自动控制原理课程设计2013

自动控制原理课程设计指导教师：邓晓刚张欣

王树斌盛立2013年7月分组情况与时间安排分组情况第1组（自1001、自1002、自1005前14号）第2组（自1003、自1004、自1005其他同学）时间安排7月1日，任务布置7月2-19日，仿真、实验、检查、报告上午8:00—11:30：第1组下午2:00—5:30：第2组总体任务要求任务I、经典控制部分双容水箱系统的建模、仿真、控制系统分析与设计任务二、现代控制部分双容水箱系统的状态空间描述、分析与综合双容水箱系统实际水箱系统介绍实过程实验室GK06是由两个水箱和一个调节器构成的，上下两个水箱由阀门控制开度，入口流量由调节阀的开度所决定，被控变量是下水箱的液位。双容水箱系统示意图任务一：双容水箱的建模、仿真及控制具体任务1、二阶水箱液位对象机理模型的建立用机理建模（白箱）方法建立系统机理模型对机理模型进行线性化，分析线性化模型的适用场合任务一：双容水箱的建模、仿真及控制2、通过实验方法辨识系统的数学模型的建立用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型二阶水箱仿真软件真实二阶水箱系统通过仿真分析模型辨识的效果对比辨识模型特性与实验曲线的相似程度分析造成辨识误差的原因对比机理建模与实验建模的结果，分析造成偏差的原因任务一：双容水箱的建模、仿真及控制3、二阶水箱系统的物理模拟

根据建立的二阶水箱液位对象模型，在计算机自动控制实验箱上利用电阻、电容、放大器的元件模拟二阶水箱液位对象。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制4、控制系统构建I：数据采集卡与数据通讯

学会通过NIUSB-6008数据采集卡和OPC通讯技术构建控制系统。OPC协议

OPC技术是OPC基金会组织制定的工业控制软件互操作性规范，也是微软为了把Windows应用于控制系统和控制界共同推出的一项技术。它以微软的COM/DCOM(组件对象模型和分布式组件对象模型)技术为基础，为工业控制软件定义了一套标准的对象、接口和属性。

任务一：双容水箱的建模、仿真及控制第一次运行时，点击“Register”,进行OPC服务器注册。OPCItems：Dev1/AI0Dev1/AI1Dev1/AI2Dev1/AI3Dev1/AO0Dev1/AO1任务一：双容水箱的建模、仿真及控制Matlab中读写数据da=opcda(‘localhost’,‘NIUSB-6008.Server’);%定义服务器connect(da);%连接服务器grp=addgroup(da);%添加OPC组itmRead=additem(grp,‘Dev1/AI0’);%在组中添加数据项itmWrite=additem(grp,'Dev1/AO0');%在组中添加数据项r=read(itmRead);y(1)=r.Value;%读取数据项的值Write(itmWrite,1);%向数据项中写值disconnect(da);%关闭服务器任务一：双容水箱的建模、仿真及控制关于定时的问题t=timer(‘TimerFcn’,@myread,‘Period’,0.5,‘ExecutionMode’,‘fixedRate’);%定义定时器start(t)%打开定时器out=timerfind;%寻找定时器stop(out);%停止定时器delete(out);%删除定时器

任务一：双容水箱的建模、仿真及控制任务一：双容水箱的建模、仿真及控制5、控制系统构建II：开环对象特性测试

采集模拟对象的数据，测试被控对象的开环特性，

通过Matlab仿真分析，验证模拟对象的正确性。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制6、比例系数变换对系统闭环性能的影响

采用纯比例控制，分析闭环控制系统随比例系数变化时控制性能指标（超调量，上升时间，调节时间，稳态误差等）的变化。

使用Matlab中SISOTOOLS进行仿真分析，对比实际控制效果与仿真效果的差异，并进行分析。从根轨迹的角度分析比例系数变化对系统性能的影响。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制７、比例积分控制器对控制性能的影响

通过具体实验分析PI控制器参数变化对系统性能影响。

使用Matlab中SISOTOOLS设计PI控制器，并将控制器应用于实际模拟仿真系统，观测实际系统能否达到设计的性能指标。

利用根轨迹法分析比例积分控制器对系统动态性能和稳定性的影响。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制8、PID控制器对控制性能的影响采用PID控制，分析不同参数下，控制系统的调节效果。

比较实际控制效果与仿真控制效果的差异，并分析原因。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制9、串联校正环节的设计与分析为被控对象设计串联校正环节，结合Matlab中SISOTOOLS分析控制系统性能指标。

将校正环节应用于实际模拟系统，观测实际系统能否达到设计的性能指标。任务一：双容水箱的建模、仿真及控制10、采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析通过控制实验说明采样周期对系统稳定性和稳态误差的影响

为被控对象增加纯滞后环节，使用PID控制算法进行控制，分析控制效果任务二：双容水箱的状态空间描述、分析与综合具体任务1、状态空间模型模型的建立建立系统的串联实现和并联实现，在matlab中绘制模拟结构图分析系统的串联实现与实际电路系统的关系任务二：双容水箱的状态空间描述、分析与综合具体任务2、状态空间模型的分析以系统的串联实现为基础，用matlab分析系统的能控能观性和稳定性写出系统的能控标准型和能观标准型任务二：双容水箱的状态空间描述、分析与综合具体任务3、状态反馈控制器的设计针对系统串联实现，要求超调量小于5%，调节时间小于5秒，设计状态反馈控制器，并在Matlab中进行仿真分析针对实际电路实现状态反馈控制，与上述仿真结果对比，并分析影响控制性能的因素讨论如何消除稳态误差任务二：双容水箱的状态空间描述、分析与综合具体任务4、状态观测器的设计针对系统串联实现，设计全维状态观测器，并在Matlab中进行仿真分析针对实际电路实现状态观测器，与上述仿真结果对比，并分析影响观测性能的因素设计降维状态观测器，重复上述工作。任务二：双容水箱的状态空间描述、分析与综合具体任务5、基于状态观测的反馈控制器设计假设系统状态不可观测，设计基于状态观测的反馈控制器，进行Matlab仿真分析在实际电路控制中实现上述方案，并进行对比分析选做任务：基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计一、单级倒立摆介绍

倒立摆系统具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，是控制理论的典型研究对象。如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题对倒立摆系统的研究在理论上和方法论上均有着深远意义。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计单级倒立摆系统的原理图，如图所示。假设已知摆的长度为2L，质量为m，用铰链安装在质量为M的小车上。小车由一台直流电动机拖动，在水平方向对小车施加控制力u，相对参考系差生的位移s。若不给小车实施控制力，则倒置摆会向左或向右倾倒，因此，它是个不稳定的系统。控制的目的是通过控制力u的变化，使小车在水平方向上运动，达到设定的位置，并将倒置摆保持在垂直位置上。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计二、具体任务1、查阅文献，建立单级倒立摆的状态空间数学模型。取状态变量。测试系统的开环特性。

已知单级倒立摆的各项数据如下所示：

2、用Matlab分析系统能控性，能观性及稳定性。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计3、通过状态反馈配置改变闭环系统极点。闭环极点自行决定。采用极点配置后，闭环系统的响应指标满足如下要求为：摆杆角度和小车位移的稳定时间小于5秒位移的上升时间小于2秒角度的超调量小于20度位移的稳态误差小于2%。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计4、假设系统的状态均无法测量，为实现上述控制方案建立系统的全维观测器，观测器极点自行决定。采用带有观测器极点配置后，闭环系统的响应指标满足如下要求为：摆杆角度和小车位移的稳定时间小于5秒位移的上升时间小于2秒角度的超调量小于20度位移的稳态误差小于2%。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计5、假设系统的状态中，只用位移s可以测量，其他状态变量均无法测量，为实现极点配置，建立系统的降维观测器，观测器极点自行决定。采用带有观测器极点配置后，闭环系统的响应指标满足如下要求为：摆杆角度和小车位移的稳定时间小于5秒位移的上升时间小于2秒角度的超调量小于20度位移的稳态误差小于2%。基于状态空间模型单级倒立摆

控制系统设计6、（选作）设计LQR（LinearQuadraticRegulator，线性二次型调节器）控制方案，使得倒立摆系统闭环稳定，并有较好的抗干扰性。用状态反馈法设计控制器，使得当在小车上施加阶跃信号时，闭环系统的响应指标为：摆杆角度和小车位移的稳定时间小于5秒位移的上升时间小于2秒角度的超调量小于20度位移的稳态误