北京交通大学自动化专业综合实验报告.docx
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北京交通大学自动化专业综合实验报告
自动化专业综合实验
指导教师：
***
学院：
电子信息工程学院
班级：
自动化1002
组员：
倒立摆控制系统实验
一、倒立摆控制系统
（一）倒立摆控制系统简介
倒立摆是机器人技术、控制理论、计算机控制等多个领域、多种技术的有机结合，其被控系统本身又是一个绝对不稳定、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，可以作为一个典型的控制对象对其进行研究。
最初研究开始于二十世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。
近年来，新的控制方法不断出现，人们试图通过倒立摆这样一个典型的控制对象，检验新的控制方法是否有较强的处理多变量、非线性和绝
对不稳定系统的能力，从而从中找出最优秀的控制方法。
倒立摆控制系统作为控制理论研究中的一种比较理想的实验手段，为自动控制理论的教学、实验和科研构建一个良好的实验平台，以用来检验某种控制理论或方法的典型方案，促进了控制系统新理论、新思想的发展。
（二）倒立摆控制系统特性
1、非线性
倒立摆是一个典型的非线性复杂系统，实际中可以通过线性化得到系统的近似模型，线性化处理后再进行控制。
也可以利用非线性控制理论对其进行控制。
2、不确定性
主要是模型误差以及机械传动间隙，各种阻力等，实际控制中一般通过减少各种误差来降低不确定性，如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差，利用滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。
3、耦合性
倒立摆的各级摆杆之间，以及和运动模块之间都有很强的耦合关系，在倒立摆的控制中一般都在平衡点附近进行解耦计算，忽略一些次要的耦合量。
4、开环不稳定性
倒立摆的平衡状态只有两个，即在垂直向上的状态和垂直向下的状态，其中垂直向上为绝对不稳定的平衡点，垂直向下为稳定的平衡点。
5、约束限制
由于机构的限制，如运动模块行程限制，电机力矩限制等。
为了制造方便和降低成本，倒立摆的结构尺寸和电机功率都尽量要求最小，行程限制对倒立摆的摆起影响尤为突出，容易出现小车的撞边现象。
（三）倒立摆控制系统实现
1、倒立摆控制系统设计方法
控制器的设计是倒立摆控制系统的核心内容，因为倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰，需要给系统设计控制器，目前典型的控制器设计理论有：
PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制方法、自适应控制，以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法。
2、系统的相关参数定义如下：
M——小车质量
m——摆杆质量
b——小车摩擦系数
L——摆杆转动轴心到杆质心的长度
I——摆杆惯量
F——加在小车上的力
X——小车位置
φ——摆杆与垂直向上方向的夹角
θ——摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）
二、实验过程
（一）直线一级倒立摆PID控制实验
1、物理模型
倒立摆控制系统是由计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆立体和光电码盘几大部分组成的闭环系统。
在实际的建模过程中，忽略孔子流动阻力以及各种次要的摩擦力，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质刚性杆组成的系统，如下图所示：
系统中小车和摆杆的手里分析图。
其中N和P为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量（定义图示方向为食量正方向）。
建立倒立摆控制系统实际系统模型：
摆杆角度和小车位移的传递函数：
摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为
摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：
2、simulink仿真模型建立
3、实验仿真过程及结果
（1）确定参数Kp：
Kp=10，Ki=0，Kd=0。
可见系统不仅出现较大震荡现象，且反应时间较长，此时系统性能较差。
为加快系统反应时间，增大系统控制量Kp。
确定参数Kp：
Kp=40，Ki=0，Kd=0。
此时系统反应时间大幅度减小，但仍旧存在震荡现象，因此加入控制参数Kd以消除震荡现象。
（2）确定参数Kd：
Kp=40，Ki=0，Kd=10。
此时系统反应时间较快且不存在震荡现象，但是存在一定稳态误差，故加入Ki减小稳态误差。
（3）确定参数Ki：
Kp=40，Ki=20，Kd=10。
由此便得到了较为合适的曲线，使系统最终达到了稳定状态。
所以，仿真得到的较为理想的PID控制参数为：
Kp=40；
Ki=20；
Kd=10；
4、对比实际实验记录结果
因实际实验结果受摩擦、外界干扰等较多因素影响，故与理想仿真结果有较大差距，但是控制系统反应曲线趋势具有一致性。
（二）直线一级倒立摆顺摆PID控制实验
1、物理模型
直线一级倒立摆的摆杆在没有外力的作用下，会保持静止下垂的状态，当收到外力作用后，摆杆的运动状态和钟摆类似，如果不存在摩擦力的作用，摆杆将持续摆动，这种震荡将会产生不良后果，我们希望摆杆能很快停止到指定位置。
直线一级顺摆的受力分析如下：
与直线一级倒立摆的物理建模过程类似，可以得到以下实际的物理模型：
摆杆角度和小车位移的传递函数：
摆杆角度和小车加速度之间的传递函数：
2、simulink仿真模型建立
3、实验仿真过程及结果
（1）、确定参数Kp：
Kp=-40，Ki=0，Kd=0。
可见系统是不稳定的，呈等幅振荡，需要加入微分控制。
（2）、确定参数Kd：
Kp=-40，Ki=0，Kd=-2。
系统振荡次数过多，稳定时间较长，因此增加微分参数。
Kp=-40，Ki=0，Kd=-4。
系统可以很快的稳定，但是存在一定的稳态误差，为消除稳态误差，增加积分控制。
（3）确定参数Ki：
Kp=-40，Ki=-100，Kd=-4。
由此便得到了较为合适的曲线，所以，仿真得到的较为理想的PID控制参数为：
Kp=-40；Ki=-100；Kd=-4
三、实验感想
大三上学过经典控制理论，这个学期又上了计算机控制还有过程控制，学习的课程内容都紧紧围绕PID控制算法，在本次实验中，将它应用于实际的控制系统中，终于体会到为什么说PID控制是控制的基础。
这个实通过调整参数就能使摆杆基本稳定在平衡位置，而且反应时间还很短。
倒立摆是一种典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定、非最小相位系统。
是进行控制理论研究的典型实验平台，倒立摆实验是运用古典控制理论，结合现代应用软件MATLAB里的SIMULINK对其进行仿真，最后在实际实验中对摆杆进行快速性，准确性和稳定性控制，达到理想的效果。
因此，研究倒立摆具有重要的理论和实践意义。
常规的PID控制，值最早的也只最经典的一种控制方式，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高，因而至今仍广泛应用于工业过程控制中。
它有三个控制环节，分别是比例、积分和微分，实验中使用的控制器的传递函数是
其中
分别是比例系数、积分系数和微分系数。
各个系数功能如下：
1.比例系数Kp增大，闭环系统的灵敏度增加，稳态误差减小，系统振荡增强。
比例系数超过某个值时，闭环系统可能变得不稳定。
2.积分系数Ki增大，可以提高系统的型别，使系统由有差变为无差，积分作用太强会导致闭环系统不稳定。
3.微分系数Kd增大，预测系统变化趋势的作用增强，会使系统的超调量减小，响应时间变快。
但是上述的各个参数在调节过程中并不是相互独立的，而是会相互影响。
PID控制的快速性较差，而且只能对摆角进行控制，无法控制位移。
PID控制是单控制量，外部扰动对实验结果的影响会比较大。
在实验过程中，让我们对PID控制有了自己更深的理解，认识了倒立摆这个经典的控制系统，也接触了PID控制方法在实际控制系统中的应用。
虽然PID控制算法有些许的不足，但是随着不断的改进，，会逐步减小误差。
这只是PID的一小个应用实例，相信它在工程和生活中有着广泛的应用，所以我们应该把理论和实际联系起来将理论知识应用到实践中去，不断探索不断创新。
三容水箱控制系统实验
一、实验系统介绍
实验系统从三方面进行介绍，分别是系统对象、实验平台和上位机。
（一）系统对象
本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统有两路：
一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、被控对象
由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
（1）水箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：
D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：
D=35cm，H=20cm。
水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
b）模拟锅炉：
是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。
做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度，可完成温度的定值控制、串级控制，前馈-反馈控制，解耦控制等实验。
2、检测装置
（1）压力传感器、变送器：
三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，精度为0.5级。
采用工业用的扩散硅压力变送器带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：
4～20mADC。
（2）温度传感器：
装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检
测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。
Pt100测温范围：
-200～+420℃。
经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。
Pt100传感器精度高，热补偿性较好。
（3）流量传感器、变送器：
三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
它的优点是测量精度高，反应快。
采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源。
流量范围：
0～1.2m3/h；精度：
1.0%；输出：
4～20mADC。
3、执行机构
（1）电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。
电动调节阀型号为：
QSVP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
（2）水泵：
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变220V输出驱动。
（3）电磁阀：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀型号为：
2W-160-25；工作压力：
最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：
－5～80℃；工作电压：
24VDC。
（4）三相电加热管：
由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。
（二）实验控制平台
1、电源控制屏
合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。
此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。
按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。
2、三相移相SCR调压装置
采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。
输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。
3、传感器采集信号控制面板
传感器包括液位传感器，产生1～5V标准电压信号；PT100铂电阻，产生阻值变化信号；和4～20mA标准电流信号；
4、智能仪表
智能仪表对不同传感器采集信号进行预处理，变为统一的1～5V标准电压信号进行A/D采样同时显示，通过RS232等串行口通讯协议与PC相连，将数据实时传到上位机。
接受由上位机控制算法产生的控制信号，并进行D/A转换，产生统一的4～20mA标准电流控制信号，控制电动调节阀和三相移相SCR调压装置等执行器，完成控制任务。
（三）上位机
基于C++builder6.0开发的上位机监控软件包括水箱液位控制和炉温控制两个部分，准确的的完成了与远程数据采集系统和智能仪表系统的动态交互。
以计算机代替模拟调节器进行控制，将数据采集板转换完的A/D数据，利用计算机控制算法产生控制量，并传输回智能仪表，进行D/A转换。
完成人机交互界面的开发，使用户能够方便的完成现场数据采集和显示、实时和历史数据处理、控制算法选择和相应控制参数配置、动画显示趋势曲线和参数分析辨识等功能。
二、实验目的
1、了解三容水箱液位定值控制系统的结构和组成。
2、掌握三阶系统调节器参数的整定与投运方法。
3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4、分析不同控制率对本实验系统的作用。
三、实验原理
三容水箱数学模型的测定实验
三容液位定值控制系统
本系统可以看成是由三个单容对象串连构成。
例如以上水箱为例，水流人量为Q，由调节阀控制，流出量Q。
则由负载阀来改变。
水位h的变化反映了流人量Q和流出量Q不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。
当水的流人量与流出量相等的时候，水位保持不变。
当控制阀突然开大，水的流人量阶跃增多，水位开始上升。
随着水位的升高，水箱内水的静压力增大，则水的流出量也随之增多，最终会使得流人量和流出量相等，水位就再次稳定下来。
四、实验步骤
1、实验系统上电}二位机进入监控画面，并设定调节阀FV101具有较小的开度；
2、启动水泵，上水箱注水；
3、观察监控画面，一段时间后水位在比较低时达到平衡状态；
4、增大调节阀的开度，记录水位随时间的数据直至液位再次达到平衡
五、实验数据处理与分析
（一）PID控制
1、Kp=20Ki=3Kd=0.24
PID调节过程分析：
刚启动时，由于误差较大，比例环节起主要作用，控制器输出与阀门的开度均达到最大，水箱水位迅速上升。
随着水箱水位的上升，误差的减小，比例控制的作用逐渐减弱，当水箱水位达到设定值并产生一定的超调时，微分项和比例项同时起作用，减小水位的超调和振荡，水位逐渐达到平稳的状态。
此后，积分项起着主要的作用，只要有一定的误差，在积分作用就不断继续，使水位不断趋近于设定水位，最终稳定在设定水位上，此时控制器的输出也将达到稳定状态。
2、Kp=20Ki=3Kd=0.35
PID调节过程分析：
由于第一次试验初次未能达到所设定的稳态值4CM，所以第二次试验中，比例和积分部分不变，适当增大了微分控制作用，效果得到很大改善，平稳性也好了很多，但仍然没有达到我们的要求，因此需继续进行第三次参数调节。
3、Kp=20Ki=2.5Kd=0.35
PID调节过程分析:
该组试验进行了积分项调节的尝试，因为积分控制作用主要控制系统的静态误差，所以对动态性改善不大。
4、Kp=17Ki=2.5Kd=0.35
PID调节过程分析：
最后一次试验我们对比例控制作用进行了调节，总体来说获得了动态性能好，稳态误差小的调节效果。
但是由于时间的限制，我们只进行了4组的试验，显然这是远远不足的，因此在试验结束后，助教向我们介绍了另一种控制方法——无模式自适应控制。
该方法相比PID调节更加复杂，但是可以获得更加好的调节效果。
（二）无模型自适应控制（MFAC）
助教进行演示的参数设置：
rou=10lamda=0.01yita=2miu=0.01fai=5
无模型自适应控制分析：
相比PID控制，MFAC的调节效果更加出色，调节时间短，稳态误差小，平稳性好。
六、三容水箱仿真
1、建模
经过查阅资料，建立三容水箱模型如下：
利用matlab中的simulink工具搭建模型如下：
利用matlab中的simulink工具搭建模型如下：
2、PID参数整定
为简便起见，采用工程整定法中的稳定边界法进行整定。
首先，将PID控制器积分项系数、微分项系数均置为0，只让比例项工作，由大到小调节比例系数，当Kp=2.85时，输出出现等幅振荡，记录此时的临界振荡周期Tcr=2.75s，临界比例带为
=1/2.835。
计算PID控制器的系数：
，Ti=0.5Tcr=1.375，Td=0.125Tcr=0.344，也即Kp=1.698,Ki=1.235,Kd=0.584。
3、验证PID控制器的整定参数
将PID控制器参数设置成整定得参数，可得如图所示结果，此时整定所得PID参数已达到较好的结果，衰减比接近于4:
1，调节时间也较短，故用这样的参数控制三容水箱将得到较好的控制效果。
七、实验感想
三容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成三容水箱的数学模型，具有很强的代表性和工业背景。
三容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有积极的指导作用，为研究更加复杂的系统奠定了基础。
经过这次实验的学习，我们进一步了解了PID控制系统，完成了以三容水箱实验系统为研究对象，用三容水箱构成典型的三阶对象，采用PID调节器对系统进行调节。
在实验过程当中，我们首先了解了三容水箱液位定值控制系统的结构和组成，并掌握了三阶系统调节器参数的整定与投运方法。
接下来实际操作，通过调节PID参数来得到一个相对较好动态性能和稳态性能。
用试凑法，先调节比例参数，得到较好的超调量，再慢慢调小积分环节参数，得到较好的稳态性能。
基于比例参数和积分参数，调节微分参数，从而得到较好的响应曲线。
最后，经过助教老师的指导，我们了解了另一种调节器无模型自适应控制（MFAC），MFAC无模型自适应控制能够处理具有强非线性和时变性系统的控制问题。
最后，很感谢老师的辛勤教学和助教们的耐心指导！
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