自控原理实验平台课.docx
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自控原理实验平台课
实验一控制系统的初步认识
过程控制CS4000系统介绍
过程控制是针对工业生产过程中液位、流量、温度、压力等参数的控制。
一、CS4000系统组成
1、
双管路流量系统
系统包括两个独立的水路动力系统，一路由水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路），由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。
如右图：
双管路流量系统可以完成多种方式下的流量控制实验：
a.单回路流量控制实验b.流量比值控制实验
2、四容水箱液位系统
系统提供一组有机玻璃四容水箱，每个水箱装有液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。
因此系统可以完成多种方式下的液位、流量及其组合实验。
如右图：
3、热水箱-纯滞后水箱温度系统
系统提供了一个加热水箱和一个温度纯滞后水箱，加热水箱及纯滞后水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻检测温度，由可控硅控制电加热管提供可调热源，系统可以完成多种温度实验
二、执行机构
1、可控硅移相调压装置
通过4-20mA电流控制信号控制单相220V交流电源在0-220V之间实现连续变化，从而调节电加热管的功率。
2、调节阀
●电动调节阀
电动调节阀通过改变管路的流通面积来改变控制通过的流量，由电动执行机构和调节阀两部分组成。
调节阀部分主要由阀杆、阀体、阀芯、及阀座等部件组成。
当阀芯在阀体内上下移动时，可改变阀芯阀座间的流通面积。
电动执行机构一般采用随动系统的方案组成，如上图所示。
从调节器来的信号通过伺服放大器驱动电动机，经减速器带动调节阀，同时经位置发生器将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。
依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换为阀杆的行程。
为了简单，电动执行器中常使用两位式放大器和交流鼠笼式电机组成交流继电器式随动系统。
执行器中的电机常处于频繁的启动制动过程中，在调节器输出过载或其他原因使阀卡住时，电机还可能长期处于堵转状态。
为了保证电机在这种情况下不至因过热而烧毁，电动执行器都使用专门的异步电机，以增大转子电阻的办法，减小启动电流，增加启动力矩，使电机在长期堵转时温升也不超出允许范围。
这样做虽使电机效率降低，但大大提高了执行器的工作可靠性。
三、检测机构
1、扩散硅式压力传感器
2、涡轮流量计
3、电磁流量计
4、Pt100热电阻温度传感器
四、控制系统
1、智能调节仪控制系统
智能调节仪型号为上海万迅仪表有限公司AI818A，系统中有两块AI818A，以便可以实现串级等复杂控制。
AI818A与电脑通过串口通讯。
上位机软件采用MCGS。
AI818A与MCGS的使用参照相关手册。
2、DDC计算机直接控制系统
采用集智达R-8000系列RemoDAQ-R-8017模拟量输入模块,RemoDAQ-R-8024模拟量输出模块。
与电脑串口通讯。
上位机DDC实验软件是厂家面向过程控制实验特点，结合本过程控制实验对象，开发的一套DDC实验软件。
运行电脑桌面的“中控教仪过程控制实验软件”图标即可打开实验软件。
实验内容参照相应的实验指导书。
3、PLC可编程控制器控制系统
采用西门子s7-300PLC，电脑上安装了一块CP5621西门子通讯卡（PCI-E插槽），通讯线将卡接口连到PLC的cpu的MPI端口，实现通讯。
PLC中运行的程序采用西门子STEP7设计并下载到PLC中、上位机程序采用西门子Wincc设计，存放在电脑C盘基础性/总线型目录的PLC子目录下，运行电脑桌面的WINCC图标可打开该实验软件，再参照相应的实验指导书完成实验。
4、C3000过程控制器
C3000是国产的一种采用32位微处理器和5.6英寸TFT彩色液晶显示屏的可编程多回路控制器。
C3000过程控制器主要有控制、记录、分析等功能。
可通过串口、以太网和CF卡实现与上位机的数据交换。
本装置中采用串口与上位机通讯。
C3000内部有3个程序控制模块、4个单回路PID控制模块、6个ON/OFF控制模块，可实现串级、分程、三冲量、比值控制及用户定制等多种复杂的控制方案。
倒立摆系统
一、基本原理介绍
倒立摆系统是一个非线性复杂的自然不稳定系统,是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。
许多抽象的控制概念，如控制系统的非线性问题、稳定性问题、鲁棒性问题、可控性问题、镇定问题、随动问题、跟踪问题、以及系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。
除教学用途外，倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象。
他们不断从研究倒立摆控制方法中发掘出新的控制方法，并将其应用于军工、航天科技和机器人学等各种高新科技领域。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可以分成一级、二级、三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电机或其它驱动设备），控制系非线性与复杂系统实验室提供实验的倒立摆系统包括英国Feedback设备有限公司的一级倒立摆系统（如图1所示）和固高科技有限公司二级倒立摆系统（如图2所示）。
图1Feedback一级倒立摆实物图与结构示意图
图2固高二级倒立摆实物图与结构示意图
二、控制方法
倒立摆系统的输入为小车位移（即位置）和摆杆倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自于传感器的小车与摆杆实际位置信号，与期望值进行比较后，通过一种控制算法得到控制量，再经数/模转换驱动直流电机实现倒立摆系统的实时控制。
控制问题就是使摆杆尽快地达到平衡位置，小车跟踪给定的位置输入，并且系统能克服随机扰动而保持稳定。
其控制结构如图3所示。
二级倒立摆因为由两根摆杆自由连接，因此需要同时分别采集两根摆杆的实时倾角。
图3倒立摆的控制原理和结构示意图
由控制效果的不同，又可以分为：
起重机（CRANE）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，同时摆杆保持竖直向下的状态；摆动（Swing-Up）模式，此模式的控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆在摆动区域内等频率的摆动；自垂直（Self-erecting）模式，此模式是用的最多的一种倒立摆控制模式，其控制目标是使小车跟踪给定的位置输入，而使摆杆始终保持在竖直向上状态。
倒立摆系统适用的课程包括自动控制原理、现代控制理论，现代控制工程、线性控制系统、非线性控制系统、计算机控制系统、智能控制，模糊控制和神经网络控制等等。
对于倒立摆的研究主要集中在两个方面：
1、倒立摆系统稳定及特定位置的定位问题研究。
（1）状态反馈H∞控制方法：
如极点配置调节器的方法、LQR最优调节器的方法和LQY最优调节器的方法等；
（2）智能控制理论的方法：
如模糊控制理论方法、神经网络控制理论方法、模糊控制与神经网络控制相结合的控制方法、神经网络与遗传算法结合的控制方法、拟人智能控制的方法、云模型控制方法等；
（3）鲁棒控制方法：
如鲁棒LQ最优控制方法等。
2、倒立摆自动起摆问题研究。
针对于倒立摆系统通常可设计以下实验：
1、系统建模与辨识：
常用建模方法有牛顿-欧拉方法、拉格朗日方法以及常用辨识方法有神经元网络辨识等；
2、控制器设计：
包括PID控制器、根轨迹法控制器和频域响应法控制器等；
3、最优控制器设计：
如LQR和LQY状态反馈控制器。
三、评价方式
由于倒立摆本身包含有较强的非线性和不稳定性，因此对于倒立摆的控制是十分复杂的，一般衡量倒立摆系统的性能主要以稳态性能为主，即使得倒立摆摆杆稳定在垂直位置状态下的稳定性和抗扰动能力。
而主要的衡量指标为摆杆的倾斜角度和小车的位移量。
对于倒立摆的动态性（即倒立摆自动起摆问题）的研究，是倒立摆系统研究更高层次。
智能移动机器人系统
一、基本原理
智能移动机器人系统是一类典型的非线性复杂控制系统。
移动机器人的研究根据数量的不同分成单机器人控制技术和多机器人群集控制技术。
根据使用环境的不同可以分为室内型移动机器人和室外性移动机器人。
移动机器人技术在某种程度上已经代表当今信息技术、自动化技术、系统集成等技术的最新发展。
控制系非线性与复杂系统实验室从美国ActivMedia公司引进6台PioneerII系列智能移动机器人，其中包括4台PXe室内型机器人与At室外型机器人（如图1所示）。
DXe系列室内机器人与At系列室外机器人由于其使用范围的区别，在结构存在很大的不同，首先，室内机器人在拥有良好的场地条件，因此室内机器人采用两个前驱动轮和单个自由转动的后轮的设计，而室外机器人由于受到地形的限制，则采用四轮驱动的设计，提高机器人稳定性减小轮胎打滑影响；第二，室内机器人由于环境空间有限，因此可以通过激光传感器实现环境建模、自定位和目标的精确探测，而室外机器人处于非结构化环境中且环境空间理论上为无穷大，因此室外型机器人没有配置激光传感器；第三，室外机器人配置了全球定为系统GPS，室内机器人没有。
DXe型室内机器人
At型室外器人
图1PioneerII系列智能移动机器人
二、控制方法
Pioneer系列移动机器人基本控制原理如图2所示，机器人主体（上位机/Server）通过无线局域网与PC机（下位机/Client）之间传递数据，形成一个封闭的信息流；此外机器人本身PC机与机器人的嵌入式控制平台之间直接形成一个控制闭环对机器人直接控制，使机器人本身具有一定的“智能”。
图2机器人控制结构图
智能移动机器人的控制综合了多门学科，其中单机器人的研究集中在机器人的智能化和拟人化开发，主要的控制技术包括：
无线通信技术、仿人智能控制、运动控制技术、传感器技术、机器视觉技术、多传感器信息融合技术、模式识别技术等，其中室外型机器人的研究又包括GPS研究、全距离信号传送研究和遥操作研究等；多机器人的研究则主要集中为多机器人的协调控制和群集控制，主要的控制技术包括：
多机器人刚/柔性编队技术、多机器人无线通信技术、多智能体技术及其扩展的机器人足球和传感器网络技术等。
三、评价方式
智能移动机器人在不同的应用环境下的评价方式不同，一般而言基本评价方式包括：
实时性和准确性，对机器人控制常常采用C-S模式，因此下位PC机与机器人之间往往通过无线网络进行通讯，所以机器人控制的实时性常常无法满足，提高实时性的方法通常由预测控制算法。
而在多机器人控制或群集控制系统中，除了机器人之间通讯的实时性外，多机器人系统的稳定性和容错能力对整个系统的性能影响更大。
双选翼多输入多输出系统
双旋翼多输入多输出系统（TwinRotorMulti-inputMulti-outputSystem，简称TRMS或双旋翼系统）是一种从英国的Feedback公司引进的控制实验设备。
TRMS是一个运动方式类似于直升机的系统，对它的控制研究有助于对直升机空中姿态控制系统的设计。
它还将控制理论的相关学科：
数学、力学、计算机等有机地结合在一起，为我们提供了一个理论与应用相结合的典型实例。
该系统具有一定交叉耦合、高阶非线性等特性，通过对该系统的建模、设计和仿真可以加深对控制理论和技术在非线性复杂控制系统中的应用和研究。
1TRMS系统简介
TRMS是为复杂控制实验设计的系统。
它的运动方式类似于直升飞机空中姿态的定位。
TRMS主要构成部件是底座、支撑杆、两个旋翼（主旋翼和尾旋翼）、横梁、平衡锤、位置传感器、旋翼的直流电机和测速电机、电源控制开关盒以及用三条带状数据线连接的带PCL-812PG接口卡的PC机等。
实验装置的示意图如图1所示。
图1实验装置示意图
横梁的支点处安装了曲轴，这样横梁就可以在水平和垂直面自由旋转。
横梁的支点处安装了位置传感器，用来测量横梁的位置。
在横梁的两端安装了旋翼，两个旋翼都带有直流电机和测速电机，直流电机用来驱动旋翼旋转，测速电机用来测量旋翼的角速度。
尾端带有重物的平衡锤臂被固定在横梁的曲轴处。
2TRMS控制方法
对TRMS的控制过程可描述为：
用传感器测量TRMS的输出信号，即横梁的位置，经过A/D转换后送入计算机，计算机根据事先设计的控制算法得出控制量并输出控制信号，经D/A转换，成为直流电机的输入电压，驱动旋翼旋转，电压值的改变引起旋翼转速的改变，从而改变旋翼周围的空气动力，引起横梁位置的变化，继而使得横梁处于期望的位置。
TRMS可以用多种理论和方法来实现其控制，如PID、智能控制及其它一些非线性控制方法。
1）常规PID控制
PID控制是极其经典和普遍的控制方法，比例、积分、微分环节的综合作用使PID控制具有结构简单、物理意义明确、鲁棒性强及稳态无静差等优点。
但是由于该系统的强交叉耦合性，使得控制响应不能满足高性能指标的要求。
2）解耦PID控制
解耦PID控制是对常规PID控制方法的加强，通过解耦控制可以将多输入多输出系统转变为多个单输入单输出系统，解决了系统的强交叉耦合所带来的控制难题，因此可以满足相对较高的控制指标。
3）智能控制
由于TRMS的复杂性，所以很难建立相应的数学模型，而一般情况下智能控制对模型的要求不是很严格。
所以针对系统的复杂非线性特性采用智能控制相对优于其他的方法。
3TRMS控制要求
除了满足单输入单输出系统的控制要求（如稳定性，抗干扰能力等）外，针对双旋翼多输入多输出系统，由于其非线性和耦合性，还要满足以下性能指标。
1）关联性
对于多变量耦合控制系统来说，总是要求闭环系统具有弱关联性，才能提高系统的控制指标。
因此在系统设计时通常需要考虑系统相互之间的关联性，针对具体问题选择最简单有效的方法来减少闭环系统的关联性。
2）整体性
整体性是指闭环系统当中某些部件发生了故障，致使若干回路断开时仍保持稳定性的一种性能。
由于部件故障源较多，各种故障模式的组合情况相当复杂，因此很难保证系统对所有故障情况都具有整体性，实际上也并无必要达到这种面面俱到的整体性。
针对具体的控制问题，一般只需考虑最容易发生的部件故障，保证系统具有良好的整体性即可。
实验二控制系统的电子模拟实验
一、实验目的
1、熟悉教学模拟机的工作原理及组成，掌握示波器的使用方法；
2、掌握典型环节模拟电路的构成方法；
3、观察和记录典型环节的阶跃响应，分析其动态性能；
4、了解参数变化对典型环节动态性能的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
二、实验仪器及设备
1、labACT教学模拟机
2、数字示波器
三．实验内容及步骤
1、首先关闭电源，进行各环节接线，并拔去不用的导线；
2、闭合电源后，检查供电是否正常，分别将各运算放大器调零（时间不允许可以暂时不调），并用示波器观察调整好信号源；
信号调整方法：
用短路套短接S-ST，使函数发生器（B5）产生的周期性矩形波信号（OUT），该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。
1>在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）；
2>量程选择开关S2置上档，调节‘设定电位器’，使之矩形波宽度为1秒左右（D1单元左边边显示）；
3>调节B5单元的‘矩形波幅值’电位器，使矩形波输出电压＝1V（D1单元右边显示）；
3、断开电源，依次按图2-3（a~f）所示典型环节的模拟电路接线，并将信号源连接到环节的输入端，将示波器分别接到环节的输入、输出端观察记录得出的波形。
4、经仔细检查，确认接线无误后，接通电源，按记录表给定的参数进行测试，观察记录节约响应波形。
（1）比例环节（a）
（2）
积分环节（b）
（3）
惯性环节（c）
（4）
比例微分环节（d）
（5）比例积分环节（e）
（6）
振荡环节（f）
R使用元件库A11只读式可变电阻（0～999.9K）
四、实验报告要求
1、画出各个典型环节的模拟电路，求出其传递函数；
2、整理实验记录，说明各环节的参考变化对其输出响应的影响；
3、解释实验中出现的现象，将实验结果与理论结果进行比较分析。
五、思考题
1、实验中阶跃信号的幅值应如何考虑为宜？
2、积分环节和惯性环节的主要差别是什么？
在什么条件下惯性环节可视为积分环节？
能否通过实验来验证？
3、如何通过实验测定惯性环节的时间常数？
将测定的结果与理论值进行比较。
实验三系统的动态性能与稳态的研究（需要预习）
一、实验目的
1、掌握二阶系统性能指标的测试技术；
2、研究二阶系统的阻尼比ζ和无阻尼自振荡频率ω对系统动态性能的影响；
3、分析系统在不同输入信号作用下的稳态误差；
4、观察系统稳定和不稳定的运行状态，研究开环放大系数及时间常数对系统稳定性的影响。
二、实验仪器及设备
3、labACT教学模拟机
4、数字示波器
三、实验内容及步骤
预习计算表格中的参数的理论值。
1、
断开电源，按图3-1的模拟电路组成二阶系统。
2、检查连线，确诊无误后闭合电源，按以下步骤进行实验记录。
1>使K3=10（第三级放大器的放大系数），并保持输入矩形波幅值不变，依下表所列的变化值逐次改变（α＝R/100K），记录表内所列各项数据（见下表）
2>使K3=10，α=0.33，记录数据并根据数据画出系统的阶跃响应曲线
3.断开电源依次按图所示的模拟电路组成0型，I型系统，按实验内容进行实验观察R变化情况下的稳态误差变化。
（R≥100KΩ）
5.改变0型和I型系统的放大系数（即改变电位器的衰减系数的值，R值），观察系统在方形信号和斜坡输入时的稳态误差有何变化，并记录于下表。
⏹实验报告要求：
⏹1>认真整理实验数据，记录实验曲线和实验现象
⏹2>将实验结果与理论分析结果进行比较，分析产生误差的原因
⏹3>分析二阶系统的ζ和ωn对稳态误差的影响
⏹4>分析系统的结构和参数对稳态误差的影响
⏹5>讨论实验中出现的有关现象
⏹6>提出实验中出现的问题，体会和建议。
‘
实验四频率特性法的计算机研究
一.实验目的
⏹学习应用计算机绘制系统的频率特性图（Bode图和Nyqiust图）的方法；
⏹通过频率特性图分析系统的性能，熟悉频率特性图在设计中的应用；
⏹了解系统参数的变化对系统特性的影响。
二.实验设备
计算机一套
三、频率法实验步骤
⏹运行Matlab7.1；
⏹在命令框中输入rltool；
⏹File—>Import—>编辑一下G、H、F、C则OK按钮可用，单击OK；
⏹在菜单中compensators—>editC—>Format选Zero/PoleLocation—>编辑Gain、Zeros和Poles；
⏹在菜单中View选中OpenLoopBode，则显示Bode图；
⏹在菜单中Analysis下选OpenLoopNyquist，则显示整个奈氏曲线。
选ResponsetoStepCommand则显示单位阶跃响应曲线。
选RejectionofStepDisturbance则显示单位阶跃输入的误差变化情况。
三、频率法实验内容
⏹考察最小相位系统幅相曲线与Bode图的特点：
⏹幅相曲线起点与积分环节个数的关系、终点与分子分母阶次数的关系。
⏹Bode图中对数幅频与对数相频变化的关系。
⏹考察非最小相位系统以上关系是否成立。
⏹检查作业题。
⏹记录实验结果，包括实验中用到的开环传递函数和对应的频率特性。
实验五PID的参数调整
一、实验的目的、意义
PID调节器是反馈控制系统中最重要单元。
在控制系统组成后，唯一的是可通过整定调节器参数Kp、Ti和Td来改善系统动态过程的品质。
通过实验加深对Kp、Ti和Td物理意义的理解，以及改变这些参数对调节器输出特性的影响。
二、实验要求
在Matlab的Simulink环境下，对给定的被控对象进行PID参数的整定。
掌握调节器结构和工作原理，熟悉PID参数整定的经验公式以及微调方法，确定Kp、Ti和Td以保证系统超调量小于10％的前提下，调节时间尽量缩短。
三、实验内容
按照实验指导书上仿真对象只做每组的第一题（每个学生以自己学号尾数作为选题组号。
）
四、实验步骤
1、准备建模
运行Matlab。
File—>New—>model
view—>LibraryBrowser
要用到的环节包括：
输入信号选择Simulink—>Source—>Step单位阶跃信号。
Simulink—>MathOperations—>sum和Gain。
注意负反馈在Sum中应使用负号。
Simulink—>Continuous—>Integrator积分器，Derivative微分器和TransferFcn传函。
输出选择Simulink—>Sinks—>Scope。
2、建立模型
注意负反馈在Sum中应使用负号。
PID控制器不使用Simulink自带的，因为Simulink自带的PID控制器传函是P+I/s+Ds，三参数跟设计中使用的参数不同。
所设计的PID控制器传函是Kp（1+1/Tis+Tds）。
因此利用Integrator积分器和Derivative微分器自己搭建PID控制器。
3、临界增益法
编辑TransferFcn。
根据需要，可以将被控对象传函分解为多个的串联。
Numerator分子和Denominator分母输入的是多项式形式的系数。
例如[123]表示s2+2s+3。
编辑PIDcontroller的Proportional比例、Integral积分、Derivative微分系数。
开始时，设置积分1/Ti、微分系数Td为0。
设置仿真参数（也可以不设置，使用缺省参数）：
Simulation—>configurationparameters—>stoptime—>100，initialstepsize可用auto。
但可设置Maxstepsize为0.001，以免出现报警告信息。
调整比例系数Kp，双击Scope，Simulation—>run观察Scope曲线；反复调整比例系数Kp，使得响应曲线出现等幅震荡。
记下此时的比例系数Kps和振荡周期Ts。
查表5-2获得PID控制器的参数。
4、微调
将查表5-2获得的PID控制器参数输入所建立的模型的各个Gain。
最好采用PID全控制，因为仅采用比例作用容易有稳态误差存在。
加入积分作用可消除稳态误差，而加入微分作用可以通过微调满足系统的动态性能。
运行该系统，得到的响应曲线超调量不符合实验要求。
根据PID控制器的参数与系统性能之间的关系，利用积分作用改善稳态性能，利用微分作用改善动态性能。
为了减小超调量，可以适当增大微分作用而减小积分作用。
在减小超调量的同时，调整时间也会降低。
记录实验结果，包括所用的传递函数和得到的PID控制参数，分析参数对控制系统性能的影响。
1、
，2、
，
3、
，4、
，
5、
，6、
，
7、
，8、
，
9、
，10、
，
基于临界增益的齐格勒－尼柯尔斯调整法则5-2
控制器类型
Kp
Ti
Td
P
0.5K临
0
PI
0.45K临
0.83Ts
PD
0.6K临
0.5Ts
0.125Ts
升级会员 