自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)_MATLAB控制系統(tǒng)仿真（32頁(yè))ppt課件

1、自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)二 MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì).自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)二 MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)1、目的：加強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制實(shí)際及控制系統(tǒng)的了解，熟練運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真常用算法和工具，完成控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。提高學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的綜合及設(shè)計(jì)技藝，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，培育學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題及處理問(wèn)題的才干，為以后從現(xiàn)實(shí)踐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)打下根底。2、涉及的相關(guān)課程：本綜合設(shè)計(jì)涉及的相關(guān)課程主要有自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制實(shí)際、過(guò)程控制、MATLAB及控制系統(tǒng)仿真等。 .自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)二3、根本流程：1系統(tǒng)分析及數(shù)學(xué)模型建立2開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真及動(dòng)態(tài)特性分析3控制方案設(shè)計(jì)及閉環(huán)系統(tǒng)仿真實(shí)

2、驗(yàn)4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告4、要求：1要求實(shí)際正確，設(shè)計(jì)合理、仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確2設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫規(guī)范.自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)二5、詳細(xì)設(shè)計(jì)內(nèi)容：1基于觀測(cè)器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真2鍋爐過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真6、要求：1要求實(shí)際正確，設(shè)計(jì)合理、仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；2設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫規(guī)范.7、評(píng)分平常成果 60%書(shū)面報(bào)告 40%出勤 40%上機(jī)表現(xiàn) 40%結(jié)果演示 20%程序設(shè)計(jì) 70%結(jié)果分析 30%. MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì) 一、基于觀測(cè)器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分?jǐn)?shù)占比80%.一級(jí)倒立擺二級(jí)倒立擺三級(jí)倒立擺一級(jí)直線順擺.擺擺是進(jìn)展控制實(shí)際研討的典型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以分為倒立擺和順擺。由于倒立

3、擺系統(tǒng)的控制戰(zhàn)略和雜技運(yùn)發(fā)動(dòng)頂桿平衡扮演的技巧有異曲同工之處，極富興趣性，而且許多籠統(tǒng)的控制實(shí)際概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性和系統(tǒng)抗干擾才干等等，都可以經(jīng)過(guò)倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)直觀的表現(xiàn)出來(lái)，因此在歐美興隆國(guó)家的高等院校，它已成為必備的控制實(shí)際教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)習(xí)控制實(shí)際的學(xué)生經(jīng)過(guò)倒立擺系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所學(xué)的控制實(shí)際和算法，非常的直觀、簡(jiǎn)便，在輕松的實(shí)驗(yàn)中對(duì)所學(xué)課程加深了了解。 .倒立擺不僅僅是一種優(yōu)秀的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，同時(shí)也是進(jìn)展控制實(shí)際研討的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于倒立擺系統(tǒng)本身所具有的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合特性，許多現(xiàn)代控制實(shí)際的研討人員不斷將它視為典型的研討對(duì)象，不斷從中開(kāi)掘出新的控制戰(zhàn)略和

4、控制方法，相關(guān)的科研成果在航天科技和機(jī)器人學(xué)方面獲得了寬廣的運(yùn)用。二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，更加復(fù)雜多種方式的倒立擺系統(tǒng)成為控制實(shí)際研討領(lǐng)域的熱點(diǎn)，每年在專業(yè)雜志上都會(huì)有大量的優(yōu)秀論文出現(xiàn)。 . 倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、高度非線性的、不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，是學(xué)習(xí)和研討現(xiàn)代控制實(shí)際最適宜的實(shí)驗(yàn)安裝。倒立擺的控制是控制實(shí)際運(yùn)用的一個(gè)典型范例,一個(gè)穩(wěn)定的倒立擺系統(tǒng)對(duì)于證明形狀空間實(shí)際的適用性是非常有用的。迄今人們對(duì)倒立擺的研討曾經(jīng)非常深化，我國(guó)已勝利地實(shí)現(xiàn)了四級(jí)倒立擺的控制。 在此，我們首先運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方程建立一級(jí)倒立擺的非線性數(shù)學(xué)模型；采用小偏向線性化的方法在平衡點(diǎn)附近部分線性化得到線性化的數(shù)學(xué)模型；然后運(yùn)

5、用形狀空間分析方法，采用形狀反響為倒立擺系統(tǒng)建立穩(wěn)定的控制律；最后運(yùn)用形狀觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。.系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。實(shí)驗(yàn)建模就是經(jīng)過(guò)在研討對(duì)象上加上一系列的研討者事先確定的輸入信號(hào)，鼓勵(lì)研討對(duì)象并經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)其可觀測(cè)的輸出，運(yùn)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。這里面包括輸入信號(hào)的設(shè)計(jì)選取，輸出信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)，數(shù)學(xué)算法的研討等等內(nèi)容。機(jī)理建模就是在了解研討對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根底上，經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)的知識(shí)和數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入形狀關(guān)系。 對(duì)于倒立擺系統(tǒng)，由于其本身是自不穩(wěn)定的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)建模存在一定的困難。但是經(jīng)過(guò)假設(shè)忽略掉一些次要的要素后，倒立擺系統(tǒng)就是一個(gè)

6、典型的運(yùn)動(dòng)的剛體系統(tǒng)，可以在慣性坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)實(shí)際建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程關(guān)系。 .一一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由小車、小球和輕質(zhì)桿組成。倒擺經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在驅(qū)動(dòng)小車上，桿子的一端固定在小車上，另一端可以自在地左右倒下。經(jīng)過(guò)對(duì)小車施加一定的外部驅(qū)動(dòng)力，使倒擺堅(jiān)持一定的姿態(tài)。.小車質(zhì)量 ；小球的質(zhì)量 ； 倒擺的桿長(zhǎng) ； 重力加速度 ； 表示倒擺偏離垂直方向的角度；u 是小車遭到的程度方向 的驅(qū)動(dòng)力；本設(shè)計(jì)中所用到的各變量的取值及其意義：. 假設(shè)軌道是光滑的，忽略擺桿的質(zhì)量，系統(tǒng)所受的外力包括小球遭到的重力和小車程度方向的驅(qū)動(dòng)力 u。 x(t)和(t)分別表示小車的程度坐標(biāo)和倒擺

7、偏離垂直方向的角度。1、運(yùn)動(dòng)分析：一級(jí)倒立擺有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自在度：一個(gè)是沿程度方向運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng) 另一個(gè)是繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)XY.XYFyFxGxl程度方向遭到的合外力豎直方向遭到的合外力經(jīng)過(guò)受力分析，由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)滿足下面的方程：x軸方向：小球受力分析表示圖，其中 表示小球的重心坐標(biāo)小球的重心坐標(biāo)滿足整理后得沿程度方向運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng).小球的力矩平衡方程： 整理可得：XYFyFxGxL繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).最后得到倒立擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程： 顯然該系統(tǒng)為明顯的非線性系統(tǒng)。但是對(duì)小車施加驅(qū)動(dòng)力的目的是要堅(jiān)持小球在垂直方向的姿態(tài)，因此，我們關(guān)注的是小球在垂直方向附近的動(dòng)態(tài)行為變化，為此將系

8、統(tǒng)在該參考位置(0)附近進(jìn)展線性化處置。 .2、模型轉(zhuǎn)化(微分方程形狀方程) 由倒擺系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，可得到倒擺系統(tǒng)的形狀方程：取如下形狀變量：.3、形狀方程的線性化：采用Jacobian 矩陣線性化模型，最終得到系統(tǒng)的線性化形狀方程為： 假定系統(tǒng)的輸出為倒擺的角度和小車的x軸坐標(biāo)，那么系統(tǒng)的輸出方程為：.二形狀反響的倒擺系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)仿真.2、輸出反響設(shè)計(jì)方法 經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)整和研討增益k1、k2對(duì)于系統(tǒng)誤差的敏感性，最終可以穩(wěn)定系統(tǒng)。然而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能遠(yuǎn)不能讓人稱心，對(duì)于k1=-50,k2=-2，系統(tǒng)只是臨界穩(wěn)定，它仍在新的參考點(diǎn)附近反復(fù)震蕩。 .輸出反響的仿真結(jié)果：倒擺的角度小車

9、的位置.詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如下： (1)系統(tǒng)可控性判別。運(yùn)用可控性判別矩陣CM=ctrb(A,B) 判別.(2)閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)配置。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，確定閉環(huán)系統(tǒng)期望極點(diǎn)clp。 (3)確定反響增益。運(yùn)用MATLAB的place函數(shù)Ks=place(A,B,clp),確定反響增益Ks 。3、形狀反響設(shè)計(jì)：期望極點(diǎn)clp= -1.5+3j -1.5+3j -5 -4 .Simulink構(gòu)造圖：由于對(duì)小車位置的控制要求靜態(tài)終值所以 所以有. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如下：1系統(tǒng)的可觀性判別。運(yùn)用可觀性判別矩陣OM=obsv(A,C)判別可觀性。 2閉環(huán)極點(diǎn)配置。適中選擇觀測(cè)器的極點(diǎn)，使觀測(cè)器的動(dòng)態(tài)速度是系統(tǒng)的兩倍

10、以上，觀測(cè)器的極點(diǎn)op=2*clp。3指定極點(diǎn)的觀測(cè)器增益G。同樣運(yùn)用place函數(shù)：G=place(A,C,op),G=G。4、全維形狀觀測(cè)器的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 .系統(tǒng)方框圖： vuuyxvBCAGBACKs.設(shè)計(jì)過(guò)程1、建立倒立擺的數(shù)學(xué)模型動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型非線性微分方程方式形狀空間表達(dá)式非線性形狀空間表達(dá)式線性形狀空間表達(dá)式線性2、倒立擺的形狀空間分析法設(shè)計(jì)采用形狀反響進(jìn)展極點(diǎn)配置基于全維觀測(cè)器，用形狀反響進(jìn)展極點(diǎn)配置3、基于MATLAB的倒立擺系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)MATLAB言語(yǔ)程序設(shè)計(jì)和SIMULINK模型建立建立倒立擺的開(kāi)環(huán)仿真模型，察看輸出曲線設(shè)計(jì)形狀反響進(jìn)展極點(diǎn)配置，分析曲線設(shè)計(jì)觀

11、測(cè)器和形狀反響進(jìn)展極點(diǎn)配置，分析曲線 根據(jù)非線性數(shù)學(xué)模型建立開(kāi)環(huán)仿真模型，察看輸出曲線 采用以上設(shè)計(jì)的觀測(cè)器和形狀反響進(jìn)展控制，分析曲線. MATLAB及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì) 二、鍋爐過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分?jǐn)?shù)占比20%. 鍋爐出口過(guò)熱蒸汽溫度是蒸汽的重要質(zhì)量目的，是整個(gè)鍋爐汽水通道中溫度最高的，直接關(guān)系到設(shè)備的平安和系統(tǒng)的消費(fèi)效率。 過(guò)高，使金屬?gòu)?qiáng)度降低，影響設(shè)備平安； 過(guò)低，使全廠熱效率顯著下降，每下降 5 oC 使熱效率下降 1%影響蒸汽溫度的要素：減溫水量 QW 控制量蒸汽流量 D煙氣熱量 QH一蒸汽溫度控制的義務(wù)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制的根本義務(wù)就是維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍內(nèi), 維護(hù)設(shè)備平安，并使消費(fèi)過(guò)程經(jīng)濟(jì)、高效的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 .減溫水量對(duì)蒸汽溫度的影響 過(guò)熱器具有多分布參數(shù)的對(duì)象，可以把管內(nèi)蒸汽和金屬管壁看作多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象。當(dāng)減溫水流量發(fā)生變化后，需求經(jīng)過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象，最終引起出口蒸汽溫度變化。減溫器間隔出口越遠(yuǎn)延遲就越大。 運(yùn)用噴水來(lái)控制蒸汽溫度是目前廣泛采用的一種方式。 二蒸汽溫度系統(tǒng)開(kāi)環(huán)模型建立.三蒸汽溫度控