自动控制原理实习报告

word完美格式精心整理学习帮手《自动控制原理》课程设计word完美格式精心整理学习帮手[设计结果]任务一：双容水箱对象的建模、仿真、控制系统分析与设计1．建立二阶水箱液位对象模型(1)用机理建模（白箱）方法建立系统模型并线性化非线性模型建立：控制作用为U控制调节阀LV1001的开度，从而控制第1个水箱的液位H1和第2个水箱的液位H2，控制作用U和调节阀管道上的流量之间的关系为Q1=K1*U1，建立该二阶水箱的状态空间表达式描述的数学模型11122112221332221()1()ddHKUQKUHdtAdHKUHKUHdtAyH模型线性化：对微分方程进行增量化，并在工作点处进行线性化首先求解工作点的系统参数11221221332K0K0dUQKUHKUHUH然后对微分方程中的各变量用相应的增量代替111112211122211332221(U+)1()dddHKQQKUKUHHdtAdHKUHHKUHHdtA其次将上述微分方程进行线性化word完美格式精心整理学习帮手111111221221121222122332332121(U+)21()22dddHHKQQKUKUHKUdtAHdHHHKUHKUKUHKUdtAHH最后得到线性化的微分方程1111221121222332121()21()22ddHHQKUKUdtAHdHHHKUKUdtAHH代入系统参数和工作点参数，忽略干扰Qd的影响，进行拉式变换得最终传递函数为1116202.1)()(1ssusH，12.128)1116(466.1)()(2sssusH(2)用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型对已稳态系统输入10%正负阶跃信号，采集数据得（红色曲线对应输入变量U，绿色与蓝色曲线分别对应输出变量H2与H1）其响应为下图：05001000150020002500300035000102030405060708090100word完美格式精心整理学习帮手图-1系统数据采集曲线分别采用适当方法对一阶系统错误!未找到引用源。，二阶系统错误!未找到引用源。进行辨识，确定其中参。对于一阶系统采用10%正负阶跃响应，归一化后，取y=0.39，y=0.63两值，求解方程组可得其参数为表-1所列数据：表-1一阶系统辨识结果KT上行1.3099126下行1.071594对二阶系统采用10%正负阶跃响应，归一化后，取y=0.4，y=0.8，求解超越方程组可得其参数为表-2：表-2二阶系统辨识结果KT1T2上行1.603784.9613156.2424下行1.325173.4496134.4208(3)通过仿真分析模型辨识的效果分别对机理建模与试验建模所得系统进行系统仿真，由其仿真曲线与实际曲线对比，比较各自效果（绿色曲线对应机理建模结果，蓝色与红色曲线分别对应上行与下行辨识结果）word完美格式精心整理学习帮手图-2一阶系统仿真曲线一阶系统机理建模与上、下行辨识结果不同原因分析：1）、给定正、负阶跃信号对应管道阀门开度调大、调小。2）、当给定10%正阶跃时，阀门开度变大，对应的管道阻力系数变小，损失减小，稳态值变大。阻力系数变小，系统达到稳定的时间增大，对应时间常数增大，上升时间，调节时间等均变大；3）、当给定10%负阶跃时，相应的，阀门开度变小，对应的管道阻力系数变大，损失增大，稳态值变小。阻力系数变大，系统达到稳定的时间减小，对应时间常数减小，上升时间，调节时间等均减小；3）在进行辨识时，不排除在读取或选取数据时也存在一定的误差，引起辨识得到的时间常数与机理建模的差别；word完美格式精心整理学习帮手图-3二阶系统仿真曲线分析：二阶系统机理建模与上、下行辨识结果曲线不吻合原因同一阶系统分析结果。2.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其中R1=100.4kΩ，R2=100.5kΩ，R3=200kΩ，R4=100.1kΩ，R5=150.1kΩ，R6=200kΩ，C=10.4μF，C1=13.2μF.word完美格式精心整理学习帮手将二阶系统传递函数T1与T2同时缩小80倍，选择器件搭建理论电路并测量各器件实际参数，计算得实际模拟电路传递函数19042.29421.14970.1)(2sssW3.通过NIUSB-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对理论系统进行阶跃响应仿真，并与模拟系统阶跃响应对比（红色曲线对应理论系统阶跃响应仿真结果，蓝色曲线对应模拟系统阶跃响应结果）图-4模拟与理论对象阶跃响应曲线分析：由图可知实际开环单位阶跃响应特性曲线与仿真的开环单位阶跃响应特性曲线几乎重合，说明建立的模型与传函十分吻合,模拟对象的正确.。word完美格式精心整理学习帮手4.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，并进行分析分别对不同K下的理论系统进行阶跃响应仿真，并与相应模拟系统阶跃响应进行对比（红色曲线对应理论系统阶跃响应仿真结果，蓝色曲线对应模拟系统阶跃响应结果）图-5P控制器阶跃响应曲线图-5P控制器K=5阶跃响应曲线图-5P控制器K=10阶跃响应曲线word完美格式精心整理学习帮手图-5P控制器K=100阶跃响应曲线图-6K=0.2根轨迹与伯德图图-7K=0.5根轨迹与伯德图图-8K=1根轨迹与伯德图图-9K=2根轨迹与伯德图word完美格式精心整理学习帮手图-10K=5根轨迹与伯德图图-11K=10根轨迹与伯德图图-12K=100根轨迹与伯德图表-3P控制器不同参数下的性能指标K超调量调节时间Ts稳态误差上升时间Tr截止频率Wn相角裕度0.203.810.76872.89NaNInf0.503.390.56502.51NaNInf15.90%3.910.39691.640.479112217.64%3.550.24930.980.98572.8word完美格式精心整理学习帮手546.75%4.510.11690.621.8144.51070.32%7.730.06590.592.6731.2100----8.749.77注：调节时间取5%分析闭环控制系统随比例系数变化时控制性能指标的变化：1）、纯比例控制存在偏差，且随着控制作用的增强，偏差减小，但不会减小至0，即偏差始终存在；2）、随着比例系数的增大，系统出现超调，Kp越大，超调量越大，同时上升时间，调节时间和稳态误差都减小，相角裕度减小，截止频率变大，可见，此时系统获得了较快的响应速度，但稳定性变差。3)、当K增大到一定程度时，例如，K=100时，系统出现振荡，变得不稳定起来。5.采用PI器，利用根轨迹法判断系统的稳定性，使用Matlab中SISOTOOLS设计控制系统性能指标，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分别对不同K与Ti下的理论系统进行阶跃响应仿真，并与相应模拟系统阶跃响应进行对比（红色曲线对应理论系统阶跃响应仿真结果，蓝色曲线对应模拟系统阶跃响应结果）word完美格式精心整理学习帮手图-13PI控制器阶跃响应曲对应的各自根轨迹为：word完美格式精心整理学习帮手图-14K=0.5，Ti=1根轨迹与伯德图图-15K=0.5，Ti=2根轨迹与伯德图图-16K=1，Ti=1根轨迹与伯德图图-17K=1，Ti=2根轨迹与伯德图图-18Ti=5根轨迹与伯德图图-19Ti=50根轨迹与伯德图word完美格式精心整理学习帮手图-20Ti=100根轨迹与伯德图表-4PI控制器不同参数下的性能指标KTi超调量调节时间稳态误差上升时间截止频率相角裕度0.5121.90%8.0702.510.52944.50.5205.9104.350.35971.41142.30%10.9901.350.35357.21212.80%5.5101.790.2664.10.55024.81016.650.1911030.5500-0-0.02251350.51000-0-0.0113137注：调节时间取5%分析闭环控制系统随比例系数和积分时间常数变化时控制性能指标的变化：1）Ti相同时，接近于纯比例控制，Kp越大，超调量越大，上升时间，调节时间和稳态误差都word完美格式精心整理学习帮手减小，系统获得了较快的响应速度，但振荡明显增强，稳定性变差。2）Kp相同时，积分时间Ti越大，上升时间越大，超调量越小，调节时间越大，稳态误差越小，由此可见，积分作用可以减小稳态误差，但使系统的响应速度减慢，不如纯比例控制及时；3）当积分时间达到一定程度，系统反应迟钝。6.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，并分析原因分别对不同K,Ti与Td下的理论系统进行阶跃响应仿真，并与相应模拟系统阶跃响应进行对比（红色曲线对应理论系统阶跃响应仿真结果，蓝色曲线对应模拟系统阶跃响应结果）word完美格式精心整理学习帮手图-15PID控制器阶跃响应曲线图-16K=0.3，Ti=1，Td=0.5根轨迹与伯德图图-17K=0.2，Ti=1，Td=0.5轨迹与伯德图图-18K=0.2，Ti=2，Td=0.5轨迹与伯德图图-19K=0.2，Ti=2，Td=5根轨迹与伯德图word完美格式精心整理学习帮手表-5PID控制器不同参数下的性能指标KTiTd超调量调节时间稳态误差上升时间截止频率相角裕度0.310.512.2%11.2103.620.14682.80.210.56.1%12.6105.270.14882.40.220.5018.25013.010.4791120.225018.70015.610.12887.25116.6%13.8105.620.25465.2551012.8%22.7207.220.20285.35105011.2%40.51010.740.60391.3注：调节时间取5%分析闭环控制系统随参数变化时控制性能指标的变化：1）、由上表数据可以看出，比例作用和积分作用与比例积分作用效果相同。2）、微分作用的输出与偏差变化的速度成正比。由上表，随着微分作用的增强，上升时间，调节时间增大，截止频率，相角裕度减小。根据偏差变化的趋势提前采取调节措施，即超前作用。3）当Td选取过大时，系统响应中微分作用十分明显。4）中SISOTOOLS设计控制系统性能指标，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分别对不同Ts与K下的理论系统进行阶跃响应仿真，并与相应模拟系统阶跃响应进行对比（红色曲线对应理论系统阶跃响应仿真结果，蓝色曲线对应模拟系统阶跃响应结果）word完美格式精心整理学习帮手图-20不同Ts与K下的阶跃响应曲线图-21被校系统原根轨迹与伯德图word完美格式精心整理学习帮手图-22K=3，Tz=1.7，Tp=0.56轨迹与伯德图图-23K=5，Tz=2，Tp=1根轨迹与伯德图校正结果分析：1）、校正前，系统稳态误差为0.401，截止频率0.479，相角裕度112.串联校正目的是改善稳态误差和截止频率；2）、经计算，校正环节取C（s）为156.0)17.1(*3ss和1)12(*5ss。校正后，系统的稳态误差大大减小，上升时间，调节时间也有显著减小，截止频率增大至2.26和2.59，相角裕度分别为60.1和42.1，接近于45的理想状态；3）、校正的不足之处是，系统的超调量较原来有所增大，当C（s）=156.0)17.1(*3ss时，超调量可达20%。word完美格式精心整理学习帮手8.通过控制实验说明采样周期、开环增益对系统稳定性和稳态误差的影响图-25不同Ts与K下的阶跃响应曲线图-26Ts=1，K=1根轨迹与伯德图图-2