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自动控制毕业设计

双容水箱系统建模、仿真和控制

7月23日

摘要

自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》配套实践步骤，对于深入了解经典控制理论和现代控制理论中概念、原理和方法含相关键意义。此次课程设计以过程控制试验室双容水箱系统作为研究对象，开展了机理建模、试验建模、系统模拟、控制系统分析和综合、控制系统仿真等多方面工作。

课程设计过程中，首优异行了任务I即经典控制部分工作，关键从系统模型辨识、采集卡采集、PID算法控制、串联校正进行性能指标优化、滞后控制等方面进行了设计。然后，又进行了任务II即现代控制部分工作，关键从系统模型串并联实现、能控能观标准型实现、状态反馈设计、状态观察器设计、降维观察器设计等方面进行了深入研究。最终选做部分单级倒立摆内容，并对整个课程设计做了总结。

关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。

目录

TOC\o1-3\h\z\u3511第1章引言 1

88291.1课程设计意义和目标 1

209661.2课程设计关键内容 1

285851.3课程设计团体分工说明 2

29400第2章双容水箱系统建模和模拟 3

293322.1二阶水箱介绍 3

152242.2二阶水箱液位对象机理模型建立 3

73492.3经过试验方法辨识系统数学模型建立 7

186082.3.1用试验建模（黑箱）方法辨识被控对象数学模型 7

29072.3.2经过仿真分析模型辨识效果 8

2.4物理系统模拟 9

3704第3章双容水箱控制系统构建和测试 11

17793.1数据采集卡和数据通讯 11

118973.2构建系统并进行开环对象测试 12

12608第4章双容水箱控制和仿真分析——经典控制部分 14

281664.1采取纯百分比控制 14

97024.2采取百分比积分控制 17

176294.3采取PID控制 21

83534.4串联校正步骤 24

322724.5采样周期影响及滞后系统控制性能分析 28

897第5章双容水箱控制和仿真分析——现代控制部分 31

281665.1状态空间模型建立 31

97025.2状态空间模型分析 33

176295.3状态反馈控制器设计 34

83535.4状态观察器设计 37

8402322725.5基于状态观察反馈控制器设计 43

2594第6章基于状态空间模型单级倒立摆控制系统设计 48

84026.1单级倒立摆系统介绍 48

96.2状态空间模型建立 49

230206.3能控能观性、稳定性分析 52

2594第7章总结 53

84027.1课程设计过程任务总结和经验收获 53

97.2课程设计中不足和问题分析 53

230207.3对课程设计提议 53

30900参考文件 54

7651附录 55

8820附录A：组员个人总结（一） 55

8820附录B：组员个人总结（二） 57

第1章引言

1.1课程设计意义和目标

自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》配套实践步骤，对于深入了解经典控制理论和现代控制理论中概念、原理和方法含相关键意义。

在平时学习中，我们只是停留在理论学习层面上，对部分知识点没有直观深刻了解。经过这次课程设计，我们能够对之前学过知识进行更深入了解和应用，我们之前学过知识得到巩固。不仅如此，对于我们进行软件仿真和编写程序一样含有很好指导作用，锻炼了我们这方面能力。

总而言之，此次课程设计对于我们深入了解经典控制理论和现代控制理论中概念、原理和方法含相关键意义，此次课程设计包含了《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《系统辨识》等课程内容，将本专业各项内容有机融合在了一起，增加了我们专业知识贮备，提升了我们学习能力。

1.2课程设计关键内容

任务I经典控制部分

二阶水箱液位对象机理模型建立；

经过试验方法辨识系统数学模型建立；

二阶水箱系统物理模拟；

数据采集卡和数据通讯；

开环对象特征测试；

百分比系数变换对系统闭环性能影响；

百分比积分控制器对控制性能影响；

PID控制器对控制性能影响；

串联校正步骤设计和分析；

采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析；

任务Ⅱ现代控制部分

状态空间模型模型建立、分析；

状态反馈控制器设计；

状态观察器设计；

基于状态观察反馈控制器设计；

1.3