双容水箱系统的建模、仿真与控制

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1、自动控制毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制2015年7月23日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，首先进行了任务I即经典控制部分的工作，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、滞后控制等方面进行了设计。然后，又进行了任务II即现代控

2、制部分的工作，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。最后选做部分单级倒立摆的内容，并对整个课程设计做了总结。关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。目录第1章引言11.1课程设计的意义与目的11.2课程设计的主要内容11.3课程设计的团队分工说明2第2章双容水箱系统的建模与模拟32.1二阶水箱介绍32.2二阶水箱液位对象机理模型的建立32.3通过实验方法辨识系统的数学模型的建立72.3.1用试验建模（黑箱）方法

3、辨识被控对象数学模型72.3.2通过仿真分析模型辨识的效果82.4物理系统模拟9第3章双容水箱控制系统的构建与测试113.1数据采集卡与数据通讯113.2构建系统并进行开环对象测试12第4章双容水箱的控制与仿真分析——经典控制部分144.1采用纯比例控制144.2采用比例积分控制174.3采用PID控制214.4串联校正环节244.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析28第5章双容水箱的控制与仿真分析——现代控制部分315.1状态空间模型的建立315.2状态空间模型的分析335.3状态反馈控制器的设计345.4状态观测器的设计375.5基于状态观测

4、的反馈控制器设计43第6章基于状态空间模型单级倒立摆控制系统设计486.1单级倒立摆系统介绍486.2状态空间模型的建立496.3能控能观性、稳定性的分析52第7章总结537.1课程设计过程的任务总结与经验收获537.2课程设计中的不足和问题分析537.3对课程设计的建议53参考文献54附录55附录A：组员个人总结（一）55附录B：组员个人总结（二）57第1章引言1.1课程设计的意义与目的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。在平

5、时的学习中，我们只是停留在理论学习的层面上，对一些知识点没有直观深刻的了解。通过这次课程设计，我们能够对之前学过的知识进行更进一步的理解与应用，我们之前学过的知识得到巩固。不仅如此，对于我们进行软件仿真和编写程序同样具有很好的指引作用，锻炼了我们这方面的能力。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中的概念、原理和方法具有重要意义，本次课程设计涉及了《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《系统辨识》等课程内容，将本专业的各项内容有机融合在了一起，增加了我们的专业知识的储备，提高了我们的学习能力。1.2课程设计的主

6、要内容任务I经典控制部分二阶水箱液位对象机理模型的建立；通过实验方法辨识系统的数学模型的建立；二阶水箱系统的物理模拟；数据采集卡与数据通讯；开环对象特性测试；比例系数变换对系统闭环性能的影响；比例积分控制器对控制性能的影响；PID控制器对控制性能的影响；串联校正环节的设计与分析；采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析；任务Ⅱ现代控制部分状态空间模型模型的建立、分析；56状态反馈控制器的设计；状态观测器的设计；基于状态观测的反馈控制器设计；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，具体分工如下所示。xxx：各部分的参数计算

7、、编程实现及实际电路仿真。xxx：电路的设计与各环节仿真运行结果分析，撰写报告。56第2章双容水箱系统的建模与模拟2.1二阶水箱介绍过程实验室GK06是由两个水箱和一个调节器构成的，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，被控变量是下水箱的液位。在本次课程设计中，首先选取GK06装置中的1#水箱和2#水箱串联组成的液位控制系统，选取控制变量为变频泵的频率，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

8、-1双容水箱装置流程图图1-2控制流程图2.2二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