中国石油大学华东自动控制课程设计 双容水箱系统的建模仿真于控制Word文件下载.docx
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6.2.1成员:
齐若森50
6.2.2成员:
安迪52
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,首先对二阶水箱进行了机理建模、实验建模以及搭建模拟电路对二阶水箱进行模拟,然后进行了经典控制部分和现代控制部分的工作,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、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,选做倒立摆的内容,并对做过的内容进行了深刻的总结分析。
关键词:
自动控制;
课程设计;
PID控制;
根轨迹;
极点配置
第1章引言
1.1课程设计的意义与目的
通过课程设计,我们重新对自动控制、现代控制理论、系统仿真、系统辨识等课程进行学习,对学过的知识进行更进一步的理解与思考,从而更加全面的巩固我们学过的知识,增加对各课程的了解。
通过课程设计,可以增强我们软件仿真和编程能力。
本次实习主要通过MATLAB完成,设计过程需要大量的编程练习。
从而,通过课程设计可以极大地的提高我们的编程能力和仿真能力。
总之,本次课程设计对于我们深入理解经典控制理论和现代控制理论、系统仿真中的概念、原理和方法具有重要意义,可以增加我们专业的知识储备,提高我们的学习能力。
1.2课程设计的主要内容
本次自控课程设计可以分为两部分的内容。
第一部分为经典控制部分,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。
第二部分为现代控制部分,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。
1.2.1经典控制部分
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
1.2.2现代控制部分
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;
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;
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;
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;
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。
1.3课程设计的团队分工说明
我们团队选取了16号水箱装置进行分析设计。
团队有两名成员,齐若森和安迪,具体分工如下所示:
齐若森:
电路的设计、整体计算与各环节仿真运行;
安迪:
各部分的编程实现及实际电路仿真。
第2章双容水箱系统的建模与模拟
2.1二阶水箱介绍
在本次课程设计中,首先选取GK06装置中的1#水箱和2#水箱串联和一个调节器组成的液位控制系统,选取控制变量为变频泵的频率,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,被控变量为2#水箱的液位。
针对上述系统首先建立被控对象模型,然后使用控制系统实验箱搭建电路,模拟水箱液位控制系统的被控对象,最后针对搭建的模拟对象设计控制系统,满足控制要求。
图1-1双容水箱装置流程图图1-2控制流程图
2.2控制系统设计过程
2.2.1建立机理模型
图2-1二阶液位控制控制试验系统图
控制作用为
,控制调节阀的开度,从而影响第1个水箱的液位
和第2个水箱的液位
。
已知两个水箱的截面积是
、
,控制作用
和调节阀管道上的流量之间的关系为:
(2-1)
其中,模型参数为k1=10,k2=1.9,k3=1.63,u1=50,u2=47,u3=50
根据物料平衡,列写关系表达式:
(2-2)
将
(1)带入
(2),得
(2-3)
线性模型仿真
对状态方程进行增量化,并在工作点处进行线性化
a.先求出稳态时的关系式
考虑到:
(2-4)
(2-5)
(2-6)
则(4)和(5)式带入(6)有
(2-7)
b.将(5)带入(3),进而对微分方程中的各变量用相应的增量代替,有
(2-8)
即:
(2-9)
将
在
处展开成Taylor级数,只取到线性项:
(2-10)
同理,将
(2-11)
将(2-11)和(2-10)代入(2-9),则:
(2-12)
c.最后得到线性化的微分方程
由(2-7)和(2-12),有:
(2-13)
令:
;
经过反拉氏变换得到传递函数如下:
(2-14)
以控制作用
为输入,第2个水箱的液位
为输出,求传递函数
当两个水箱液位稳定时,这时系统的稳态值如下(即稳态工作点):
,
根据公式计算得R12=0.1583,R2=0.1487
故传递函数为:
2.2.2系统辨识模型建立
二阶建模:
开始稳定的时候:
Y=36.72t=904
t1=350,t2=800
从曲线上取两个点(86,0.4)和(230,0.8)
解得:
又
,符合要求。
所以系统的传递函数为:
2.2.3对模型进行仿真
图2-3使用simiulink对机理模型、系统辨识模型进行仿真
图2-4机理模型、系统辨识模型仿真结果(蓝为机理,绿为系统辨识)
图中稳态较低的为机理模型,稳态较高的为系统辨识模型。
分析两条曲线的差异,有以下几个原因:
1、实验所用仿真装置存在误差,即系统误差。
2、在读数阶段存在估读,会产生误差;
在读图取点时也有误差。
3、辨识二阶模型时,求取时间常数的公式里有近似环节。
4、构建机理模型,在线性化过程中存在近似。
在机理建模线性化过程中我们将高次项舍去,造成一定的误差。
5、电路箱电容有偏差且不稳定。
2.2.4物理模拟模型
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。
图2-5仿真实验电路图
由放大器传递函数
所得模拟电路图所对应的传递函数为
(2-18)
与原系统传递函数对比:
G(S)=
则有:
考虑到实际电路取得:
所得电路传递函数为:
(2-19)
与原传递函数相比其时间常数缩小10倍。
第3章双容水箱控制系统的构建与测试
3.1控制系统基本构建框架
此控制系统的基本构建框架如图(3-1)所示
图3-1双容水箱仿真控制系统基本框架图
3.2ADAM-4024与ADAM-4117
3.2.1D/A转换器ADAM-4024
1、概述
ADAM-4024是4路模拟量输出通道,分辨率为12位,输出范围0-20mA,4-20mA,+/-10V,支持Modbus协议。
用户可以通过配置软件配置电压或电流的建立速率和启动输出。
2、硬件连接
3、模块配置
3.2.2A/D转换器ADAM4117
ADAM-4117是16位A/D、8通道的模拟量输入模块,可以采集电压、电流等模拟量输入信号,并且为所有通道都提供了独立的可编程的输入范围。
在工业测量和监控的应用中,ADAM-4117具有良好的性价比。
它不仅能够用于恶劣的环境中,而且还具有更加坚固型的设计。
ADAM-4117支持8路差分信号,还支持MODBUS协议。
在模块的右侧有一个白色的拔码开关来设置初始化状态(INIT*)和正常工作状态的切换。
ADAM-4117具有4-20mA、0-20mA、±
20mA等电流量程,当您需要测量电流时,不需要外接电阻,只需打开盒盖,按照电路板上的标示来设置跳线即可。
3.3双容水箱控制系统的测试
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k=k+1;
tt(k)=k*Ts;
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 中国石油大学华东自动控制课程设计 双容水箱系统的建模仿真于控制 中国 石油大学 华东 自动控制 课程设计 水箱 系统 建模 仿真 控制