自动化专业课程设计_MATLAB控制系统仿真（32页)ppt课件

1、自动化专业课程设计二 MATLAB及控制系统仿真课程设计.自动化专业课程设计二 MATLAB及控制系统仿真课程设计1、目的：加强学生对控制实际及控制系统的了解，熟练运用计算机仿真常用算法和工具，完成控制系统计算机辅助设计的训练。提高学生对控制系统的综合及设计技艺，扩展学生的知识面，培育学生独立分析问题及处理问题的才干，为以后从现实践控制系统的设计任务打下根底。2、涉及的相关课程：本综合设计涉及的相关课程主要有自动控制原理、现代控制实际、过程控制、MATLAB及控制系统仿真等。 .自动化专业课程设计二3、根本流程：1系统分析及数学模型建立2开环系统仿真及动态特性分析3控制方案设计及闭环系统仿真实

2、验4实验结果分析5撰写设计报告4、要求：1要求实际正确，设计合理、仿真数据准确2设计报告撰写规范.自动化专业课程设计二5、详细设计内容：1基于观测器的倒立摆控制系统设计及仿真2锅炉过热汽温控制系统设计及仿真6、要求：1要求实际正确，设计合理、仿真数据准确；2设计报告撰写规范.7、评分平常成果 60%书面报告 40%出勤 40%上机表现 40%结果演示 20%程序设计 70%结果分析 30%. MATLAB及控制系统仿真课程设计 一、基于观测器的倒立摆控制系统设计及仿真分数占比80%.一级倒立摆二级倒立摆三级倒立摆一级直线顺摆.摆摆是进展控制实际研讨的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。由于倒立

3、摆系统的控制战略和杂技运发动顶杆平衡扮演的技巧有异曲同工之处，极富兴趣性，而且许多笼统的控制实际概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰才干等等，都可以经过倒立摆系统实验直观的表现出来，因此在欧美兴隆国家的高等院校，它已成为必备的控制实际教学实验设备。学习控制实际的学生经过倒立摆系统实验来验证所学的控制实际和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了了解。 .倒立摆不仅仅是一种优秀的教学实验仪器，同时也是进展控制实际研讨的理想实验平台。由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制实际的研讨人员不断将它视为典型的研讨对象，不断从中开掘出新的控制战略和

4、控制方法，相关的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了宽广的运用。二十世纪九十年代以来，更加复杂多种方式的倒立摆系统成为控制实际研讨领域的热点，每年在专业杂志上都会有大量的优秀论文出现。 . 倒立摆系统是一个复杂的、高度非线性的、不稳定的高阶系统，是学习和研讨现代控制实际最适宜的实验安装。倒立摆的控制是控制实际运用的一个典型范例,一个稳定的倒立摆系统对于证明形状空间实际的适用性是非常有用的。迄今人们对倒立摆的研讨曾经非常深化，我国已胜利地实现了四级倒立摆的控制。 在此，我们首先运用动力学方程建立一级倒立摆的非线性数学模型；采用小偏向线性化的方法在平衡点附近部分线性化得到线性化的数学模型；然后运

5、用形状空间分析方法，采用形状反响为倒立摆系统建立稳定的控制律；最后运用形状观测器实现倒立摆系统的稳定控制。.系统建模可以分为两种：机理建模和实验建模。实验建模就是经过在研讨对象上加上一系列的研讨者事先确定的输入信号，鼓励研讨对象并经过传感器检测其可观测的输出，运用数学手段建立起系统的输入输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的准确检测，数学算法的研讨等等内容。机理建模就是在了解研讨对象的运动规律根底上，经过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入形状关系。 对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。但是经过假设忽略掉一些次要的要素后，倒立摆系统就是一个

6、典型的运动的刚体系统，可以在惯性坐标系内运用经典力学实际建立系统的动力学方程关系。 .一一级倒立摆系统的数学模型 系统的组成系统由小车、小球和轻质杆组成。倒摆经过转动关节安装在驱动小车上，杆子的一端固定在小车上，另一端可以自在地左右倒下。经过对小车施加一定的外部驱动力，使倒摆坚持一定的姿态。.小车质量 ；小球的质量 ； 倒摆的杆长 ； 重力加速度 ； 表示倒摆偏离垂直方向的角度；u 是小车遭到的程度方向 的驱动力；本设计中所用到的各变量的取值及其意义：. 假设轨道是光滑的，忽略摆杆的质量，系统所受的外力包括小球遭到的重力和小车程度方向的驱动力 u。 x(t)和(t)分别表示小车的程度坐标和倒摆

7、偏离垂直方向的角度。1、运动分析：一级倒立摆有两个运动自在度：一个是沿程度方向运动直线运动 另一个是绕轴线的转动旋转运动XY.XYFyFxGxl程度方向遭到的合外力竖直方向遭到的合外力经过受力分析，由牛顿第二运动定律，系统的运动满足下面的方程：x轴方向：小球受力分析表示图，其中 表示小球的重心坐标小球的重心坐标满足整理后得沿程度方向运动直线运动.小球的力矩平衡方程： 整理可得：XYFyFxGxL绕轴线的转动旋转运动.最后得到倒立摆系统的动力学方程： 显然该系统为明显的非线性系统。但是对小车施加驱动力的目的是要坚持小球在垂直方向的姿态，因此，我们关注的是小球在垂直方向附近的动态行为变化，为此将系

8、统在该参考位置(0)附近进展线性化处置。 .2、模型转化(微分方程形状方程) 由倒摆系统的动力学模型，可得到倒摆系统的形状方程：取如下形状变量：.3、形状方程的线性化：采用Jacobian 矩阵线性化模型，最终得到系统的线性化形状方程为： 假定系统的输出为倒摆的角度和小车的x轴坐标，那么系统的输出方程为：.二形状反响的倒摆系统设计 1、系统的开环仿真.2、输出反响设计方法 经过反复的调整和研讨增益k1、k2对于系统误差的敏感性，最终可以稳定系统。然而系统的动态性能远不能让人称心，对于k1=-50,k2=-2，系统只是临界稳定，它仍在新的参考点附近反复震荡。 .输出反响的仿真结果：倒摆的角度小车

9、的位置.详细设计步骤如下： (1)系统可控性判别。运用可控性判别矩阵CM=ctrb(A,B) 判别.(2)闭环系统的极点配置。根据系统的动态性能，确定闭环系统期望极点clp。 (3)确定反响增益。运用MATLAB的place函数Ks=place(A,B,clp),确定反响增益Ks 。3、形状反响设计：期望极点clp= -1.5+3j -1.5+3j -5 -4 .Simulink构造图：由于对小车位置的控制要求静态终值所以 所以有. 详细设计步骤如下：1系统的可观性判别。运用可观性判别矩阵OM=obsv(A,C)判别可观性。 2闭环极点配置。适中选择观测器的极点，使观测器的动态速度是系统的两倍

10、以上，观测器的极点op=2*clp。3指定极点的观测器增益G。同样运用place函数：G=place(A,C,op),G=G。4、全维形状观测器的倒立摆控制系统设计与仿真 .系统方框图： vuuyxvBCAGBACKs.设计过程1、建立倒立摆的数学模型动力学数学模型非线性微分方程方式形状空间表达式非线性形状空间表达式线性形状空间表达式线性2、倒立摆的形状空间分析法设计采用形状反响进展极点配置基于全维观测器，用形状反响进展极点配置3、基于MATLAB的倒立摆系统仿真设计MATLAB言语程序设计和SIMULINK模型建立建立倒立摆的开环仿真模型，察看输出曲线设计形状反响进展极点配置，分析曲线设计观

11、测器和形状反响进展极点配置，分析曲线 根据非线性数学模型建立开环仿真模型，察看输出曲线 采用以上设计的观测器和形状反响进展控制，分析曲线. MATLAB及控制系统仿真课程设计 二、锅炉过热汽温控制系统设计及仿真分数占比20%. 锅炉出口过热蒸汽温度是蒸汽的重要质量目的，是整个锅炉汽水通道中温度最高的，直接关系到设备的平安和系统的消费效率。 过高，使金属强度降低，影响设备平安； 过低，使全厂热效率显著下降，每下降 5 oC 使热效率下降 1%影响蒸汽温度的要素：减温水量 QW 控制量蒸汽流量 D烟气热量 QH一蒸汽温度控制的义务锅炉过热蒸汽温度控制的根本义务就是维持过热器出口温度在允许范围内, 维护设备平安，并使消费过程经济、高效的继续运转。 .减温水量对蒸汽温度的影响 过热器具有多分布参数的对象，可以把管内蒸汽和金属管壁看作多个单容对象串联组成的多容对象。当减温水流量发生变化后，需求经过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽温度变化。减温器间隔出口越远延迟就越大。 运用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式。 二蒸汽温度系统开环模型建立.三蒸汽温度控