉剛 張欣張欣 王樹斌王樹斌 盛立盛立2013年7月分組情況與時(shí)間安排分組情況與時(shí)間安排 分組情況分組情況 第第1組組 （自（自1001、自、自1002、自、自1005前前14號(hào)）號(hào)） 第第2組組 （自（自1003、自、自1004、自、自1005其他同學(xué)）其他同學(xué)） 時(shí)間安排時(shí)間安排 7月月1日，任務(wù)布置日，任務(wù)布置 7月月2-19日，仿真、實(shí)驗(yàn)、檢查、報(bào)告日，仿真、實(shí)驗(yàn)、檢查、報(bào)告 上午上午8:00 11:30：第：第1組組 下午下午2:00 5:30：第：第2組組總體任務(wù)要求總體任務(wù)要求任務(wù)任務(wù)I I、經(jīng)典控制部分、經(jīng)典控制部分雙容水箱系統(tǒng)的

2、建模、仿真、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)的建模、仿真、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)任務(wù)二、現(xiàn)代控制部分任務(wù)二、現(xiàn)代控制部分雙容水箱系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱系統(tǒng)雙容水箱系統(tǒng)實(shí)際水箱系統(tǒng)介紹實(shí)際水箱系統(tǒng)介紹實(shí)過(guò)程實(shí)驗(yàn)室GK06是由兩個(gè)水箱和一個(gè)調(diào)節(jié)器構(gòu)成的，上下兩個(gè)水箱由閥門控制開(kāi)度，入口流量由調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度所決定，被控變量是下水箱的液位。雙容水箱系統(tǒng)示意圖雙容水箱系統(tǒng)示意圖任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制具體任務(wù)具體任務(wù)1 1、二階水箱液位對(duì)象機(jī)理模型的建立、二階水箱液位對(duì)象機(jī)理模型的建立用機(jī)理建模（白箱）方法建立系統(tǒng)

3、機(jī)理模型用機(jī)理建模（白箱）方法建立系統(tǒng)機(jī)理模型對(duì)機(jī)理模型進(jìn)行線性化，分析線性化模型的適用場(chǎng)合對(duì)機(jī)理模型進(jìn)行線性化，分析線性化模型的適用場(chǎng)合任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制2 2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法辨識(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立、通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法辨識(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立用試驗(yàn)建模（黑箱）方法辨識(shí)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型用試驗(yàn)建模（黑箱）方法辨識(shí)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型二階水箱仿真軟件二階水箱仿真軟件真實(shí)二階水箱系統(tǒng)真實(shí)二階水箱系統(tǒng)通過(guò)仿真分析模型辨識(shí)的效果通過(guò)仿真分析模型辨識(shí)的效果對(duì)比辨識(shí)模型特性與實(shí)驗(yàn)曲線的相似程度對(duì)比辨識(shí)模型特性與實(shí)驗(yàn)曲線的相似程度分析造成辨識(shí)誤差的原因分析造成辨識(shí)誤差的

4、原因?qū)Ρ葯C(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模的結(jié)果，分析造成偏差的原對(duì)比機(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模的結(jié)果，分析造成偏差的原因因任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制3 3、二階水箱系統(tǒng)的物理模擬、二階水箱系統(tǒng)的物理模擬 根據(jù)建立的二階水箱液位對(duì)象模型，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控根據(jù)建立的二階水箱液位對(duì)象模型，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱上利用電阻、電容、放大器的元件模擬二階制實(shí)驗(yàn)箱上利用電阻、電容、放大器的元件模擬二階水箱液位對(duì)象。水箱液位對(duì)象。1/12120CsRRRTsKUUi任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制4 4、控制系統(tǒng)構(gòu)建、控制系統(tǒng)構(gòu)建I I：數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通

5、訊：數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通訊學(xué)會(huì)通過(guò)學(xué)會(huì)通過(guò)NI USB-6008NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集卡和OPCOPC通訊技術(shù)構(gòu)建通訊技術(shù)構(gòu)建控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。OPC協(xié)議協(xié)議 OPC技術(shù)是技術(shù)是OPC基金會(huì)組織制定的工業(yè)控制基金會(huì)組織制定的工業(yè)控制軟件互操作性規(guī)范，也是微軟為了把軟件互操作性規(guī)范，也是微軟為了把Windows應(yīng)用于控制系統(tǒng)和控制界共同推出的一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)和控制界共同推出的一項(xiàng)技術(shù)。它以微軟的。它以微軟的COM/DCOM(組件對(duì)象模型和分組件對(duì)象模型和分布式組件對(duì)象模型布式組件對(duì)象模型)技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制軟件定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象、接口和屬性。

6、軟件定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象、接口和屬性。 任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制第一次運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊“Register”,進(jìn)行OPC 服務(wù)器注冊(cè)。OPC Items：Dev1/AI0Dev1/AI1Dev1/AI2Dev1/AI3Dev1/AO0Dev1/AO1任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制Matlab中讀寫數(shù)據(jù)da = opcda(localhost, NI USB-6008.Server); % 定義服務(wù)器connect(da); %連接服務(wù)器grp = addgroup(da); %添加OPC 組itmRead = addi

7、tem(grp,Dev1/AI0); %在組中添加數(shù)據(jù)項(xiàng)itmWrite = additem(grp,Dev1/AO0); %在組中添加數(shù)據(jù)項(xiàng) r=read(itmRead); y(1)=r.Value; %讀取數(shù)據(jù)項(xiàng)的值Write(itmWrite,1); %向數(shù)據(jù)項(xiàng)中寫值disconnect(da); %關(guān)閉服務(wù)器任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制關(guān)于定時(shí)的問(wèn)題t = timer(TimerFcn,myread, Period, 0.5,ExecutionMode,fixedRate);%定義定時(shí)器start(t) %打開(kāi)定時(shí)器out = timerfin

8、d; %尋找定時(shí)器 stop(out); %停止定時(shí)器 delete(out);%刪除定時(shí)器 任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制5 5、控制系統(tǒng)構(gòu)建、控制系統(tǒng)構(gòu)建IIII：開(kāi)環(huán)對(duì)象特性測(cè)試：開(kāi)環(huán)對(duì)象特性測(cè)試 采集模擬對(duì)象的數(shù)據(jù)，測(cè)試被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)特性，采集模擬對(duì)象的數(shù)據(jù)，測(cè)試被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)特性， 通過(guò)通過(guò)MatlabMatlab仿真分析，驗(yàn)證模擬對(duì)象的正確性。仿真分析，驗(yàn)證模擬對(duì)象的正確性。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制6 6、比例系數(shù)變換對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)性能的

9、影響、比例系數(shù)變換對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響 采用純比例控制，分析閉環(huán)控制系統(tǒng)隨比例系數(shù)變化采用純比例控制，分析閉環(huán)控制系統(tǒng)隨比例系數(shù)變化時(shí)控制性能指標(biāo)（超調(diào)量，上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，穩(wěn)時(shí)控制性能指標(biāo)（超調(diào)量，上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差等）的變化。態(tài)誤差等）的變化。使用使用MatlabMatlab中中SISOTOOLSSISOTOOLS進(jìn)行仿真分析，對(duì)比實(shí)際控制進(jìn)行仿真分析，對(duì)比實(shí)際控制效果與仿真效果的差異，并進(jìn)行分析。效果與仿真效果的差異，并進(jìn)行分析。 從根軌跡的角度分析比例系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響從根軌跡的角度分析比例系數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的

10、建模、仿真及控制、比例積分控制器對(duì)控制性能的影響、比例積分控制器對(duì)控制性能的影響 通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)分析通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)分析PIPI控制器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能影響控制器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能影響。 使用使用MatlabMatlab中中 SISOTOOLSSISOTOOLS設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)PIPI控制器，并將控制器控制器，并將控制器應(yīng)用于實(shí)際模擬仿真系統(tǒng)，觀測(cè)實(shí)際系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)應(yīng)用于實(shí)際模擬仿真系統(tǒng)，觀測(cè)實(shí)際系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。計(jì)的性能指標(biāo)。利用根軌跡法分析比例積分控制器對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和利用根軌跡法分析比例積分控制器對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。穩(wěn)定性的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的

11、建模、仿真及控制8 8、PIDPID控制器對(duì)控制性能的影響控制器對(duì)控制性能的影響 采用采用PIDPID控制，分析不同參數(shù)下，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效控制，分析不同參數(shù)下，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。果。比較實(shí)際控制效果與仿真控制效果的差異，并分析原因比較實(shí)際控制效果與仿真控制效果的差異，并分析原因。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制9 9、串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析、串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析 為被控對(duì)象設(shè)計(jì)串聯(lián)為被控對(duì)象設(shè)計(jì)串聯(lián)校正校正環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，結(jié)合結(jié)合MatlabMatlab中中 SISOTOOLSSISOTOOLS分析控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。分析控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。 將校正環(huán)節(jié)應(yīng)用

12、于實(shí)際模擬系統(tǒng)，觀測(cè)實(shí)際系將校正環(huán)節(jié)應(yīng)用于實(shí)際模擬系統(tǒng)，觀測(cè)實(shí)際系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制1010、采樣周期影響分析、滯后系統(tǒng)控制性能分析、采樣周期影響分析、滯后系統(tǒng)控制性能分析 通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)說(shuō)明采樣周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)說(shuō)明采樣周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的影響態(tài)誤差的影響 為被控對(duì)象增加純滯后環(huán)節(jié)為被控對(duì)象增加純滯后環(huán)節(jié) ，使用，使用PID控控制算法進(jìn)行控制，分析控制效果制算法進(jìn)行控制，分析控制效果se任務(wù)二：任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具

13、體任務(wù)具體任務(wù)1 1、狀態(tài)空間模型模型的建立、狀態(tài)空間模型模型的建立建立系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)和并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，在建立系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)和并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，在matlabmatlab中繪制模擬中繪制模擬結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖分析系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際電路系統(tǒng)的關(guān)系分析系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際電路系統(tǒng)的關(guān)系任務(wù)二：任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)具體任務(wù)2 2、狀態(tài)空間模型的分析、狀態(tài)空間模型的分析以系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，用以系統(tǒng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，用matlabmatlab分析系統(tǒng)的能控能分析系統(tǒng)的能控能觀性和穩(wěn)定性觀性和穩(wěn)定性寫出系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀標(biāo)準(zhǔn)型寫出系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀

14、標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)二：任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)具體任務(wù)3 3、狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)、狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，要求超調(diào)量小于針對(duì)系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，要求超調(diào)量小于5%5%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于，調(diào)節(jié)時(shí)間小于5 5秒，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器，并在秒，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器，并在MatlabMatlab中進(jìn)行仿真分析中進(jìn)行仿真分析針對(duì)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制，與上述仿真結(jié)果對(duì)比針對(duì)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制，與上述仿真結(jié)果對(duì)比，并分析影響控制性能的因素，并分析影響控制性能的因素討論如何消除穩(wěn)態(tài)誤差討論如何消除穩(wěn)態(tài)誤差任務(wù)二：任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分

15、析與綜合雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)具體任務(wù)4 4、狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)、狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測(cè)器，并在針對(duì)系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測(cè)器，并在MatlabMatlab中進(jìn)行仿真分析中進(jìn)行仿真分析針對(duì)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測(cè)器，與上述仿真結(jié)果對(duì)比，針對(duì)實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測(cè)器，與上述仿真結(jié)果對(duì)比，并分析影響觀測(cè)性能的因素并分析影響觀測(cè)性能的因素設(shè)計(jì)降維狀態(tài)觀測(cè)器，重復(fù)上述工作。設(shè)計(jì)降維狀態(tài)觀測(cè)器，重復(fù)上述工作。任務(wù)二：任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)具體任務(wù)5 5、基于狀態(tài)觀測(cè)的反饋控制器設(shè)計(jì)、基于狀態(tài)觀測(cè)的

16、反饋控制器設(shè)計(jì)假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)不可觀測(cè)，設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測(cè)的反饋控制假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)不可觀測(cè)，設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測(cè)的反饋控制器，進(jìn)行器，進(jìn)行MatlabMatlab仿真分析仿真分析在實(shí)際電路控制中實(shí)現(xiàn)上述方案，并進(jìn)行對(duì)比分析在實(shí)際電路控制中實(shí)現(xiàn)上述方案，并進(jìn)行對(duì)比分析選做任務(wù)：基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺選做任務(wù)：基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、單級(jí)倒立擺介紹 倒立擺系統(tǒng)具有高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特性，是控制理論的典型研究對(duì)象。如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等均涉及到倒置問(wèn)題對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上均有著深遠(yuǎn)意義。基

17、于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單級(jí)倒立擺系統(tǒng)的原理圖，如圖所示。假設(shè)已知擺的長(zhǎng)度為2L，質(zhì)量為m，用鉸鏈安裝在質(zhì)量為M的小車上。小車由一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，在水平方向?qū)π≤囀┘涌刂屏，相對(duì)參考系差生的位移s。若不給小車實(shí)施控制力，則倒置擺會(huì)向左或向右傾倒，因此，它是個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)?？刂频哪康氖峭ㄟ^(guò)控制力u的變化，使小車在水平方向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)定的位置，并將倒置擺保持在垂直位置上?；跔顟B(tài)空間模型單級(jí)倒立擺基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、具體任務(wù)1、查閱文獻(xiàn)，建立單級(jí)倒立擺的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型。取狀態(tài)變量 。測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)特性。

18、已知單級(jí)倒立擺的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下所示： 2、用Matlab分析系統(tǒng)能控性，能觀性及穩(wěn)定性。Tssx,5 . 0,1 . 0,2mlkgmkgMgmgkgmI/8 . 9,025. 02基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、通過(guò)狀態(tài)反饋配置改變閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)。閉環(huán)極點(diǎn)自行決定。采用極點(diǎn)配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)滿足如下要求為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時(shí)間小于5秒位移的上升時(shí)間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于2%?；跔顟B(tài)空間模型單級(jí)倒立擺基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)均無(wú)法測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)上述控制方案建立系統(tǒng)的全維觀測(cè)器，觀測(cè)器極點(diǎn)自行決定。采用帶有觀測(cè)器極點(diǎn)配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)滿足如下要求為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時(shí)間小于5秒位移的上升時(shí)間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于2%?；跔顟B(tài)空間模型單級(jí)倒立擺基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)中，只用位移s可以測(cè)量，其他狀態(tài)變量均無(wú)法測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置，建立系統(tǒng)的降維觀測(cè)器，觀測(cè)器極點(diǎn)自行決定。采用帶有觀測(cè)器極點(diǎn)配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的