内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计说明书(共21页)

内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计说明书题 目：双容水箱液位控制系统仿真学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：自动化 11-3班指导教师：梁丽课程名称控制系统仿真设计题目双容水箱液位控制系统仿真指导教师梁丽时间2012.10.292012.11.02一、教学要求1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。二、设计资料及参数定值QiLT104记录Qoh双容水箱结构图FV1011、双容水箱逻辑结构上图所示。水流入量Qi由调节阀u（FV101）控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变，被调量为下水箱水位h，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s，T2=80s，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1， 。三、设计要求及成果1、分析系统，根据物料平衡原理（即液位平衡状态下，流出量必然等于流入量）和给出的参数推导系统的数学模型；2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink实现求其动态响应；3、设计合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其尽量满足稳、准、快的要求；4、针对大滞后系统，可以用Simulink搭建带有Smith预估器的PID控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较；5、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），要求给出设计的模型图和仿真曲线图。四、进度安排1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）2、Matlab/Simulink建模（一天）3、控制系统设计与优化（两天）4、编写课程设计说明书（一天）五、评分标准1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。分为优、良、中、合格、不合格五个等级。六、建议参考资料1、李国勇，控制系统数字仿真与CADM，北京：电子工业出版社，2003，92、王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用M，北京：中国电力出版社，2007，92、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计M，北京：机械工业出版社，2005，13、金以慧，过程控制M，北京：清华大学出版社，2003，6目录第一章 控制系统仿真概述51.1 控制系统计算机仿真51.2 控制系统的MATLAB计算与仿真5第二章 PID控制简介及其整定方法92.1 PID控制简介92.1.1 PID控制原理92.1.2 PID控制算法92.2 PID 调节的各个环节及其调节过程112.2.1 比例控制与其调节过程112.2.2 比例积分调节122.2.3 比例积分微分调节122.3 PID控制的特点132.4 PID参数整定方法14第三章 史密斯（Smith）预估器说明与实现153.1史密斯(Smith)预估器153.1.1史密斯补偿原理153.1.2史密斯预估器的计算机实现16第四章 双容水箱液位控制系统设计174.1双容水箱结构174.2系统分析174.3双容水箱液位控制系统设计204.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图204.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形21第一章 控制系统仿真概述1.1 控制系统计算机仿真 控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤：（1）建立控制系统的数学模型 系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式。（2）建立控制系统的仿真模型 根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型。 （3）编制控制系统的仿真软件 采用各种各样的计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言。 （4）进行系统仿真试验并输出仿真结果 通过对仿真模型对实验参数的修改，进行系统仿真实验，输出仿真结果。如果应用MATLB的Toolbox及Simulink集成环境作为仿真工具，则构成了MATLAB仿真。1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 MATLAB是矩阵实验室(Matrix laboratory)之意。MATLAB其有以下主要特点： （1）功能强大，实用范围广 MATLAB除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算。差不多所有科学研究与工程技术应用所需要的计算，PID均可完成。（2）语言简洁紧凑，使用方便灵活MATLAB提供的库函数及其丰富，既有常用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用库函数。MATLAB程序书写形式利用丰富的库函数避开了复杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由各领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。 （3）有好的图形界面，用户使用方便 MATLAB具有好的用户界面与方便的帮助系统。MATLAB的函数命令众多，各函数的功能及使用又可由MATLAB图形界面下的菜单来查询，为用户提供了学习它的便捷之路。 MATLAB是演算纸式的科学过程计算语言，使用MATLAB编程运算与人的科学思路和表达方式相吻合，犹如在演算纸上运算并求运算结果，使用十分方便。 （4）图形功能强大 MATLAB里提供了多种图形函数，可以绘制出丰富多彩的图形。MATLAB数据的可视化非常简单，MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。（5）功能强大的工具箱MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。 当前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括拥有数自一个内部函数主包和三十多种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科性工具包：功能性工具包用来扩充MATLAB的符号计算、可视化建模仿真、文字处理及实时控制等功能；学科性工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等都属于此类。 针对过程控制系统的非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及MATLAB的可实现动态建模、仿真与分析等优点，采用MATLAB的Toolbox与Simulink仿真工具，为过程控制系统设计与参数整定的计算和仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。（1）Simulink的功能： Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的二个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 （2）Simulink的特点： a.丰富的可扩充的预定义模块库。 b.交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 c.以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 d.通过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。e.提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。f.使用Embedded MATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。g.使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。h.图形化的调试器和剖析来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为第二章 PID控制简介及其整定方法2.1 PID控制简介2.1.1 PID控制原理 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。 在过去的十几年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。 常规PID控制系统原理如图3.1所示。这是一个典型的单位负反馈控制系统，它由PID控制器和被控对象组成。图3.1 PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值e(t)构成偏差 e(t)=r(t)-c(t)2.1.2 PID控制算法典型的PID 模拟控制系统如图3.2所示。图中sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统输出量，PID 控制器的输入输出关系式为： （3.1）即输出=比例项+积分项+微分项+输出初始值，Kc是PID回路的增益，TI和TD分别是积分时间和微分时间常数。式中等号右边前3项分别是比例、积分、微分部分，他们分别与误差、误差的积分和微分呈正比。如果取其中的一项或这两项，可以组成P、PD、或PI控制器。需要较好的动态品质和