自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)2013

自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：鄧曉剛張欣

王樹斌盛立2013年7月分組情況與時(shí)間安排分組情況第1組（自1001、自1002、自1005前14號）第2組（自1003、自1004、自1005其他同學(xué)）時(shí)間安排7月1日，任務(wù)布置7月2-19日，仿真、實(shí)驗(yàn)、檢查、報(bào)告上午8:00—11:30：第1組下午2:00—5:30：第2組總體任務(wù)要求任務(wù)I、經(jīng)典控制部分雙容水箱系統(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)實(shí)際水箱系統(tǒng)介紹實(shí)過程實(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)水箱由閥門控制開度，入口流量由調(diào)節(jié)閥的開度所決定，被控變量是下水箱的液位。雙容水箱系統(tǒng)示意圖任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制具體任務(wù)1、二階水箱液位對象機(jī)理模型的建立用機(jī)理建模（白箱）方法建立系統(tǒng)機(jī)理模型對機(jī)理模型進(jìn)行線性化，分析線性化模型的適用場合任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制2、通過實(shí)驗(yàn)方法辨識系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立用試驗(yàn)建模（黑箱）方法辨識被控對象數(shù)學(xué)模型二階水箱仿真軟件真實(shí)二階水箱系統(tǒng)通過仿真分析模型辨識的效果對比辨識模型特性與實(shí)驗(yàn)曲線的相似程度分析造成辨識誤差的原因?qū)Ρ葯C(jī)理建模與實(shí)驗(yàn)建模的結(jié)果，分析造成偏差的原因任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制3、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水箱液位對象。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制4、控制系統(tǒng)構(gòu)建I：數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通訊

學(xué)會(huì)通過NIUSB-6008數(shù)據(jù)采集卡和OPC通訊技術(shù)構(gòu)建控制系統(tǒng)。OPC協(xié)議

OPC技術(shù)是OPC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)。它以微軟的COM/DCOM(組件對象模型和分布式組件對象模型)技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制軟件定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的對象、接口和屬性。

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。OPCItems：Dev1/AI0Dev1/AI1Dev1/AI2Dev1/AI3Dev1/AO0Dev1/AO1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’,‘NIUSB-6008.Server’);%定義服務(wù)器connect(da);%連接服務(wù)器grp=addgroup(da);%添加OPC組itmRead=additem(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、仿真及控制關(guān)于定時(shí)的問題t=timer(‘TimerFcn’,@myread,‘Period’,0.5,‘ExecutionMode’,‘fixedRate’);%定義定時(shí)器start(t)%打開定時(shí)器out=timerfind;%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5、控制系統(tǒng)構(gòu)建II：開環(huán)對象特性測試

采集模擬對象的數(shù)據(jù)，測試被控對象的開環(huán)特性，

通過Matlab仿真分析，驗(yàn)證模擬對象的正確性。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制6、比例系數(shù)變換對系統(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。

使用Matlab中SISOTOOLS進(jìn)行仿真分析，對比實(shí)際控制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)變化對系統(tǒng)性能的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制７、比例積分控制器對控制性能的影響

通過具體實(shí)驗(yàn)分析PI控制器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能影響。

使用Matlab中SISOTOOLS設(shè)計(jì)PI控制器，并將控制器應(yīng)用于實(shí)際模擬仿真系統(tǒng)，觀測實(shí)際系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。

利用根軌跡法分析比例積分控制器對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制8、PID控制器對控制性能的影響采用PID控制，分析不同參數(shù)下，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。

比較實(shí)際控制效果與仿真控制效果的差異，并分析原因。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制9、串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析為被控對象設(shè)計(jì)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，結(jié)合Matlab中SISOTOOLS分析控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。

將校正環(huán)節(jié)應(yīng)用于實(shí)際模擬系統(tǒng)，觀測實(shí)際系統(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10、采樣周期影響分析、滯后系統(tǒng)控制性能分析通過控制實(shí)驗(yàn)說明采樣周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的影響

為被控對象增加純滯后環(huán)節(jié)，使用PID控制算法進(jìn)行控制，分析控制效果任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)1、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matlab中繪制模擬結(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)系任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)2、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matlab分析系統(tǒng)的能控能觀性和穩(wěn)定性寫出系統(tǒng)的能控標(biāo)準(zhǔn)型和能觀標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)3、狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)針對系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，要求超調(diào)量小于5%，調(diào)節(jié)時(shí)間小于5秒，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器，并在Matlab中進(jìn)行仿真分析針對實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制，與上述仿真結(jié)果對比，并分析影響控制性能的因素討論如何消除穩(wěn)態(tài)誤差任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)4、狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)針對系統(tǒng)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器，并在Matlab中進(jìn)行仿真分析針對實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)觀測器，與上述仿真結(jié)果對比，并分析影響觀測性能的因素設(shè)計(jì)降維狀態(tài)觀測器，重復(fù)上述工作。任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)5、基于狀態(tài)觀測的反饋控制器設(shè)計(jì)假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)不可觀測，設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測的反饋控制器，進(jìn)行Matlab仿真分析在實(shí)際電路控制中實(shí)現(xiàn)上述方案，并進(jìn)行對比分析選做任務(wù)：基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、單級倒立擺介紹

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象。如機(jī)器人行走過程中的平衡控制、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題對倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上均有著深遠(yuǎn)意義。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單級倒立擺系統(tǒng)的原理圖，如圖所示。假設(shè)已知擺的長度為2L，質(zhì)量為m，用鉸鏈安裝在質(zhì)量為M的小車上。小車由一臺直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，在水平方向?qū)π≤囀┘涌刂屏，相對參考系差生的位移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^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。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、具體任務(wù)1、查閱文獻(xiàn)，建立單級倒立擺的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型。取狀態(tài)變量。測試系統(tǒng)的開環(huán)特性。

已知單級倒立擺的各項(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?；跔顟B(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、通過狀態(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)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)均無法測量，為實(shí)現(xiàn)上述控制方案建立系統(tǒng)的全維觀測器，觀測器極點(diǎn)自行決定。采用帶有觀測器極點(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)空間模型單級倒立擺

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可以測量，其他狀態(tài)變量均無法測量，為實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置，建立系統(tǒng)的降維觀測器，觀測器極點(diǎn)自行決定。采用帶有觀測器極點(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)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6、（選作）設(shè)計(jì)LQR（LinearQuadraticRegulator，線性二次型調(diào)節(jié)器）控制方案，使得倒立擺系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，并有較好的抗干擾性。用狀態(tài)反饋法設(shè)計(jì)控制器，使得當(dāng)在小車上施加階躍信號時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標(biāo)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