2022年自动化自动控制课程设计方案报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用动掌握课程设计报告班级：自动化 08-1 班学号： 08051116 姓名：刘加伟2022.7.17 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用任务一、双容水箱的建模、仿真模拟、掌握系统设计一、 掌握系统设计任务1、通过测量实际装置的尺寸,采集DCS 系统的数据建立二阶水箱液位对象模型； <先建立机理模型,并在某工作点进行线性化,求传递函数）2、依据建立二阶水箱液位对象模型,在运算机自动掌握试验箱上利用电 阻、电容、放大器的元件模拟二阶水箱液位对象；3、通过 NI USB-6008 数据采集卡采集模拟对象的数据,测试被控对象的开 环特性,验证模拟对象的正确性；4、采纳纯比例掌握,分析闭环掌握系统随比例系数变化掌握性能指标 <超调 量,上升时间,调剂时间,稳态误差等）的变化；5、采纳PI 掌握器,利用根轨迹法判定系统的稳固性,使用Matlab 中SISOTOOLS 设计掌握系统性能指标,并将掌握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；6、采纳 PID 掌握,分析不同参数下,掌握系统的调剂成效；7、通过串联超前滞后环节校正系统,使用Matlab 中 SISOTOOLS 设计掌握系统性能指标,并将校正环节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；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一 建立模型二 试验模型及转变阶跃后曲线：1 取阶跃曲线依据以下模型建立系统辨识模型：一般 取为 0.4 和 0.8 运算上行阶跃各参数：T1=171.26 T2=50.50 K=160.47 t1=141 t2=338 建立传递函数为：Gs>=运算下行阶跃各参数：T1=84.20 T2=48.67 K=148.08 t1=89 t2=198 建立传递函数为：Gs>=2 建立机理模型名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - Q1=k1*u1 ； Q2=k2*u2*； Q=k3*u3*个人资料整理仅限学习使用； k1=10 ； k2=1.9 ； k3=1.65 ；阀门开度u1=50； u2=52 ； u3=51 ；水箱面积A1=1050 ； A2=600取 辨 识 传 递 函 数G<s ）理 论 传 递 函 数Gs>=；=三 依据建立的二阶水箱液位对象模型,在运算机自动掌握试验箱上利用电阻、电容、放 大器的元件模拟二阶水箱液位对象；依据传递函数可得：R2/R1=1.5 R2=300k200k+100k>,R1=200k R2C=7.02 C=23.4uf R5/R4=1 R5=R4=200k R5C=4.06 C=20.3uF 四 通过 NI USB-6008 数据采集卡采集模拟对象的数据,测试被控对象的开环特性,验证 模拟对象的正确性名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系统的开环特性曲线为<实际曲线理论曲线）：个人资料整理仅限学习使用五 采纳纯比例掌握,分析闭环掌握系统随比例系数变化时掌握性能指标转变 Kp 得到实际与理论曲线：Kp=1 ： KP=2 ：Kp=3 ：名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用结论：由上图和系统指标分析可得,Kp越大,系统响应速度越快,上升时间越短,调剂时间峰值时间也相应削减,且稳态误差减小,但超调量增大,系统 振荡加剧, Kp 过大时会对实际的系统造成破坏,所以,系统应挑选合适的 Kp；六 采纳 PI 掌握器,利用根轨迹法判定系统的稳固性,使用Matlab 中 SISOTOOLS 设计掌握系统性能指标,并将掌握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Kp=2Ti=5 ：Kp=2 Ti=4 ：名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用Kp=2 Ti=6 :由以上曲线可以看出,用根轨迹设计的设计的性能指标在实际系统中可以达到较好的效果,理论曲线与实际曲线较吻合；七 采纳 PID 掌握,分析不同参数下,掌握系统的调剂成效Kp=2 Ti=10 Td=1Kp=2 Ti=10 Td=2 Kp=2 Ti=9 Td=2 Kp=3 Ti=9Td=2 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由上面四个图对比分析可知:个人资料整理仅限学习使用1>Ti ,Td 肯定时, Kp 增大,加快系统的响应,系统的超调量增大,调剂时间 变小,上升时间减小,减小余差；2> Kp ,Ti 肯定时, Td 增大,系统的峰值时间减小,系统的超调量减小,振 荡减小,调剂时间减小；3>Kp,Td 肯定时, Ti 增大,系统的超调量减小,减小振荡,使系统更加稳 定,但余差排除的速度随之减慢；以上各曲线参数列表如下：KpTiTdTsTp %Tr199999017145.872999990141014.365399999012821.023.7240421049.74.82503110404.9260251032.65.12928.5133.26.439211.5105.44210114126.26.121029141.36.5八 为被控对象设计串联校正环节,使用Matlab中 SISOTOOLS设计掌握系统性能指标,并将校正环节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<1）不加校正环节名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由图可知相角裕度为个人资料整理仅限学习使用112deg,截至频率；单位阶跃响应得上升时间,调剂时间,峰值时间,超调量6.37 %,稳态值为 0.597 ；<2）由于原系统的相角裕度较大,为了使校正成效明显,给原系统加入积分环节 1/s ,于是其相角裕度为,截至频率, 且系统已经发散,故要进行串联校正；<3）由第一个拐点处读得, 就：；假设调剂时间,校正后的相角裕度由可得名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由图个人资料整理仅限学习使用,要保证,为了挑选校正网络衰减因子已校正系统的截止频率为所选的,就等式, 就 可 得 到成 立 , 因<4）校正前：相应校正后：于是,相角裕度：解得：所以：其中是装置的滞后部分,是校正装置的超前部分；超前校正主要是利用超前网络的相角超前特性,减小系统的截止频率,而滞后校正就是利用滞后网络的高频幅值衰减特性,加强系统的抗干扰才能；名师归纳总结 取合适的超调和调剂时间,可取K=0.743,因而第 10 页,共 30 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用可得 Cs>校正后的广义传递函数为：Gs>Cs>加入串联校正相角裕度为 45.3deg,截止频率为 0.0227rad/sec ；加入超前滞后环节后的阶跃响应,上升时间为48.7s ,超调量为34%,峰值时间为131s,调剂时间为404s,稳态值为 1；电路仿真曲线与理论曲线基本吻合,满意系统的要求；九 转变 Kp 及 Ts 对系统的影响名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用由上图可以看出,Kp 越大,系统响应速度越快,上升时间越短,调剂时间峰值时间也相应削减,且稳态误差减小,但超调量增大,系统振荡加剧,Kp 过大时会对实际的系统造成破坏；由上图可以看出,Ts 增加使系统调剂时间变长,超调量增大,调剂精度下降,Ts 过大时使系统震惊加剧,破坏系统的稳固性；因此 Ts 应选取较小的值；十 为被控对象设计最小拍无差掌握器,并进行试验分析传递函数 Gz>=零极点模型 =用 matlab 作出结构图：名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用仿真波形为：由上图可以看出,系统在 Ts=0.2s时达到稳固,达到最小拍无差掌握器的掌握要求；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用任务二、基于状态空间法单级倒立摆的掌握系统设计一、单级倒立摆介绍倒立摆系统具有高阶次、不稳固、多变量、非线性和强耦合等特性,是控 制理论的典型讨论对象；如机器人行走过程中的平稳掌握、火箭发射中垂直度 掌握和卫星飞行中的姿势掌握等均涉及到倒置问题对倒立摆系统的讨论在理论 上和方法论上均有着深远意义；单级倒立摆系统的原理图,如图1 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掌握力u,相对参考系差生的位移s；如不给小车实施掌握力,就倒置摆会向左或向右倾倒,因此,它是个不稳固的系统；掌握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；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；图是系统中小车和摆杆的受力分析图；其中,N 和 P 为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的重量；已知单级倒立摆的各项数据如下所示：名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用水平方向；垂直方向：依据力矩平稳方程：；由于很小,且<<1, =1；所以=,设系统状态空间方程为：方程组消去 P,N变量,对整理得到系统解代数方程,解得如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 将已知的个人资料整理仅限学习使用代入上面所得的状态空间方程,得单级倒立摆的位移s 及角度开环特性曲线：Mc=ctrba,b> Mc = 0 0.4878 0 0.1166 0.4878 0 0.1166 0 0 -0.4878 0 -4.8970 -0.4878 0 -4.8970 0 >> rankMc> 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用即能控性 rankMc>得 4,矩阵 Mc的秩为 4,满秩,所以系统能控；能观性：能观性判别矩阵用 MATLAB实现如下：ans =4 >> No=obsva,c> No = 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 -0.239 0 0 0 10.0390 0 0 0 0 -0.2390 0 0 0 10.039 >> rankNo> ans =4 rankNo> 得 4,即能观性矩阵的秩为4,满秩,所以系统能观；稳固性：特点向量和特点根求解如下：v,x=eiga> v = 1.0000 -1 -0.0072 0.0072 0 0 -0.0227 -0.0227 0 0 0.3009 -0.3009 0 0 0.9534 0.9534 x = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3.1684 0 0 0 0 -3.1684 由特点根 X可知：状态矩阵A的特点值为 0,0,3.1684,-3.1684；平稳状态渐近稳固的充要条件是矩阵A 的全部特点值均具有负实部；此系统不满意条件,所以,系统不稳固；另由开环特性曲线也可知系统不稳固；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 通过状态反馈配置转变闭环系统极点；闭环极点自行打算；采纳极点配置后,闭环系统的响应指标满意如下要求为：摆杆角度和小车位移的稳固时间小于 5 秒位移的上升时间小于 2s 角度的超调量小于 20 度位移的稳态误差小于 2%；因系统为 4 阶系统,配置极点可采纳主导极点加两个副极点的方式；调剂时间 <1）上升时间 <2）由<1）得,在欠阻尼响应曲线中阻尼比越小,超调量越大,上升时间越短,一般,此时超调量适度,调剂时间较短；越大,响应时间越快,所以暂取,追求快速性；=2.5 ；将其代入 2>进行验算,得 Tr=0.8652 ,满意系统要求；角度超调量和位移稳态误差临时不好求取,可通过对极点配置后的系统进行观看来确定是否满意条件；可得,主导极点： u1=-1+2.3j ,u2=-1-2.3j 名师归纳总结 选取副极点为 -10+0.01j和-10-0.01j,由此可得,第 18 页,共 30 页极点矩阵 P= -10+0.01*j -10-0.01*j -1+2.3*j -1-2.3*j；反馈矩阵K=place<A,B,P）=-131.5780 -68.1528 -452.0558 -113.2532- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用极点配置系统结构图位移角度曲线由图可知,前面增益选取K=-131,使位移稳固在 1,且稳态误差小于2%,上升时间小于 2 秒,调剂时间小于5 秒,角度的最大超调量为0.3445rad ,转换成角度为 19.748 小于 20 度,所以此极点配置满意要求；假设系统的状态均无法测量,为实现上述掌握方案建立系统的全维观测器,观测器极点自行打算；采纳带有观看器极点配置后,闭环系统 的响应指标满意如下要求为：名师归纳总结 摆杆角度和小车位移的稳固时间小于5 秒第 19 页,共 30 页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%；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用由全维观测器方程其中 G为输出误差反馈矩阵；转变极点的配置, P= -15+0.01*j -15-0.01*j -1+2.3*j -1-2.3*j；G可由 Matlab 语句求出；G=placeA',C',P>, 得 G=全维观测器模拟结构图全维观测器位移 s 和角度 响应曲线：名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用位移对比曲线：角度对比曲线：加入阶跃后各参量对比曲线如下：位移响应曲线：名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用角度响应曲线：设置初始值后各参量对比曲线如下：位移初始值为 0.1 ：角度初始值为 0.05 ：名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用比较以上各图可以看出,此全维观测器的响应曲线和系统的响应曲线基本吻合,且调剂时间小于5 秒,上升时间小于2 秒,角度超调量0.3443rad ,即19.73 度,稳态误差小于 求；假设系统的状态2%,均满意要求,所以,此全维观测器满意系统要中,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,观测器极点自行打算；采纳带有观看器极点配置后,闭环系统的响应指标满意如下要求为摆杆角度和小车位移的稳固时间小于5 秒,使：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% 系统为,D=0,即系统能观,且 rankC=1,就必存在线性变换,令=,所以=名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用取所以,rankC=1,4-1=3,所以需设计 3 维降维观测器,由上可知主导极点 P=-1+2.3j -1-2.3j -3；=placeA11',A21 ,P>>' ；带入式：,+得：反馈矩阵 K=place<A,B,P）=-131.5780 -68.1528 -452.0558 -113.2532名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用加入降维观测器后各参量对比曲线：角速度对比曲线：速度对比曲线：角度对比曲线：名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设置速度初始值为0.5 个人资料整理仅限学习使用设置角度初始值为 0.01 设置角速度初始值为 0.1 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用加入阶跃后各参量响应曲线：角速度对比曲线：速度对比曲线：角度对比曲线：名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用由位移角度响应曲线可知,稳固时间小于 5 秒,上升时间小于 2 秒,角度超调量等于0.3445rad ,转换成角度为19.74 度,稳态误差小于2%,系统满意要求；名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页,共 30 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用课程设计总结：为期半个月的实习今日终止了,这半个月的实习是我获益匪浅,我对自动 掌握原理和现代掌握理论又有了一个全面性的懂得,实习之前我所把握的学问 只是课本上的文字,这次实习之后我懂得了如何把这些学问应用于实习工作之 中,既巩固了所学的学问,又把握了将这些学问应用于实际生产中的方法,仍 增加了我团队合作的意识,这次实习是很有意义的一次实习；为了达到系统预定的性能指标,我们每个步骤都做了许多组试验,许多会 由于仪器的故障一级参数的设置显现各种问题,但我们都一一解决了这些问 题,得到了较为抱负的结论,使系统的性能达到最好；在这些过程中,我们掌 握了各种器材以及软件的使用方法,把握了自动掌握原理的时域分析法,根轨 迹法,频域分析法,以及各种校正装置的作用及用法,能够利用不同的分析法 对给定系统进行性能分析,能依据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设 计,并调试满意系统的指标；能够娴熟使用 MATLAB 语言 ,SISOTOOL 以及 Simulink 动态仿真工具来搭建系统结构图,并进行系统仿真与调试；学会使 用软硬件结合的方法对系统进行模拟仿真以便确定系统的性能指标达到系统稳 定性的要求；本次实习分为两部分：第一部分是二阶水箱液位掌握系统的设计,其次部分是 基于状态空间法单级倒立摆的掌握系统设计；在第一部分中,第一,通过实 验,取得实际水箱系统的阶跃曲线,从而得到其数学模型,通过对理论系统的名师归纳总结 分析,建立电路模型,借用MATLAB这一强大的数学工具对其分析和仿真设第 29 页,共 30 页计；接着通过P,PI,PID对其掌握,并分析对比掌握成效；并得出结论：- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1>Ti ,Td 肯定时, Kp 增大,加快系统的响应,系统的超调量增大,调剂时间变小,上升时间减小,减小余差；2> Kp ,Ti 肯定时, Td 增大,系统的峰值时间减小,系统的超调量减小,振荡减小,调剂时间减小；3>Kp ,Td 一 定时, Ti 增大,系统的超调量减小,减小振荡,使系统更加稳固,但余差排除 的速度随之减慢；最终用串联超前滞后校正对其补偿,改善系统的稳态性能和 动态性能,其中,超前校正主要是利用超前网络的相角超前特性,减小系统的 截止频率,而滞后校正就是利用滞后网络的高频幅值衰减特性,加强系统的抗 干扰才能；其次部分中,主要是应用现代掌握理论的学问,第一查阅资料,建 立倒立摆的模型,然后分别分析其能控性,能观性,稳固性；并分别通过极点 配置,全维观测器,降维观测器对性能进行掌握分析；明白了系统进行极点配 置的方法,把握了状态观测器的存在条件和实现条件,其存在的充分必要是系 统的不能观子系统为渐进稳固；可实现的条件是系统完全能观；降维观测器与 全维观测器相比,主要是维数的降低,可以削减掌握器设计的成本,但是运算 起来比较麻烦；通过本次实习对这些学问有了充分的明白,并且娴熟的把握了 方法和要领,在以后的学习中肯定会娴熟的运用这些学问；名师归纳总结 - - - - - - -第 30 页,共 30 页