自動控制原理實習報告

自動控制原理課程設計

【實驗目的】

1. 學會系統的機理建模；

2. 學會用搭建電路模型，模擬控制系統；

3. 學會使用opc協議，以及ni usb6008的使用；

4. 學會使用pid控制規律控制系統；

5. 能應用串聯校正提高系統效能；

6. 了解ts，kp，ti，td對系統效能的影響；

一、雙容水箱

【實驗內容】

（一）雙容水箱

1. 雙容水箱物件的建模、**、控制系統分析與設計；

2. 應用電路，模擬雙容水箱，進行試驗；

3. 應用pid控制規律控制系統；

4. 應用串聯校正，調節系統；

5. 改變ts，kp觀察其對穩定性以及穩態誤差的影響；

【實驗原理】

一．雙容水箱簡介

a3000現場系統包括三水箱，乙個鍋爐，乙個強制換熱器，兩個水幫浦，兩個流量計，乙個電動調節閥。其他還包括加熱管，大水箱。圖見1-1。

在本次課程設計中，首先選取a3000裝置中的3#水箱和4#水箱串聯組成的液位控制系統，選取控制變數為變頻幫浦的頻率，被控變數為4#水箱的液位。針對上述系統首先建立被控物件模型，然後使用控制系統實驗箱搭建電路，模擬水箱液位控制系統的被控物件，最後針對搭建的模擬物件設計控制系統，滿足控制要求。

圖1-2 控制流程圖

【實驗結果及步驟】

1、通過測量實際裝置的尺寸，採集dcs系統的資料建立二階水箱液位物件模型。（先建立機理模型，並在某工作點進行線性化，求傳遞函式）

1）機理模型：

控制作用u 和調節閥管道上的流量之間的關係為q1=k1*u1。

取被控變數為第 2 控制作用為u ，控制調節閥lv1001 的開度，從而影響第1 個水箱的液位h1 和第個水箱的液位h2 ，建立該二階水箱的狀態空間表示式描述的數學模型。（選取h1 和h2為狀態變數，控制作用u 為輸入）。

非線性方程為：

（1）線性模型**

對狀態方程進行增量化，並在工作點處進行線性化

a. 先求出穩態時的關係式

（2）b．對微分方程中的各變數用相應的增量代替，有

（3）c．將上述微分方程(3)進行線性化

（4）d．最後得到線性化的微分方程

（5）代入數值：=30.034678，=36.68，=10，=1.9，=1.65，=48，=50，=1010，=400，=50。

公式進行拉式變換並代入數值得：

2）辨識模型：

通過**軟體收集到如下資料如圖1.1

圖1-1-1圖1-1-2

經過分離後得到的需要辨識的部分

圖1-1-3上行二階辨識部分圖1-1-4下行二階辨識部分

用試驗建模（黑箱）方法辨識被控物件數學模型，並通過**分析模型辨識的效果

（上行）

圖 1-1-5非線性上行線性下行曲線

分析：經過模型的機理建模以及模型的辨識後，繪製各自的時域曲線如圖1.3（歸一化後）。發現線性化的模型與辨識的模型吻合的很好，但是非線性化的模型曲線與其它二者的相差交大。

誤差較大的原因

1、上行辨識與下行辨識誤差的存在；

2、在下行辨識時，由於是給的負階躍，即給定量由高變低，由於慣性，變化速度會變慢，辨識結果與上行結果不同。

3、 **性化模型中，由於線性化引起的誤差；

4、在非線性模型中，由於調節閥的開度不是線性化，引起的誤差；

1、根據建立二階水箱液位物件模型，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物件。

圖 1-2-1 電路圖

搭建完電路後傳遞函式為：

與理論值相比縮小了100倍。

通過測量系統模型為：

2、通過ni usb-6008資料採集卡採集模擬物件的資料，測試被控物件的開環特性，驗證模擬物件的正確性。

圖 1-3-1 opc通訊原理圖

理論階躍響應與實際測量階躍響應曲線

圖 1-3-2 理論曲線和測量曲線

如圖 1-3-2左邊曲線為理論曲線，右邊曲線為實際測量曲線，這兩條曲線幾乎重合，但是測量曲線延時了大概0.2s的時間，這是因為程式執行造成的延遲。除去誤差兩條曲線幾乎吻合。

3、採用純比例控制，分析閉環控制系統隨比例係數變化控制效能指標（超調量，上公升時間，調節時間，穩態誤差等）的變化。

理論曲線實際測量曲線

分析：採用純比例控制，閉環控制系統隨比例係數增大，控制效能指標變化如下：

超調量：增加；

上公升時間：變短；

調節時間：沒有變化規律；

穩態誤差等：減小；

注意：由於實驗過程中存在未知的測量誤差，測量曲線超調量大於理論曲線，之後的測量曲線的超調量都會略大於實際曲線的超調量。

4、採用pi控制器，利用根軌跡法判斷系統的穩定性，使用matlab中 sisotools設計控制系統效能指標，並將控制器應用於實際模擬**系統，觀測實際系統能否達到設計的效能指標。

1)圖 1-5-1 根軌跡和bode圖

圖 1-5-2 單位階躍響應（理論曲線圖 1-5-3 單位階躍響應（測量曲線）

從bode圖中看出相角欲度大於0，幅值欲度大於0，系統穩定，通過**和測量觀測到與結論符合

2）圖 1-5-4 根軌跡和bode圖

圖 1-5-5 單位階躍響應（理論曲線圖 1-5-6 單位階躍響應（測量曲線）

3圖 1-5-7 根軌跡和bode圖

圖 1-5-8 單位階躍響應（理論曲線圖 1-5-9 單位階躍響應（測量曲線）

4圖 1-5-10 根軌跡和bode圖

圖 1-5-11 單位階躍響應（理論曲線圖 1-5-12 單位階躍響應（測量曲線）

分析： 1）和2） ti相等時，kp增大，調節時間變短，超調量變大；

1）和3） kp相等時，ti增大，調節時間變長，超調量變小；

kp增大，系統可能變的不穩定，變成發散的。

注意：a.在4）中，採集的資料是不穩定的，振盪的，原因可能是因為ni usb6008的輸出時限幅的，導致在後面的輸出是有限的，並且由於干擾的影響，導致輸出如測量曲線所示。

b.在測量時由於曲線不是嚴格從0開始，導致測量曲線超調量大於理論曲線，且積分時間越長，這種現象越明顯。

5、採用pid控制，分析不同引數下，控制系統的調節效果。

表1-6-2

表1-6-3

表1-6-4

分析：通過對理想曲線的分析發現，隨著微分時間增加，系統超調量增加，調節時間變長，上公升時間變長，

這個規律通過實際電路的實驗得到驗證。

注意：對於應用於實際電路pid調節電路，如果微分時間過長，由於與擾動的原因，可能導致系統極不穩定。而且系統的毛刺會變多。

6、通過串聯超前滯後環節校正系統，使用matlab中 sisotools設計控制系統效能指標，並將校正環節應用於實際模擬**系統，觀測實際系統能否達到設計的效能指標。

校正前，原系統伯德圖如下：

圖 1-7-1 原系統伯德圖

圖 1-7-2系統理想階躍響應曲線

引數如下

經校正後，期望系統引數如下：

kv>40

siso超前調節作用

圖1-7-3 校正環節

圖1-7-4 siso校正後系統理想曲線

圖 simulink搭建的模型

圖 simulink**圖

圖實際電路測量曲線

7、通過控制實驗說明取樣週期、開環增益對系統穩定性和穩態誤差的影響

通過pi調節，來驗證取樣週期的影響

12）34)5678910通過實驗，發現：

1）-4）取樣週期不變，開環增益變大，系統穩定性變差，穩態誤差減小。

5）-10）開環增益不變，取樣週期變大，系統穩定性變差，穩態誤差變大。

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