2015 实践环节授课计划-1(2)

杭州电子科技大学

实践环节授课计划

授课对象 实践环节名称 指导教师 时 间 总学时 64 专 业 自动化 控制系统仿真 江爱朋/王剑 班 级 20120628 学生人数 59 实践环节名称 授课对象 12级学生 控制系统仿真 课程号 S0601520 使用教材名称 自动控制原理 2015 年 9月 6日至 9月 25 日之间， 共 2 周 授 课 学时 2 2 6 6 4 4 4 4 4 4 2 2 4 4 6 4 8 实验 24 上机 32 教 学 安 排 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 教 学 内 容 理论课讲授 理论课讲授 查找资料，数学建模 查找资料，数学建模 数学建模与观测器设计 数学建模与观测器设计 数学建模与观测器设计 控制系统仿真 控制系统仿真 控制系统仿真 理论授课 理论授课 程序调试 结果分析 撰写报告 答辩 时间 9月6日 10:00-11:35 9月6日 下午第8,9节 9月7日 9月8日 9月16日 18：00-21：00 9月17日 18：00-21：00 9月18日 18：00-21：00 9月19日 18：00-21：00 9月20日 13:30-16:30 9月20日 18：00-21：00 9月21日 上午 10:00-11:35 9月21日 下午 1:35-3:15 9月21日 18：00-21：00 9月22日 18：00-21：00 9月22日 9月23日8:30-14:30 地点 11教405 11教405 学生自己安排 学生自己安排 2教南614 2教南614 2教南614 2教南614 2教南614 2教南614 11教403 11教403 2教南614 2教南614 学生自己安排 11教403 考 核 方 式 平时成绩/实验报告/答辩成绩 学院主管教学领导签字： 教研室主任签字：

年 月 日

12级控制系统仿真课程设计

本课程设计的目的着重于自动控制基本原理与设计方法的综合实际应用。主要内容包括：古典自动控制理论（PID）设计、现代控制理论状态观测器的设计、自动控制MATLAB仿真。

通过本课程设计的实践，使学生掌握自动控制理论工程设计的基本方法和工具。 一. 内容

某生产过程设备如图一所示，由液容为C1和C2的两个液箱组成，图中Q为稳态液体流量(m3/s)，?Qi为液箱A输入水流量对稳态值的微小变化(m3/s)，?Q1为液箱A到液箱B流量对稳态值的微小变化(m3/s)，?Q2为液箱B输出水流量对稳态值的微小变化(m3/s)，h1为液箱A的液位稳态值(m)，?h1为液箱A液面高度对其稳态值的微小变化(m)，h2为液箱B的液位稳态值(m)，?h2为液箱B液面高度对其稳态值的微小变化(m)，R1,R2分别为A，B两液槽的出水管液阻(m/(m3/s))，u 为调解阀开度(m2)。

已知液箱A液位不可直接测量但可观，液箱B液位可直接测量。

Qi+△Qih10+△h1AQ10+△Q1h20+△h2BQ20+△Q2

图一 某生产过程示意图

二. 要求

[1] 建立上述系统的数学模型；

[2] 对模型特性进行分析，时域指标计算，绘出BODE图，乃氏图，阶跃反应曲线; [3] 对B容器的液位分别设计：P，PI，PD，PID控制器进行控制；

[4] 对原系统进行极点配置，将极点配置在－1＋j和－1－j；（极点可以不一样）

[5] 设计一观测器，对液箱A的液位进行观测（此处可以不带极点配置）；

[6] 如果要实现液位h2的控制，为了降低扰动，可采用什么方法，怎么更加有效？试之并分

析比较。

用MATLAB对上述设计分别进行仿真。

（提示：流量Q=液位h/液阻R，液箱的液容C为液箱的横断面积，液阻R=液面差变化?h/流量变化?Q。）可以考虑实际过程流量与液位高度的非线性关系,如Q=R(h1/2),另外流量也可以与阀门特性有关。 三. 时间安排

教 学 安 排 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 教 学 内 容 理论课讲授 理论课讲授 查找资料，数学建模 查找资料，数学建模 数学建模与观测器设计 数学建模与观测器设计 数学建模与观测器设计 控制系统仿真 控制系统仿真 控制系统仿真 理论授课 理论授课 程序调试 结果分析 撰写报告 答辩 学时 2 2 6 6 4 4 4 4 4 4 2 2 4 4 6 4 时间 9月6日 10:00-11:35 9月6日 下午第8,9节 9月7日 9月8日 地点 11教405 11教405 学生自己安排 学生自己安排 9月16日 18：00-21：00 2教南614 9月17日 18：00-21：00 2教南614 9月18日 18：00-21：00 2教南614 9月19日 18：00-21：00 2教南614 9月20日 13:30-16:30 2教南614 9月20日 18：00-21：00 2教南614 9月21日 上午 10:00-11:35 11教403 9月21日 下午 1:35-3:15 11教403 9月21日 18：00-21：00 2教南614 9月22日 18：00-21：00 2教南614 9月22日 9月23日8:30-14:30 学生自己安排 11教403 四. 考核方式与评定成绩

（1） 平时检查及表现情况（资料阅读、出勤、上机等）占总成绩的10%；

（2） 答辩占总成绩的40% （3） 设计报告占总成绩的50%；

（4） 成绩分优、良、中、及格和不及格五档。

五. 参考资料

[1] 薛安克, 彭冬亮, 陈雪亭编. 自动控制原理[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2004 [2] 徐金明编 MATLAB实用教程[M]. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005 [3] 楼顺天 于卫编 基于MATBAB的系统分析与设计[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，

1999

[4] 王树青，工业过程控制工程，化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2005

指导教师：江爱朋/王剑

如图一所示，被控参数?h2的动态方程可由下面几个关系式导出： 液箱A：?Qi??Q1?C1d?h1 dtd?h2 dt液箱B：?Q1??Q2?C2R1??h1/?Q1

R2??h2/?Q2

?Qi?Ku?u

消去中间变量，可得：

d2?h2d?h2T1T2?(T?T)??h2?K?u 122dtdt式中，C1,C2——两液槽的容量系数

R1,R2——两液槽的出水端阻力 T1?R1C1——第一个容积的时间常数 T2?R2C2——第二个容积的时间常数

K?KuR2_双容对象的放大系数 其传递函数为：

G(S)??H2(S)K ?2?U(S)T1T2S?(T1?T2)S?1? 可直接设计串联P、I、D控制器，略。 ? 建立状态观测器： 根据传递函数G(S)??H2(S)K ?2?U(S)T1T2S?(T1?T2)S?1d2?h2d?h2?(T?T)??h2?K?u 得微分方程 T1T2122dtdt??x,?h???x?2 令?h2?x1,?h222

得状态方程

x?1?x2x?2??1TxT?T21?1x2?Ku

1T2T1T2即：???x1??0T1?1?T2??x??0??x????2????1T?1T2T1T2??1??x?＋?2??K??u输出：y?x1

全维观测器的建立：

令G????g1???g??，得

2??01?g??A?G?C????1?T1?T?2???g1???01?01????T1T2T?g?2???1?T11?T2?1T2?????T1T2TT?12????g1??1?det?I??A?G?C???det??1??TT2???2?(T1?T2???T1T2T?g?Tg?)??1?g1?12?T2 1T2?12T1T2式：

f?(?)?(??a)(??a)??2?2a?a2 (a为设定值） 2 对比1式和2式，得

T1?T2TT?g?2?2a121?g1?

TT?a212得

g1??1?T1T2a2g??2a?T1?T2

2T1T2?G????g1???g??

2?期望特征

1

所以全维状态观测器得方程是

???(A?G?C)x??G?(y?y?)?bux?0 ??1???T1T2?1?g1????g1?0? ?xT1?T2??????g??(y?y)??K?u??g2???2?T1T2?

根据传递函数G(S)??H2(S)K ??U(S)T1T2S2?(T1?T2)S?1

?1?x2x?2??xT?T21x1?1x2?KuT1T2T1T21??x??0?T1?T2?1＋?x??K?u?T1T2???2???

?1??0?x即：???1?x???2???T1T2

输出：y?x1

极点配置： 令K=1; T1=T2=1;

A=[0 1; -1 -2]; B=[0; 1]; C=[1; 0]; KK=acker(A,B,[-1-j;-1+j]); KK=[1 0]; 对于delt H2的观测器设计如下： Q=obsv(A,C);

G＝[8 33]

重新写delta H1的状态方程，设计关于H1的观测器 R1=R2=1; c1=c2=1;

d?h1dtd?h2?h1??h2?

dtx1??h1;x2??h2;?u??h1??????10??x1??1?1?x??????x2???0??u1?1???????x2???

?x1?y?[10]???x2?

?x1?y?[11]??

?x2?C=[1 1]; A1=A';B1=C';

kg=acker(A1,B1,[-5-j;-5+j]); kg =

17

-9

[-5-5j;-5+5j] 41 -33 然后设计极点配置与观测器

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