自动控制设计(自动控制原理课程设计)

1、自动控制原理课程设计本课程设计的目的重视于自动控制基根源理与设计方法的综合实质应用。主要内容包括：古典自动控制理论（PID）设计、现代控制理论状态察看器的设计、自动控制MATLAB仿真。经过本课程设计的实践，掌握自动控制理论工程设计的基本方法和工具。内容某生产过程设备如图1所示，由液容为C1和C2的两个液箱组成，图中Q为稳态液体流量(m3/s)，Qi为液箱A输入水流量对稳态值的渺小变化(m3/s)，Q1为液箱A到液箱B流量对稳态值的渺小变化(m3/s)，Q2为液箱B输出水流量对稳态值的渺小变化(m3/)，h1为液箱A的液位稳态值(m)，h1为液箱As液面高度对其稳态值的渺小变化(m)，h2为液

2、箱B的液位稳态值(m)，h2为液箱B液面高度对其稳态值的渺小变化(m)，分别为，两液槽的出水管液R1,R2AB阻(m/(m3/s)。设u为调治阀开度(m2)。已知液箱A液位不可以直接测量但可观，液箱B液位可直接测量。Qi+Qih10+h1AQ10+Q1h20+h2BQ20+Q2图1某生产过程表示图要求建立上述系统的数学模型；对模型特点进行解析，时域指标计算，绘出bode,乃示图，阶跃反响曲线对B容器的液位分别设计：P，PI，PD，PID控制器进行控制；对原系统进行极点配置，将极点配置在1j和1j；（极点可以不一样样）设计一察看器，对液箱A的液位进行察看（此处可以不带极点配置）；若是要实现液位h

3、2的控制，可采用什么方法，怎么更加有效试之。用MATLAB对上述设计分别进行仿真。（提示：流量Q=液位h/液阻R，液箱的液容为液箱的横断面积，液阻R=液面差变化h/流量变化Q。）2双容液位对象的数学模型的建立及MATLAB仿真过程一、对系统数学建模如图一所示，被控参数h2的动向方程可由下面几个关系式导出：液箱A：QiQ1dh1C1dt液箱B：Q1Q2dh2C2dtR1h1/Q1R2h2/Q2QiKuu消去中间变量，可得：T1T2d2h2(T1T2)dh2h2Kudt2dt式中，C1,C2两液槽的容量系数R1,R2两液槽的出水端阻力T1R1C1第一个容积的时间常数T2R2C2第二个容积的时间常数

4、KuR2_双容对象的放大系数其传达函数为：H2(S)KG(S)(T1T2)S1U(S)T1T2S2二对模型特点进行解析，绘出bode,奈氏图，阶跃反响曲线当输入为阶跃响应时的Matlab仿真：令T1=T2=6；K=1H2(S)11G(S)36S212S1(6S1)2U(S)单位阶跃响应的MATLAB程序：num1=1;den1=36121;G1=tf(num1,den1);figure(1);step(G1);xlabel(时间(sec);ylabel(输出响应);title(二阶系统单位阶跃响应);step(G1,100);运行结果以下：阶跃反响曲线：图1c()=1;c(tp)=1;tp=;

5、td=10s;ts=;最大超调量：(tp)=c(tp)-c()/c()*100%=0%稳态误差解析：H2(S)1，稳态误差ess1；开环传达函数G(S)212S1U(S)36S用MATLAB绘制的奈氏图以以下图2所示，其程序以下：nyquist(1,conv(61,61)图2在工程实践中，一般希望正相角裕度r为45o60o,增益裕度Kg10dB,即Kg3。当系统为单位负反响时的ode图：用MATLAB绘制的奈氏图以以下图3所示，其程序以下：sys=tf(1,conv(61,61);margin(sys);figure图3三：对B容器的液位分别设计：P，PI，PD，PID控制器进行控制PID控制

6、的原理和特点(1)P控制：取P=9;I=0;D=0;2）PI控制：P=6，I=，D=0；3）PD控制：P=9，I=0，D=5；4）PID控制：P=5，I=，D=4；四系统极点配置在-1+j;-1-jH2(S)K依照传达函数G(S)T1T2S2(T1T2)S1U(S)得微分方程T1T2d2h2(T1dh2h2Kudt2T2)dt令h2x1,h2x2,h2x2得状态方程x1x2x21x1T1T2x2KuT1T2T1T2即：x101x101T1T2ux2T1T2T1T2x2K输出：yx1极点配置：令K=1;T1=T2=2;x1x2x2x12x2u即：x101x10ux20.251x21用MATLAB

7、确定状态反响矩阵K，使得系统闭环极点配置在（-1+j,-1-j）,程序如下：A=01;-1;B=0;1;P=-1+j;-1-j;K=place(A,B,P)运行结果为K=仿真：仿真图五设计一察看器，对液箱A的液位进行察看建立状态察看器：依照传达函数G(S)H2(S)KU(S)T1T2S2(T1T2)S1得微分方程T1T2d2h2(T1T2)dh2h2Kudt2dt令h2x1,h2x2,h2x2得状态方程x1x2x21x1T1T2x2KuT1T2T1T2即：x101x101T1T2ux2T1T2T1T2x2K输出：yx1全维察看器的建立：令Gg1，得g201g101g1AGC1T1T2011T1

8、T2g2g2TT2TT2TT2TT21111g11(T1T21g1detIAGCdet1T1T2g22g2)1TT2TT2TT2TT21111希望特点式：f()(a)(a)22aa2为设定值）2(a比较1式和2式，得T1T2g22aT1T21g1a2T1T2得g11T1T2a2g2T1T22aT1T2Gg1g2所以全维状态察看器得方程是&?(AbuxGC)xG(y)01g1g101T1T2?(y)xgug2KTT12TT122本实验中，需察看的状态为水箱A溶液的液位h1，建立数学模型R1=R2=1;c1=c2=1;uh1dh1dth1h2dh2dtx1h1;x2h2;?10 x11x1?11x2ux20y10 x1x2x1y11x2令状态察看器的极点为（-6-j,-6+j）设计此给定系统状态察看器的MATLAB程序以下A=-10;1-1;B=10;C=11;A1=A;B1=C;C1=B;P=-6-j-6+j;K=acker(A1,B1,P);G=K运行结果为G=26-16仿真：仿真图：六、若是要实现液位h2的控制，可采用什么方法，怎么更加有效试从前馈反响控制方法这种调治系统中要直接测量搅乱量的变化，液位h2作为反响量，流量Q作为前馈量，可以战胜流量Q搅乱量的误差，同时可以加快控制的速度，使调治更加及时有效。内容总结（1）自动