毕业设计：双容水箱系统的建模、仿真与控制

自动控制毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制2015年7月23日摘要自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。本次课程设计以过程控制实验室双容水箱系统作为研究对象，开展了机理建模、实验建模、系统模拟、控制系统分析与综合、控制系统仿真等多方面的工作。课程设计过程中，首先进行了任务I即经典控制部分的工作，主要从系统模型辨识、采集卡采集、PID算法的控制、串联校正进行性能指标的优化、滞后控制等方面进行了设计。然后，又进行了任务II即现代控制部分的工作，主要从系统模型的串并联实现、能控能观标准型实现、状态反馈设计、状态观测器设计、降维观测器设计等方面进行了深入的研究。最后选做部分单级倒立摆的内容，并对整个课程设计做了总结。关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。目录TOC\o"1-5"\h\z第1章引言1课程设计的意义与目的1课程设计的主要内容1课程设计的团队分工说明2第2章双容水箱系统的建模与模拟3二阶水箱介绍3二阶水箱液位对象机理模型的建立3通过实验方法辨识系统的数学模型的建立7用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型7通过仿真分析模型辨识的效果82.4物理系统模拟9第3章双容水箱控制系统的构建与测试11数据采集卡与数据通讯11构建系统并进行开环对象测试12第4章双容水箱的控制与仿真分析——经典控制部分144.1采用纯比例控制144.2采用比例积分控制174.3采用PID控制214.4串联校正环节244.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析28第5章双容水箱的控制与仿真分析——现代控制部分315.1状态空间模型的建立315.2状态空间模型的分析335.3状态反馈控制器的设计345.4状态观测器的设计375.5基于状态观测的反馈控制器设计43第6章基于状态空间模型单级倒立摆控制系统设计48单级倒立摆系统介绍48状态空间模型的建立49能控能观性、稳定性的分析52第7章总结53课程设计过程的任务总结与经验收获53课程设计中的不足和问题分析53对课程设计的建议53参考文献54附录55附录A：组员个人总结（一）55附录B：组员个人总结（二）57能控能观性、稳定性的分析用Matlab分析系统能控性，能观性及稳定性能控能观性在MATLAB命令窗口输入以下语句：A=[0100;00-0.2390;0001;0010.0390];B=[0;0.4878;0;-0.4878];C=[1000;0010];M=ctrb(A,B);N=obsv(A,C);rank(M)rank(N)可得rank(M)=4,rank(N)=4,均满秩，所以系统完全能控且完全能观。稳定性分析利用eig函数：[v,d]=eig(A)可得状态矩阵A的特征值为0，0，3.1684,-3.1684,并非全具有负实部，不满足平衡状态渐进稳定的充要条件,所以系统不稳定。第6章总结6.1课程设计过程的任务总结与经验收获本次课程设计主要内容分为两大部分：经典控制部分和现代控制部分。我们首先从系统机理建模，实验建模两方面得到了系统的模型，利用电阻，电容及运算放大器搭建了物理模型，并进行了PID控制算法特性以及超前校正的研究。之后又建立了系统的状态空间模型，做了全维观测器，降维观测器以及基于状态观测的反馈控制器。实验结果均达到了理想结果。本次实习结合了现代控制理论，经典控制理论，DCS以及系统辨识多课程的内容，对学过的知识有了进一步的巩固与深化，通过对实际系统进行建模、仿真和控制，将理论知识与实际应用相结合。同时，深入学习使用了MATLAB这款功能强大的软件，无论是编程还是仿真的能力，都得到了提高。6.2课程设计中的不足和问题分析在课程设计过程中，出现了不少问题，比如对于知识的运用不太熟悉，甚至遗忘了学过的一些内容。知其然却不知其所以然，对一些现象能观测，却不知它的原理是什么。在设计过程中也遇到了很多障碍，电路的计算、程序的编写等，都还有着很大的提升空间。对课程设计的建议实验箱中很多器件性能不是很好，电阻电容实际值与标称值误差很大，甚至出现了器件损毁的现象，建议经常对实验箱进行检查维护。另外建议老师有事没事多来实验室逛逛，这样同学们有什么问题可以及时向老师询问解决。参考文献[1]胡寿松.自动控制原理（第四版）.北京：科学出版社,2001.2[2]刘豹,唐万生.现代控制理论（第三版）.北京：机械工业出版社,1992.05肖田元，张燕云，陈加栋.系统仿真导论[M].北京：清华大学出版社,2000.4王树斌，于佐军，胡长松.系统辨识与自适应控制[M].山东：中国石油大学出版社⑸严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）[M].北京：清华大学出版社,1997.4[6]张德丰.MATLAB/Simulink建模与仿真.北京：电子工业出版社，2009.6附录附录A：组员个人总结（一）课程设计过程的任务总结与经验收获1）任务总结：此次的课程设计，我们从系统机理建模，实验方法建数学模型两种方法得到了双容水箱系统的基本模型，利用电阻，电容及运算放大器搭建了物理模型，并进行了PID控制算法特性，串联超前校正以及采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析的研究。之后又建立了系统的状态空间模型，做了全维观测器，降维观测器以及基于全维观测器的状态反馈。实验结果大部分达到了理想结果，也有几个地方的设计并不合理，考虑并不周全。本次实习结合了现代控制理论，经典控制理论，DCS,控制系统仿真以及系统辨识等多门课程的内容，经过实习动手设计，对于所学的理论知识有了更加深入的认识，动手能力得到进一步的提高，对于知识的综合应用能力进一步提高。2）经验收获：首先，通过这次的自动控制原理课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这个设计大部分是Matlab软件的应用，使我们更好地掌握了这个软件。其次，我觉得做课程设计同时也对已经学过的自动控制原理、现代控制原理、控制系统仿真、DCS以及系统辨识等学科内容的进一步巩固与深化。在平时的学习中，我们只是停留在理论学习的层面上，对一些知识点没有直观深刻的了解。通过这次课程设计，我们能够对之前学过的知识进行更进一步的理解与应用，我们之前学过的知识得到巩固。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。不仅如此，对于我们进行软件仿真和编写程序同样具有很好的指引作用，锻炼了我们这方面的能力。此次课程设计确实有些困难，有很多地方是向老师和同学请假才弄明白，但苦中也有乐，当亲手调出一条想要的曲线，总会忍不住说一声“完美”来表达自己内心的喜悦。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。此次实践不仅让我掌握了不少专业知识，更多的是独立思考，动手操作，解决问题的能力。这是最重要的，也将使我在日后的学习中受益。课程设计中的不足和问题分析首先，在课程设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。很多地方要重新翻看课本才能理解。另外对一些基本的概念也已经记不清，比如老师问我什么是能控，我居然没答上来。其次，这次课程设计遇到了很多问题。1）在进行PID控制的时候，无论在纯比例控制、比例积分还是PID控制，当某一个作用过强时，理论曲线与通过电路得到的实际曲线总是拟合的很不好，差距特别大。经过老师的解释，才知道是执行器的电压限幅，就像数据采集卡存在0-5V的限幅。这就是实践做的太少，缺乏经验的原因。2）在做串联超前校正和状态观测器的时候，都是先计算的电路，再加了饱和电路，所以实际曲线不仅滞后于理论曲线，更比理论值稍微少一点。经过老师指导，应该是考虑加了饱和环节之后再去计算电路使它达到要求。3）在计算校正环节的极点时，也应该综合考虑来确定，而不是只根据前面得出的结果来判断。最后，这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立