自动控制原理课程设计指导书值得参考

自动控制原理课程设计指导书杨志超编写南京工程学院电力工程学院二一一年五月21.24目 录前 言 11总体要求和任务 21.1课程设计的目的21.2课程设计的基本要求21.3主要内容21.4学时分配（总学时：1周）31.5主要参考文献32选 题 42.1有刷直流电机速度闭环设计及实物调试42.1.1软件仿真单元42.1.2硬件调试单元52.1.3设计要求52.1.4参考文献62.2温箱温度控制系统设计及实物调试72.2.1软件仿真单元72.2.2硬件调试单元82.2.3设计要求82.2.4参考文献92.3水箱液位控制系统的设计及实物调试102.3.1软件仿真单元102.3.2硬件调试单元112.3.3设计要求112.3.4参考文献123附 录133.1Ziegler-Nichols整定经验公式133.1.1方法一133.1.2方法二143.2硬件部分参考设计163.2.1直流电机转速控制系统163.2.2温箱温度控制系统223.2.3水箱液位控制系统244说明书格式要求264.1总体格式要求264.2正文内容注意事项264.3排版说明（见0711本科毕业设计说明书（论文）撰写规范）26前 言该指导书是配合自动控制原理课程设计而编写的，主要目的是指导学生完成课程设计，包括课程设计的选题，课程设计的总体要求以及每一小题的具体要求，课程设计封面的模板和课程设计说明书的格式要求。该书旨在引导学生独立完成自控课程设计，指出了设计的难点和要点，系统自身的特点及相关注意要点也在相关内容中体现出来。降低了学生对数学建模的要求，将设计的重点放在了控制器的设计环节上，控制器的选择是本设计的难点，选择何种控制器以及采用何种方法设计控制器，需要学生在已有的自动控制原理的知识基础上加以深化和提炼。该课程设计在内容上分为MATLAB软件仿真和硬件调试，软件仿真指导硬件调试，硬件调试对软件仿真的结果进行验证。重点在控制器的设计上，即设计出相关控制器使得系统的闭环控制输出最优，根据最优的控制器计算得出对应的参数。由于本课程设计的题目有三大类型，分别为：直流电机的速度闭环控制，温箱温度闭环控制，水箱液位控制。以上系统是基于实际工业控制应用中提炼出来的三大典型控制过程，其中以电机控制最为广泛。目前工业上最为普遍采用的控制器莫过于PID，因此在本书中涉及到的控制器大多采用PI或PID。通过该书的指导学习，学生在独立完成各自的课程设计基础上，深入地对PID控制器进行分析和体会。掌握PID各参数对系统的作用，以及现场调节PID参数的经验。1 总体要求和任务1.1 课程设计的目的巩固学生所学自动控制原理课程知识，培养学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力。对学生进行设计技能、计算绘图及编写说明书的初步训练。1.2 课程设计的基本要求（1）课程设计的全过程表现积极主动、认真、遵守纪律。独立工作能力强，工作态度认真。能按课程设计任务书的要求圆满地完成课题任务。要有自己的独立见解和一定的创新性，文字书写正确、工整。工程绘图图面清洁美观，符合标准（2）上交的课程设计说明书应包括以下内容：课程设计任务书、控制对象的结构分析、系统的结构框图、闭环控制策略选择的依据、自控分析、仿真数据分析、硬件系统的输出波形等。说明书要求文字简明扼要、结论明确、字迹清楚，图纸应整洁美观。（3）加强对自动控制原理课程的复习与总结，要求在答辩时叙述和回答问题正确流畅，表达能力强；概念清楚。1.3 主要内容本课程设计的主要内容如下：1、 控制对象特性研究2、 控制规律选择3、 控制系统设计4、 控制系统仿真以及实物调试5、 控制参数整定、控制方法改进6、 控制效果分析根据具体情况和要求可在下列内容中选择12项作为自己的研究方向1、 利用频域法进行设计（超前、滞后、超前滞后不限）。2、 利用根轨迹法进行设计（利用sisotools实现校正）。3、 利用PID进行设计（可通过Ziegler-Nichols对PID进行校正）。1.4 学时分配（总学时：1周）表1.1 学时分配序号内 容时间（天）1布置设计任务，熟悉课题，查阅资料，系统建模，MATLAB仿真12熟悉硬件平台，PID控制器的构成及相关元件作用13搭建系统硬件平台并测试，分析实际控制系统中控制器作用14上午继续完成硬件电路的设计和PID分析，下午撰写设计说明书15上午继续撰写设计说明书，下午进行答辩16合 计51.5 主要参考文献1.薛定宇,反馈控制系统设计与分析M,北京,清华大学出版社,2000,4.2.飞思科技产品研发中心,MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真M,北京,电子工业出版社,2005,3.3.胡寿松, 自动控制原理（第四版）M,北京,科学技术出版社,2001,2.1.6 思考题在课程设计过程中，用心思考以下问题：1、对象的特点是什么，以及对象由哪些环节构成，并通过试验搞明白各环节的作用？2、为什么需要PID仿真？仿真的主要目的是什么？3、PID三个参数的作用是什么？通过试验体现出各参数的相互作用。2 选 题2.1 有刷直流电机速度闭环设计及实物调试该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。2.1.1 软件仿真单元由图2.1可见要想实现系统的软件仿真必须知道四个单元的传递函数：控制器、功率放大单元、直流电机和转速测量。其中控制器传递函数因设计而异，可以选择PI或者PID等。转速测量单元和功率放大单元的传递函数可近似为比例系数。直流电机传递函数需要通过数学建模得到，建模方法可参考相关文献1和书籍，其中电机参数2可参考表2.1图2.1 直流电机调速系统框图表2.1 直流电机参数参数参数意义参数值1参数值2参数值3参数值5电枢绕组/0.52.040.1电枢电感/H0.0030.5机械转动惯量/()0.016710.06电机常数/(Nm/A)0.80.20.030.02转子阻尼系数/Nms0.01670.32.1.2 硬件调试单元将软件仿真与实际应用充分结合起来，总结软件仿真相关经验知识，指导实际硬件调试。具体设计操作见课程设计硬件操作指南。硬件调试部分主要包括如下几点：1、先对硬件的组成有深入认识，掌握每个硬件单元的功能，知道各功能单元该如何调节。2、对硬件进行接线，将硬件设备与控制箱连接起来，具体接线方法可参考相关手册和指导书。3、根据手册上的内容调节控制器的参数，使之稳定。4、进一步调节控制器参数，使之达到最优设计，调节过程要依据系统输入输出波形。调节PID参数时，可参考文献2，采用Ziegler-Nichols整定方法。2.1.3 设计要求2.1.3.1 软件仿真部分设计要求1、参考文献1完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数。2、带入表2.1的电机参数，求出系统的开环传递函数。3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标。4、分步骤实现系统的PID校正，分别进行比例控制(P)校正，比例微分(PD)控制校正、比例积分(PI)控制校正和比例积分微分(PID)校正。5、运用自动控制原理知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能。6、设计后的系统满足如下性能指标：20%, 0.15s, 0.85s。7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为7s，幅值为5V。2.1.3.2 硬件调试部分设计要求1、参考课程设计硬件操作指南指南完成实物接线。2、将阶跃信号作用于系统，调节信号的频率和幅值。3、测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出。4、分析系统的元件取值对输出影响，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分等角度分析。2.1.4 参考文献1.白继平,徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真J.中国航海,2004(4):77-80.2.吴素平，刘飞.直流电机调速系统模糊控制仿真分析J.长沙电力学院学报（自然科学版）.2006.4:34-37.3.薛定宇.反馈控制系统设计与分析M.北京,清华大学出版社,2000,4.2.2 温箱温度控制系统设计及实物调试该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。2.2.1 软件仿真单元图2.2是系统的结构框图,由于调节阀的传递函数可以等效成比例环节，测量变送环节也等效成比例环节，因此系统的传递函数大大简化。图2.2 温度控制系统结构框图由于系统的输入和输出的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃响应曲线相似，所以可以将系统的传递函数模型结构1等效成式中：为放大系数，为过程时间常数，为纯滞后时间。表2.2是文献1的参考参数，并非实物的系统参数表2.2 温箱系统参数参数参数意义参数值1参数值2参数值3参数值4放大系数4.43.545过程时间常数(s)340280300360纯滞后时间(s)20151025根据系统等效传递函数，可采用文献1中使用的频域法实现，在求解PID参数时，先不考虑延时环节，在初步求出PID参数之后，再考虑到延时环节的影响，重新调整PID参数，使得系统的阶跃响应满足15%，135s.根据系统的开环单位阶跃响应可知系统等效成带有延迟的一阶系统，这个结论正好与Ziegler-Nichols整定方法相吻合。因此可以采用该方法实现PID参数的整定。具体整定过程可参考文献2。2.2.2 硬件调试单元将软件仿真与实际应用充分结合起来，总结软件仿真相关经验知识，指导实际硬件调试。具体设计操作见课程设计硬件操作指南。硬件调试部分主要包括如下几点：1、先对硬件的组成有深入认识，掌握每个硬件单元的功能，知道各功能单元该如何调节。2、对硬件进行接线，将硬件设备与控制箱连接起来，具体接线方法可参考相关手册和指导书。3、根据手册上的内容调节控制器的参数，使之稳定。4、进一步调节控制器参数，使之达到最优设计，调节过程要依据系统输入输出波形。调节PID参数时，可参考文献2，采用Ziegler-Nichols整定方法。2.2.3 设计要求2.2.3.1 软件仿真部分设计要求1、分别利用频域法和Ziegler-Nichols法对系统调节器加以设计，并整定相关参数。2、对校正前后的系统的性能指标以及频域特性进行计算和对比，并分析校正结果。3、要求整定后的系统性能指标满足：15%，135s.2.2.3.2 硬件调试部分设计要求1、参考课程设计硬件操作指南指南完成实物接线。2、将阶跃信号作用于系统，调节信号的占空比、频率和幅值。3、测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出。4、分析系统的元件取值对输出影响，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分等角度分析。5、根据实际温箱输入和输出特性，计算出实物的传递函数。2.2.4 参考文献1.徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度PID与预测控制J.武汉理工大学学报.2004.8(28):554-557.2.薛定宇.反馈控制系统设计与分析M.北京,清华大学出版社,2000,4.2.3 水箱液位控制系统的设计及实物调试该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响。硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。在化工及工业锅炉自动控制系统中，有许多问题最终都归结为“水箱系统”的液位控制问题。对“水箱系统”的液位控制问题进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说，具有很要的意义，图2.3是水箱液位控制的原理图。图2.3 水箱系统的工艺过程原理图2.3.1 软件仿真单元根据图2.3的原理图和图2.4系统的结构图，对单容水箱系统建模，模型建立过程可参考文献1图2.4 水箱液位控制结构图表2.3 水箱液位系统相关参数参数参数意义参数值1参数值2参数值3参数值4阀体流量比例系数108.57.512水箱初始液位高度（）21.50.50.75水箱截面积（）107.212可借助Simulink搭建系统的仿真模型，先对系统进行开环分析，得出相关结论，然后引出闭环控制系统，根据系统的特点，决定采用何种控制器。2.3.2 硬件调试单元将软件仿真与实际应用充分结合起来，总结软件仿真相关经验知识，指导实际硬件调试。具体设计操作见课程设计硬件操作指南。硬件调试部分主要包括如下几点：1、先对硬件的组成有深入认识，掌握每个硬件单元的功能，知道各功能单元该如何调节。2、对硬件进行接线，将硬件设备与控制箱连接起来，具体接线方法可参考相关手册和指导书。3、根据手册上的内容调节控制器的参数，使之稳定。4、进一步调节控制器参数，使之达到最优设计，调节过程要依据系统输入输出波形。调节PID参数时，可参考文献2，采用Ziegler-Nichols整定方法。2.3.3 设计要求2.3.3.1 软件仿真部分设计要求1、参考文献1完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数。2、带入表2.3的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数。3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标。4、分步骤实现系统的PID校正，分别进行比例控制(P)校正，比例微分(PD)控制校正、比例积分(PI)控制校正和比例积分微分(PID)校正。5、运用自动控制原理知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能。6、设计后的系统满足如下性能指标：5%, 0.2s, 0.5s。7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s，幅值为5V。2.3.3.2 硬件单元设计要求1、参考课程设计硬件操作指南指南完成实物接线。2、将阶跃信号作用于系统，调节信号的占空比、频率和幅值。3、测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出。4、分析系统的元件取值对输出影响，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分等角度分析。2.3.4 参考文献1张波.“水箱系统”液位控制的仿真研究J.自动化与仪器仪表,2006(2):64-66.2.薛定宇.反馈控制系统设计与分析M.北京,清华大学出版社,2000,4.3 附 录3.1 Ziegler-Nichols整定经验公式3.1.1 方法一早在1942年，Ziegler与Nichols提出了一种使用的PID控制经验公式，这个经验公式是基于带有延迟的一阶传递函数提出的。这样的对象模型可以表示为在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似地由这样的一阶模型来表示，如果不能物理地建立起系统的模型，我们还可以由试验提出相应的参数，例如，如果可以通过实验测取对象模型的阶跃响应，则输出信号可以由图3.1中给出的草图形状来近似。这样我们可以通过这样的草图获取，与（或）参数。由图3.1可以看出，我们还可以由来求取参数。如果获得了与的参数，则可以通过表3.1中给出的经验公式设计PID控制器。图3.1带有时间延迟的一阶过程模型响应图表3.1 Ziegler-Nichols整定公式(第一种方法)控制器类型由阶跃响应整定PPIPID从表中可以看出，除了可以通过它设计PID控制器之外，我们还可以由同样的模型参数设计出P控制器和PI控制器。PID控制器公式：3.1.2 方法二对闭环系统只作用比例控制作用，如图3.2中系统闭环控制框图，使从0增加到临界值，系统的临界输出如图3.3。图3.2 系统比例闭环控制图3.3比例控制的系统闭环输出其中为临界振荡的输出波形的周期，可用示波器测量。表3.2 齐格勒-尼科尔斯整定公式（第二种方法）控制器类型由阶跃响应整定PPIPID表中的为系统在比例作用下的系统临界输出时对应的比例控制器的值。PID控制器公式：3.2 硬件部分参考设计3.2.1 直流电机转速控制系统3.2.1.1 设计目的1在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；2掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。3.2.1.2 实验设备1 ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；2 数字式万用表。3.示波器图3.4 直流电机调速系统框图3.2.1.3 设计原理图3.4为直流电机调速系统的结构框图，它由给定、PI调节器、电机驱动单元、转速测量电路和输出电压反馈等几个部分组成。在参数给定的情况下，在PI调节器的补偿作用下，直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V15V。经PI运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。转速测量电路单元将转速转换成电压信号，作为反馈信号，构成闭环系统。它由转盘、光电转换和频率/电压（F/V）转换电路组成。由于转速测量的转盘为60齿，电机旋转一周，光电变换后输出60个脉冲信号，对于转速为n的电机来说，输出的脉冲频率为60n/min，我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时，频率计的读数即为电机的转速，所以转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出，这里的F/V转换率为150Hz/V。根据设计要求改变输出电压反馈系数b可以得到预设的输出电压。3.2.1.4 设计内容及步骤设计的接线图如图3.5所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。这里给出一组参考的设计参数，仅供参考，在实际的实验中需联系实际的控制对象进行参数的试凑，以达到预定的效果。参考的试验参数为：R0=R1=R2=100KW，R3=100KW，R4=2MW，R5=10KW，C1=1mF，Rf/Ri=1。具体的设计步骤如下：1先将ACCT-III自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术面板上的 电源船形开关均放在“OFF”状态。2利用ACCT-II实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图3.5所图3.5直流电机调速系统框图示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到15V。（1）将ACCT-II面板上U1单元的可调电压接到Ug；（2）给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd=0，R4的作用是提高PI调节器的动态特性。（3）经PI运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到ACCT-III面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN），负极端（IN）接地；（4）功率转换的输出接到直流电机的电枢两端；（5）转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端，由于转速测量输出的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数b=Rf/Ri，从而调节输出的电压Uo。3连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCT-III实验面板上的电源船形开关，再合上ACCT-II面板上的船形开关，调整PI参数，使系统稳定，同时观测输出电压变化情况。4在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。5改变给定信号，观察系统动态特性。3.2.1.5 设计所测数据由图3.5可知：可调比例系数 =,可调积分时间常数=1.未加干扰时的电机转速闭环试验条件：输入信号为阶跃信号，如图3.6所示，此时测试信号1为阶跃信号，其幅值为5V，占空比为95%，周期为7s。改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。改变的值，将其分别设置成和，并观察输出曲线。图3.6测试信号设置接线说明：将 分别连接试验箱U4模块的和，分别连接试验箱U4模块的和。试验结果说明：试验输出曲线见图3.7，图中U给定即为综合信号的输出，速度输出为图3.5中测试点C。试从图中分析取不同值时系统响应。a) ,b) ,b) ,图3.7 和不同取值时的试验输出曲线2.干扰加入后的电机转速闭环试验条件：输入信号为阶跃信号和正弦波的叠加，如图3.8所示，此时测试信号1为阶跃信号，其幅值为5V，占空比为71%；测试信号2为正弦波，其幅值为1，频率为默认值1HZ。改变的值，将其分别设置成10和510，并观察输出曲线。接线说明：由于用到信号的叠加，如图3.9所示，运放U1实现两个信号的加运算，运放U2实现加运算后的信号反向作用。最后将综合信号输出接至图3.5的U给定。图3.8测试信号设置 图3.9双测试信号叠加试验结果说明：试验输出曲线见图3.10，图中U给定即为综合信号的输出，速度输出为图3.5中测试点C。试从图中分析取不同值时系统响应。a) b) 图3.10试验输出曲线3.2.1.6 设计结果分析通过以上过程，试分析PI校正系统的特点，并分析和不同值试的系统响应。3.2.1.7 思考题 1）如采用其它校正方式，该控制器又该如何设计？2）如果在转速输出上加扰动，其响应结果又如何？3.2.2 温箱温度控制系统3.2.2.1 设计目的1在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；2掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。3.2.2.2 设计设备图3.11 温度控制系统框图1ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；2数字式万用表。3示波器。3.2.2.3 设计原理温控制系统框图如图3.11所示，由给定、PI调节器、脉宽调制电路、加温室、温度变送器和输出电压反馈等部分组成。在参数给定的情况下，经过PI运算产生相应的控制量，使加温室里的温度稳定在给定值。给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V15V。PI调节器的输出作为脉宽调制的输入信号，经脉宽调制电路产生占空比可调0100的脉冲信号，作为对加温室里电热丝的加热信号。温度测量采用Cu50热敏电阻，经温度变送器转换成电压反馈量，温度输入范围为0200,温度变送器的输出电压范围为DC010V。根据实际的设计要求，调节反馈系数b，从而调节输出电压。3.2.2.4 设计内容及步骤同直流电机转速控制3.2.2.5 设计所测数据试验条件：这里提供一些参考的试验参数如下：R0=R1=R2=100KW，R3=10KW，R4=2MW，R5=510KW，C1=1mF，Rf/Ri=1。由于温度控制系统的大滞后特性，在参数设定时需将的值设置得大些，以提高系统响应的快速性。同时需调整反馈系数，设定的近似值为1，以保证输出能跟踪输入，而没有很大静态误差。将LabView的曲线显示频率设置成0.1Hz，接线说明：系统接线如直流电机转速控制，将测试点B与温度箱上的正输入端相连，并将温度箱上的正输出端与运放U3的负输入端相连，同时需将控制温度箱上的所有负端(-)与试验箱上的接地端相连即可。试验结果说明：试验结果如图3.12，图3.12试验曲线输出3.2.3 水箱液位控制系统3.2.3.1 设计目的1在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解；2学习和掌握闭环反馈系统的控制方法。图3.13 水箱液位控制系统框图3.2.3.2 设计设备1ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；2数字式万用表。3.示波器。3.2.3.3 设计原理水箱液位控制系统框图如图3.13所示，由给定、PID调节器、功率放大、水泵、液位测量和输出电压反馈电路组成。在参数给定的情况下，经过PID运算产生相应的控制量，使水箱里的水位稳定在给定值。给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V15V。PID调节器的输出作为水泵的输入信号，经过功率放大后作