自動化專業(yè)課程設(shè)計_MATLAB控制系統(tǒng)仿真

1、自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）自動化專業(yè)課程設(shè)計（二） MATLAB MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）自動化專業(yè)課程設(shè)計（二） MATLABMATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計n1、目的：、目的：n加強學(xué)生對控制理論及控制系統(tǒng)的理解，熟練應(yīng)用計算機仿加強學(xué)生對控制理論及控制系統(tǒng)的理解，熟練應(yīng)用計算機仿真常用算法和工具，完成控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計的訓(xùn)練。真常用算法和工具，完成控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計的訓(xùn)練。n提高學(xué)生對控制系統(tǒng)的綜合及設(shè)計技能，擴大學(xué)生的知識面，提高學(xué)生對控制系統(tǒng)的綜合及設(shè)計技能，擴大學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題及

2、解決問題的能力，為以后從事實際培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題及解決問題的能力，為以后從事實際控制系統(tǒng)的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)的設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。n2、涉及的相關(guān)課程：、涉及的相關(guān)課程：n本綜合設(shè)計涉及的相關(guān)課程主要有本綜合設(shè)計涉及的相關(guān)課程主要有自動控制原理自動控制原理、現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制理論理論、過程控制過程控制、MATLAB及控制系統(tǒng)仿真及控制系統(tǒng)仿真等。等。 自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）n3、基本流程：、基本流程：n（1）系統(tǒng)分析及數(shù)學(xué)模型建立）系統(tǒng)分析及數(shù)學(xué)模型建立n（2）開環(huán)系統(tǒng)仿真及動態(tài)特性分析）開環(huán)系統(tǒng)仿真及動態(tài)特性分析n（3）控制方案設(shè)計及閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗）控制方案

3、設(shè)計及閉環(huán)系統(tǒng)仿真實驗n（4）實驗結(jié)果分析）實驗結(jié)果分析n（5）撰寫設(shè)計報告）撰寫設(shè)計報告n4、要求：、要求：n（1）要求理論正確，設(shè)計合理、仿真數(shù)據(jù)準確）要求理論正確，設(shè)計合理、仿真數(shù)據(jù)準確n（2）設(shè)計報告撰寫規(guī)范）設(shè)計報告撰寫規(guī)范自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）自動化專業(yè)課程設(shè)計（二）n5、具體設(shè)計內(nèi)容：、具體設(shè)計內(nèi)容：n（1）基于觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真）基于觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真n（2）鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真）鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真n6、要求：、要求：n（1）要求理論正確，設(shè)計合理、仿真數(shù)據(jù)準確；）要求理論正確，設(shè)計合理、仿真數(shù)據(jù)準確；n（2）設(shè)計報告撰寫規(guī)范

4、）設(shè)計報告撰寫規(guī)范7、評分評分n平時成績平時成績 60%n書面報告書面報告 40%出勤出勤 40%上機表現(xiàn)上機表現(xiàn) 40%結(jié)果演示結(jié)果演示 20%程序設(shè)計程序設(shè)計 70%結(jié)果分析結(jié)果分析 30% MATLAB MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計計 一、一、基于觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真基于觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真（分數(shù)占比（分數(shù)占比80%）一級倒立擺一級倒立擺二級倒立擺二級倒立擺三級倒立擺三級倒立擺一級直線順擺一級直線順擺擺擺n擺是進行控制理論研究的典型實驗平臺，可以分為擺是進行控制理論研究的典型實驗平臺，可以分為倒立擺倒立擺和和順擺順擺。n由于倒立擺系統(tǒng)的控

5、制策略和雜技運動員頂桿平衡表演由于倒立擺系統(tǒng)的控制策略和雜技運動員頂桿平衡表演的技巧有異曲同工之處，極富趣味性，而且許多抽象的的技巧有異曲同工之處，極富趣味性，而且許多抽象的控制理論概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性和系統(tǒng)抗干擾能力控制理論概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性和系統(tǒng)抗干擾能力等等，都可以通過倒立擺系統(tǒng)實驗直觀的表現(xiàn)出來，因等等，都可以通過倒立擺系統(tǒng)實驗直觀的表現(xiàn)出來，因此在歐美發(fā)達國家的高等院校，它已成為必備的控制理此在歐美發(fā)達國家的高等院校，它已成為必備的控制理論教學(xué)實驗設(shè)備。論教學(xué)實驗設(shè)備。n學(xué)習(xí)控制理論的學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實驗來驗證所學(xué)習(xí)控制理論的學(xué)生通過倒立擺系統(tǒng)實驗來驗證所學(xué)的控制理論和算

6、法，非常的直觀、簡便，在輕松學(xué)的控制理論和算法，非常的直觀、簡便，在輕松的實驗中對所學(xué)課程加深了理解。的實驗中對所學(xué)課程加深了理解。 n倒立擺不僅僅是一種優(yōu)秀的教學(xué)實驗儀器，同時也是倒立擺不僅僅是一種優(yōu)秀的教學(xué)實驗儀器，同時也是進行控制理論研究的理想實驗平臺。進行控制理論研究的理想實驗平臺。n由于倒立擺系統(tǒng)本身所具有的由于倒立擺系統(tǒng)本身所具有的高階次、不穩(wěn)定、多變高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合特性量、非線性和強耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為典型的研究對象，不斷從中發(fā)掘出人員一直將它視為典型的研究對象，不斷從中發(fā)掘出新的控制策略和控制方法，相關(guān)的

7、科研成果在航天科新的控制策略和控制方法，相關(guān)的科研成果在航天科技和機器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用。技和機器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用。n二十世紀九十年代以來，更加復(fù)雜多種形式的倒立擺二十世紀九十年代以來，更加復(fù)雜多種形式的倒立擺系統(tǒng)成為控制理論研究領(lǐng)域的熱點，每年在專業(yè)雜志系統(tǒng)成為控制理論研究領(lǐng)域的熱點，每年在專業(yè)雜志上都會有大量的優(yōu)秀論文出現(xiàn)。上都會有大量的優(yōu)秀論文出現(xiàn)。 系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：。（一）一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（一）一級倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由小系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由小車、小球和輕質(zhì)桿組成。車、小球和輕質(zhì)桿組成。倒擺通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝在倒擺通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)

8、安裝在驅(qū)動小車上，桿子的一端驅(qū)動小車上，桿子的一端固定在小車上，另一端可固定在小車上，另一端可以自由地左右倒下。通過以自由地左右倒下。通過對小車施加一定的外部驅(qū)對小車施加一定的外部驅(qū)動力，使倒擺保持一定的動力，使倒擺保持一定的姿勢。姿勢。小車質(zhì)量小車質(zhì)量 ；小球的質(zhì)量小球的質(zhì)量 ； 倒擺的桿長倒擺的桿長 ； 重力加速度重力加速度 ； 表示倒擺偏離垂直表示倒擺偏離垂直方向的角度；方向的角度；u 是小車受到的水平方向是小車受到的水平方向 的驅(qū)動力的驅(qū)動力；kgM0 . 2kgm1 . 0ml5 .081.9g本設(shè)計中所用到的各變量的取值及其意義：本設(shè)計中所用到的各變量的取值及其意義： 假設(shè)軌道是光

9、滑的，忽假設(shè)軌道是光滑的，忽略擺桿的質(zhì)量，略擺桿的質(zhì)量，系統(tǒng)所受的系統(tǒng)所受的外力包括小球受到的重力和外力包括小球受到的重力和小車水平方向的驅(qū)動力小車水平方向的驅(qū)動力 u。 x(t)和和(t)分別表示小車的分別表示小車的水平坐標和倒擺偏離垂直方水平坐標和倒擺偏離垂直方向的角度。向的角度。1、運動分析：、運動分析：一級倒立擺有兩個運動自由度：一級倒立擺有兩個運動自由度：u一個是沿水平方向運動（直線運動）一個是沿水平方向運動（直線運動）u 另一個是繞軸線的轉(zhuǎn)動（旋轉(zhuǎn)運動）另一個是繞軸線的轉(zhuǎn)動（旋轉(zhuǎn)運動）XY),(GGyxXYFyFxGxl水平方向受到的合外力豎直方向受到的合外力通過受力分析，由牛頓第

10、二運動定律，通過受力分析，由牛頓第二運動定律，系統(tǒng)的運動滿足下面的方程：系統(tǒng)的運動滿足下面的方程：x軸方向：軸方向：),(GGyx小球受力分析示意圖，其中小球受力分析示意圖，其中 表示小球的重心坐標表示小球的重心坐標uxdtdmxdtdMG2222sinlxxGcoslyGulxdtdmxdtdM)sin(2222umlmlxmM )(cos)(sin)(2小球的重心坐標滿足小球的重心坐標滿足整理后得整理后得u沿水平方向運動（直線運動）沿水平方向運動（直線運動）小球的力矩平衡方程：小球的力矩平衡方程： (cos )(sin )(sin )xyFlFlmgl)(cos)(sin222 llxmx

11、dtdmFGx)(sin)(cos222 llmydtdmFGy222cos(sin cos )(cos)(sin cos )mxmlmlml 2(sin)sinmlmg 整理可得：整理可得：sincosmgmlxm XYFyFxGxLsinlxxGcoslyGu繞軸線的轉(zhuǎn)動（旋轉(zhuǎn)運動）繞軸線的轉(zhuǎn)動（旋轉(zhuǎn)運動）最后得到倒立擺系統(tǒng)的動力學(xué)方程：最后得到倒立擺系統(tǒng)的動力學(xué)方程：umlmlxmM )(cos)(sin)(2sincosmgmlxm 顯然該系統(tǒng)為明顯的顯然該系統(tǒng)為明顯的非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)。但是對小車施。但是對小車施加驅(qū)動力的目的是要保持小球在垂直方向的姿態(tài)，因加驅(qū)動力的目的是要保持小

12、球在垂直方向的姿態(tài)，因此，我們此，我們關(guān)注的是小球在關(guān)注的是小球在垂直方向垂直方向附近的動態(tài)行為附近的動態(tài)行為變變化，為此將系統(tǒng)在該化，為此將系統(tǒng)在該參考位置參考位置(0)附近進行線性化附近進行線性化處理。處理。 2、模型轉(zhuǎn)化、模型轉(zhuǎn)化(微分方程微分方程狀態(tài)方程狀態(tài)方程) 由倒擺系統(tǒng)的動力學(xué)模型，由倒擺系統(tǒng)的動力學(xué)模型，1z12zzxz 334zxz 可得到倒擺系統(tǒng)的狀態(tài)方程：可得到倒擺系統(tǒng)的狀態(tài)方程：22111122142121121cos() sin(cossin)cos()(sin)cossincoszuzMm gzmlzz zmlzMm lddzzdtdt xxumlz zmgzzMm

13、 mz umlmlxmM )(cos)(sin)(2sincosmgmlxm 取如下狀態(tài)變量取如下狀態(tài)變量：3、狀態(tài)方程的線性化：、狀態(tài)方程的線性化：采用采用Jacobian 矩陣線性化模型，最終得到系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程為：矩陣線性化模型，最終得到系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程為：01000()1000000101000Mm gdzMlMlzudtmgMM 假定系統(tǒng)的輸出為倒擺的角度和小車的假定系統(tǒng)的輸出為倒擺的角度和小車的x軸坐標，則系統(tǒng)的軸坐標，則系統(tǒng)的輸出方程為：輸出方程為：10000010yC Zzxx（二）狀態(tài)反饋的倒擺系統(tǒng)設(shè)計（二）狀態(tài)反饋的倒擺系統(tǒng)設(shè)計 1、系統(tǒng)的開環(huán)仿真、系統(tǒng)的開環(huán)仿真2

14、、輸出反饋設(shè)計方法、輸出反饋設(shè)計方法 通過反復(fù)的調(diào)整和研究增益通過反復(fù)的調(diào)整和研究增益k1、k2對于系統(tǒng)誤差的對于系統(tǒng)誤差的敏感性，最終能夠穩(wěn)定系統(tǒng)。然而系統(tǒng)的動態(tài)性能遠不能敏感性，最終能夠穩(wěn)定系統(tǒng)。然而系統(tǒng)的動態(tài)性能遠不能讓人滿意，對于讓人滿意，對于k1=-50,k2=-2，系統(tǒng)只是臨界穩(wěn)定，它仍，系統(tǒng)只是臨界穩(wěn)定，它仍在新的參考點附近反復(fù)震蕩。在新的參考點附近反復(fù)震蕩。 輸出反饋的仿真結(jié)果：輸出反饋的仿真結(jié)果：倒擺的角度倒擺的角度小車的位置小車的位置具體設(shè)計步驟如下：具體設(shè)計步驟如下： (1)系統(tǒng)可控性判別。應(yīng)用可控性判別矩陣系統(tǒng)可控性判別。應(yīng)用可控性判別矩陣CM=ctrb(A,B) 判別

15、判別.(2)閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)性能，確定閉閉環(huán)系統(tǒng)的極點配置。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)性能，確定閉環(huán)系統(tǒng)期望極點環(huán)系統(tǒng)期望極點clp。 (3)確定反饋增益。應(yīng)用確定反饋增益。應(yīng)用MATLAB的的place函數(shù)函數(shù)Ks=place(A,B,clp),確定反饋增益確定反饋增益Ks 。3、狀態(tài)反饋設(shè)計：、狀態(tài)反饋設(shè)計：期望極點期望極點clp= -1.5+3j -1.5+3j -5 -4 Simulink結(jié)構(gòu)圖：結(jié)構(gòu)圖：lim ( )1tr t10lim()1SsC SIAB KB* BBNr因為對小車位置的控制要求靜態(tài)終值因為對小車位置的控制要求靜態(tài)終值所以所以 所以有所以有-1Nr=-1/C

16、 (A-B*Ks)B 具體設(shè)計步驟如下：具體設(shè)計步驟如下：（1）系統(tǒng)的可觀性判別。應(yīng)用可觀性判別矩陣）系統(tǒng)的可觀性判別。應(yīng)用可觀性判別矩陣OM=obsv(A,C)判別可觀性。判別可觀性。 （2）閉環(huán)極點配置。適當選擇觀測器的極點，使觀測器）閉環(huán)極點配置。適當選擇觀測器的極點，使觀測器的動態(tài)速度是系統(tǒng)的兩倍以上，觀測器的極點的動態(tài)速度是系統(tǒng)的兩倍以上，觀測器的極點op=2*clp。（3）指定極點的觀測器增益）指定極點的觀測器增益G。同樣應(yīng)用。同樣應(yīng)用place函數(shù)：函數(shù)：G=place(A,C,op),G=G。4、全維狀態(tài)觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真、全維狀態(tài)觀測器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

17、 系統(tǒng)方框圖：系統(tǒng)方框圖： x y xvuuyxvBCAGBACKsx MATLAB MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計 二二、鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真、鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真（分數(shù)占比（分數(shù)占比20%） 鍋爐出口過熱蒸汽溫度是蒸汽的重要質(zhì)量指標，是整個鍋爐汽水通道中溫鍋爐出口過熱蒸汽溫度是蒸汽的重要質(zhì)量指標，是整個鍋爐汽水通道中溫度最高的，直接關(guān)系到設(shè)備的安全和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。度最高的，直接關(guān)系到設(shè)備的安全和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。 過高，使金屬強度降低，影響設(shè)備安全；過高，使金屬強度降低，影響設(shè)備安全； 過低，使全廠熱效率顯著下降，每下降過低，使全廠熱效率顯著下

18、降，每下降 5 5 o oC C 使熱效率下降使熱效率下降 1%1%影響蒸汽溫度的因素：影響蒸汽溫度的因素： 減溫水量減溫水量 QW （控制量）（控制量） 蒸汽流量蒸汽流量 D 煙氣熱量煙氣熱量 QH（一）蒸汽溫度控制的任務(wù)（一）蒸汽溫度控制的任務(wù)鍋爐過熱蒸汽溫度控制的基本任務(wù)鍋爐過熱蒸汽溫度控制的基本任務(wù)就是維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)就是維持過熱器出口溫度在允許范圍內(nèi), , 保護設(shè)備安全，保護設(shè)備安全，并使生產(chǎn)過程經(jīng)濟、高效的持續(xù)運行。并使生產(chǎn)過程經(jīng)濟、高效的持續(xù)運行。 Co510540 高高參參數(shù)數(shù)電電廠廠減溫水量對蒸汽溫度的影響減溫水量對蒸汽溫度的影響 過熱器具有多分布參數(shù)的對象，過熱器具有多分布參數(shù)的對象，可以把管內(nèi)蒸汽和金屬管壁看作多個可以把管內(nèi)蒸汽和金屬管壁看作多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象。當減單容對象串聯(lián)組成的多容對象。當減溫水流量發(fā)生變化后，需要通過這些溫水