自動控制原理課程設(shè)計指導(dǎo)教師：鄧曉剛張欣

王樹斌盛立2013年7月分組情況與時間安排分組情況第1組（自1001、自1002、自1005前14號）第2組（自1003、自1004、自1005其他同學(xué)）時間安排7月1日，任務(wù)布置7月2-19日，仿真、實驗、檢查、報告上午8:00—11:30：第1組下午2:00—5:30：第2組總體任務(wù)要求任務(wù)I、經(jīng)典控制部分雙容水箱系統(tǒng)的建模、仿真、控制系統(tǒng)分析與設(shè)計任務(wù)二、現(xiàn)代控制部分雙容水箱系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、分析與綜合雙容水箱系統(tǒng)實際水箱系統(tǒng)介紹實過程實驗室GK06是由兩個水箱和一個調(diào)節(jié)器構(gòu)成的，上下兩個水箱由閥門控制開度，入口流量由調(diào)節(jié)閥的開度所決定，被控變量是下水箱的液位。雙容水箱系統(tǒng)示意圖任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制具體任務(wù)1、二階水箱液位對象機理模型的建立用機理建模（白箱）方法建立系統(tǒng)機理模型對機理模型進行線性化，分析線性化模型的適用場合任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制2、通過實驗方法辨識系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立用試驗建模（黑箱）方法辨識被控對象數(shù)學(xué)模型二階水箱仿真軟件真實二階水箱系統(tǒng)通過仿真分析模型辨識的效果對比辨識模型特性與實驗曲線的相似程度分析造成辨識誤差的原因?qū)Ρ葯C理建模與實驗建模的結(jié)果，分析造成偏差的原因任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制3、二階水箱系統(tǒng)的物理模擬

根據(jù)建立的二階水箱液位對象模型，在計算機自動控制實驗箱上利用電阻、電容、放大器的元件模擬二階水箱液位對象。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制4、控制系統(tǒng)構(gòu)建I：數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通訊

學(xué)會通過NIUSB-6008數(shù)據(jù)采集卡和OPC通訊技術(shù)構(gòu)建控制系統(tǒng)。OPC協(xié)議

OPC技術(shù)是OPC基金會組織制定的工業(yè)控制軟件互操作性規(guī)范，也是微軟為了把Windows應(yīng)用于控制系統(tǒng)和控制界共同推出的一項技術(shù)。它以微軟的COM/DCOM(組件對象模型和分布式組件對象模型)技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制軟件定義了一套標準的對象、接口和屬性。

任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制第一次運行時，點擊“Register”,進行OPC服務(wù)器注冊。OPCItems：Dev1/AI0Dev1/AI1Dev1/AI2Dev1/AI3Dev1/AO0Dev1/AO1任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制Matlab中讀寫數(shù)據(jù)da=opcda(‘localhost’,‘NIUSB-6008.Server’);%定義服務(wù)器connect(da);%連接服務(wù)器grp=addgroup(da);%添加OPC組itmRead=additem(grp,‘Dev1/AI0’);%在組中添加數(shù)據(jù)項itmWrite=additem(grp,'Dev1/AO0');%在組中添加數(shù)據(jù)項r=read(itmRead);y(1)=r.Value;%讀取數(shù)據(jù)項的值Write(itmWrite,1);%向數(shù)據(jù)項中寫值disconnect(da);%關(guān)閉服務(wù)器任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制關(guān)于定時的問題t=timer(‘TimerFcn’,@myread,‘Period’,0.5,‘ExecutionMode’,‘fixedRate’);%定義定時器start(t)%打開定時器out=timerfind;%尋找定時器stop(out);%停止定時器delete(out);%刪除定時器

任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制5、控制系統(tǒng)構(gòu)建II：開環(huán)對象特性測試

采集模擬對象的數(shù)據(jù)，測試被控對象的開環(huán)特性，

通過Matlab仿真分析，驗證模擬對象的正確性。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制6、比例系數(shù)變換對系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響

采用純比例控制，分析閉環(huán)控制系統(tǒng)隨比例系數(shù)變化時控制性能指標（超調(diào)量，上升時間，調(diào)節(jié)時間，穩(wěn)態(tài)誤差等）的變化。

使用Matlab中SISOTOOLS進行仿真分析，對比實際控制效果與仿真效果的差異，并進行分析。從根軌跡的角度分析比例系數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制７、比例積分控制器對控制性能的影響

通過具體實驗分析PI控制器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能影響。

使用Matlab中SISOTOOLS設(shè)計PI控制器，并將控制器應(yīng)用于實際模擬仿真系統(tǒng)，觀測實際系統(tǒng)能否達到設(shè)計的性能指標。

利用根軌跡法分析比例積分控制器對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制8、PID控制器對控制性能的影響采用PID控制，分析不同參數(shù)下，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。

比較實際控制效果與仿真控制效果的差異，并分析原因。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制9、串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計與分析為被控對象設(shè)計串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，結(jié)合Matlab中SISOTOOLS分析控制系統(tǒng)性能指標。

將校正環(huán)節(jié)應(yīng)用于實際模擬系統(tǒng)，觀測實際系統(tǒng)能否達到設(shè)計的性能指標。任務(wù)一：雙容水箱的建模、仿真及控制10、采樣周期影響分析、滯后系統(tǒng)控制性能分析通過控制實驗說明采樣周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的影響

為被控對象增加純滯后環(huán)節(jié)，使用PID控制算法進行控制，分析控制效果任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)1、狀態(tài)空間模型模型的建立建立系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)和并聯(lián)實現(xiàn)，在matlab中繪制模擬結(jié)構(gòu)圖分析系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)與實際電路系統(tǒng)的關(guān)系任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)2、狀態(tài)空間模型的分析以系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎(chǔ)，用matlab分析系統(tǒng)的能控能觀性和穩(wěn)定性寫出系統(tǒng)的能控標準型和能觀標準型任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)3、狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計針對系統(tǒng)串聯(lián)實現(xiàn)，要求超調(diào)量小于5%，調(diào)節(jié)時間小于5秒，設(shè)計狀態(tài)反饋控制器，并在Matlab中進行仿真分析針對實際電路實現(xiàn)狀態(tài)反饋控制，與上述仿真結(jié)果對比，并分析影響控制性能的因素討論如何消除穩(wěn)態(tài)誤差任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)4、狀態(tài)觀測器的設(shè)計針對系統(tǒng)串聯(lián)實現(xiàn)，設(shè)計全維狀態(tài)觀測器，并在Matlab中進行仿真分析針對實際電路實現(xiàn)狀態(tài)觀測器，與上述仿真結(jié)果對比，并分析影響觀測性能的因素設(shè)計降維狀態(tài)觀測器，重復(fù)上述工作。任務(wù)二：雙容水箱的狀態(tài)空間描述、分析與綜合具體任務(wù)5、基于狀態(tài)觀測的反饋控制器設(shè)計假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)不可觀測，設(shè)計基于狀態(tài)觀測的反饋控制器，進行Matlab仿真分析在實際電路控制中實現(xiàn)上述方案，并進行對比分析選做任務(wù)：基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計一、單級倒立擺介紹

倒立擺系統(tǒng)具有高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合等特性，是控制理論的典型研究對象。如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等均涉及到倒置問題對倒立擺系統(tǒng)的研究在理論上和方法論上均有著深遠意義。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計單級倒立擺系統(tǒng)的原理圖，如圖所示。假設(shè)已知擺的長度為2L，質(zhì)量為m，用鉸鏈安裝在質(zhì)量為M的小車上。小車由一臺直流電動機拖動，在水平方向?qū)π≤囀┘涌刂屏，相對參考系差生的位移s。若不給小車實施控制力，則倒置擺會向左或向右傾倒，因此，它是個不穩(wěn)定的系統(tǒng)。控制的目的是通過控制力u的變化，使小車在水平方向上運動，達到設(shè)定的位置，并將倒置擺保持在垂直位置上。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計二、具體任務(wù)1、查閱文獻，建立單級倒立擺的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型。取狀態(tài)變量。測試系統(tǒng)的開環(huán)特性。

已知單級倒立擺的各項數(shù)據(jù)如下所示：

2、用Matlab分析系統(tǒng)能控性，能觀性及穩(wěn)定性。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計3、通過狀態(tài)反饋配置改變閉環(huán)系統(tǒng)極點。閉環(huán)極點自行決定。采用極點配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標滿足如下要求為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時間小于5秒位移的上升時間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于2%。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計4、假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)均無法測量，為實現(xiàn)上述控制方案建立系統(tǒng)的全維觀測器，觀測器極點自行決定。采用帶有觀測器極點配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標滿足如下要求為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時間小于5秒位移的上升時間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于2%。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計5、假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)中，只用位移s可以測量，其他狀態(tài)變量均無法測量，為實現(xiàn)極點配置，建立系統(tǒng)的降維觀測器，觀測器極點自行決定。采用帶有觀測器極點配置后，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標滿足如下要求為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時間小于5秒位移的上升時間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤差小于2%。基于狀態(tài)空間模型單級倒立擺

控制系統(tǒng)設(shè)計6、（選作）設(shè)計LQR（LinearQuadraticRegulator，線性二次型調(diào)節(jié)器）控制方案，使得倒立擺系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，并有較好的抗干擾性。用狀態(tài)反饋法設(shè)計控制器，使得當在小車上施加階躍信號時，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)指標為：擺桿角度和小車位移的穩(wěn)定時間小于5秒位移的上升時間小于2秒角度的超調(diào)量小于20度位移的穩(wěn)態(tài)誤