【正文】 階水箱液位對(duì)象模型，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱上利用電阻、電容、放大器的元件模擬二階水箱液位對(duì)象。已知兩個(gè)水箱的截面積是、控制作用和調(diào)節(jié)閥管道上的流量之間的關(guān)系為： （21） 其中，k1=10 ，k2= ，k3= 上水箱= 根據(jù)物料平衡，列寫(xiě)關(guān)系表達(dá)式： （22） 將（1）帶入（2），得 （23） 線性模型仿真 對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行增量化，并在工作點(diǎn)處進(jìn)行線性化a. 先求出穩(wěn)態(tài)時(shí)的關(guān)系式考慮到： （24） （25） （26） 則（4）和（5）式帶入（6）有 （27）b． 將（5）帶入（3），進(jìn)而對(duì)微分方程中的各變量用相應(yīng)的增量代替，有 （28） 即： （29） c．為了將上述微分方程(10)進(jìn)行線性化，將在處展開(kāi)成Taylor級(jí)數(shù)，只取到線性項(xiàng)： （210）同理，將在處展開(kāi)成Taylor級(jí)數(shù)，只取到線性項(xiàng)： （211）將（211）和（210）代入（29），則： （212）d．最后得到線性化的微分方程由（27）和（212），有： （213）令： =， = ；寫(xiě)成矩陣的形式： （214）其中 注：、計(jì)算時(shí)要10 此時(shí)，（黑箱）方法辨識(shí)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型 圖21 二階水箱的仿真模型 初始穩(wěn)定 30% ： =1153s 加階躍后穩(wěn)定 35% ： =2296s ， ， s ， s ， s ，s 即 （215）圖22 simulink仿真模型圖23 仿真圖像由圖像可得，理論與實(shí)測(cè)的曲線基本一致，可知仿真效果較為理想。針對(duì)上述系統(tǒng)首先建立被控對(duì)象模型，然后使用控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱搭建電路，模擬水箱液位控制系統(tǒng)的被控對(duì)象，最后針對(duì)搭建的模擬對(duì)象設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足控制要求。第2章 雙容水箱系統(tǒng)的建模與模擬 過(guò)程實(shí)驗(yàn)室GK06是由兩個(gè)水箱和一個(gè)調(diào)節(jié)器構(gòu)成的，上下兩個(gè)水箱由閥門(mén)控制開(kāi)度，入口流量由調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度所決定，被控變量是下水箱的液位。xxx：各部分的參數(shù)計(jì)算、編程實(shí)現(xiàn)及實(shí)際電路仿真?？傊敬握n程設(shè)計(jì)對(duì)于我們深入理解經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中的概念、原理和方法具有重要意義，本次課程設(shè)計(jì)涉及了《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《控制系統(tǒng)仿真》、《系統(tǒng)辨識(shí)》等課程內(nèi)容，將本專(zhuān)業(yè)的各項(xiàng)內(nèi)容有機(jī)融合在了一起，增加了我們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的儲(chǔ)備，提高了我們的學(xué)習(xí)能力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們能夠?qū)χ皩W(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行更進(jìn)一步的理解與應(yīng)用，我們之前學(xué)過(guò)的知識(shí)得到鞏固。目 錄第1章 引言 1 課程設(shè)計(jì)的意義與目的 1 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1 課程設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)分工說(shuō)明 2第2章 雙容水箱系統(tǒng)的建模與模擬 3 二階水箱介紹 3 二階水箱液位對(duì)象機(jī)理模型的建立 3 通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法辨識(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 7 用試驗(yàn)建模（黑箱）方法辨識(shí)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型 7 通過(guò)仿真分析模型辨識(shí)的效果 8 物理系統(tǒng)模擬 9第3章 雙容水箱控制系統(tǒng)的構(gòu)建與測(cè)試 11 數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通訊 11 構(gòu)建系統(tǒng)并進(jìn)行開(kāi)環(huán)對(duì)象測(cè)試 12第4章 雙容水箱的控制與仿真分析——經(jīng)典控制部分 14 14 17 21 24 28第5章 雙容水箱的控制與仿真分析——現(xiàn)代控制部分 31 31 33 34 37 43第6章 基于狀態(tài)空間模型單級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 48 單級(jí)倒立擺系統(tǒng)介紹 48 狀態(tài)空間模型的建立 49 能控能觀性、穩(wěn)定性的分析 52第7章 總結(jié) 53 課程設(shè)計(jì)過(guò)程的任務(wù)總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)收獲 53 課程設(shè)計(jì)中的不足和問(wèn)題分析 53 對(duì)課程設(shè)計(jì)的建議 53參考文獻(xiàn) 54附 錄 55附錄A：組員個(gè)人總結(jié)（一） 55附錄B：組員個(gè)人總結(jié)（二） 57第1章 引言 課程設(shè)計(jì)的意義與目的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程《自動(dòng)控制原理》和《現(xiàn)代控制理論》的配套實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)于深入理解經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中的概念、原理和方法具有重要意義。最后選做部分單級(jí)倒立擺的內(nèi)容，并對(duì)整個(gè)課程設(shè)計(jì)做了總結(jié)。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先進(jìn)行了任務(wù)I即經(jīng)典控制部分的工作，主要從系統(tǒng)模型辨識(shí)、采集卡采集、PID算法的控制、串聯(lián)校正進(jìn)行性能指標(biāo)的優(yōu)化、滯后控制等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。自 動(dòng) 控 制 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 雙容水箱系統(tǒng)的建模、仿真與控制 2015年 7月23日摘 要自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程《自動(dòng)控制原理》和《現(xiàn)代控制理論》的配套實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)于深入理解經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中的概念、原理和方法具有重要意義。本次課程設(shè)計(jì)以過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室雙容水箱系統(tǒng)作為研究對(duì)象，開(kāi)展了機(jī)理建模、實(shí)驗(yàn)建模、系統(tǒng)模擬、控制系統(tǒng)分析與綜合、控制系統(tǒng)仿真等多方面的工作。然后，又進(jìn)行了任務(wù)II即現(xiàn)代控制部分的工作，主要從系統(tǒng)模型的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)、能控能觀標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)、狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)、狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)、降維觀測(cè)器設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入的研究。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；課程設(shè)計(jì)；PID控制；根軌跡；極點(diǎn)配置；MATLAB；數(shù)據(jù)采集；經(jīng)典控制；現(xiàn)代控制。在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，我們只是停留在理論學(xué)習(xí)的層面上，對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)沒(méi)有直觀深刻的了解。不僅如此，對(duì)于我們進(jìn)行軟件仿真和編寫(xiě)程序同樣具有很好的指引作用，鍛煉了我們這方面的能力。 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 任務(wù)I 經(jīng)典控制部分二階水箱液位對(duì)象機(jī)理模型的建立；通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法辨識(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立；二階水箱系統(tǒng)的物理模擬；數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)通訊；開(kāi)環(huán)對(duì)象特性測(cè)試；比例系數(shù)變換對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)性能的影響；比例積分控制器對(duì)控制性能的影響；PID控制器對(duì)控制性能的影響；串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析；采樣周期影響分析、滯后系統(tǒng)控制性能分析； 任務(wù)Ⅱ 現(xiàn)代控制部分狀態(tài)空間模型模型的建立、分析；狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計(jì)；狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)； 基于狀態(tài)觀測(cè)的反饋控制器設(shè)計(jì)； 課程設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)分工說(shuō)明 我們團(tuán)隊(duì)選取了16號(hào)水箱裝置進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，具體分工如下所示。xxx：電路的設(shè)計(jì)與各環(huán)節(jié)仿真運(yùn)行結(jié)果分析，撰寫(xiě)報(bào)告。 在本次課程設(shè)計(jì)中，首先選取GK06裝置中的1水箱和2水箱串聯(lián)組成的液位控制系統(tǒng)，選取控制變量為變頻泵的頻率，被控變量為2水箱的液位。 圖11 雙容水箱