計(jì)算機(jī)模擬控制系統(tǒng)建模設(shè)計(jì).doc

沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉11緒論1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在自動(dòng)化控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，20世紀(jì)50年代中期，經(jīng)典控制理論已經(jīng)發(fā)展成熟，并在不少工程技術(shù)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。隨著復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和復(fù)雜控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)上很難滿足更高的要求?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與綜合增添了理論基礎(chǔ)，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新型控制方法的實(shí)現(xiàn)提供了非常有效的手段，兩者的結(jié)合極大的推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于工廠生產(chǎn)，逐漸融入于生產(chǎn)中，各類大型工廠均離不開(kāi)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1.1.1系統(tǒng)的分類按系統(tǒng)性能分：線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)；確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)。1、線性連續(xù)系統(tǒng)：用線性微分方程式來(lái)描述，如果微分方程的系數(shù)為常數(shù)，則為定常系統(tǒng)；如果系數(shù)隨時(shí)間而變化，則為時(shí)變系統(tǒng)。今后我們所討論的系統(tǒng)主要以線性定常連續(xù)系統(tǒng)為主。2、線性定常離散系統(tǒng)：離散系統(tǒng)指系統(tǒng)的某處或多處的信號(hào)為脈沖序列或數(shù)碼形式。這類系統(tǒng)用差分方程來(lái)描述。3、非線性系統(tǒng)：系統(tǒng)中有一個(gè)元部件的輸入輸出特性為非線性的系統(tǒng)。1.1.2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在線性系統(tǒng)理論中，一般常用的數(shù)學(xué)模型形式有：傳遞函數(shù)模型（系統(tǒng)的外部模型）、狀態(tài)方程模型（系統(tǒng)的內(nèi)部模型）、零極點(diǎn)增益模型和部分分式模型等。這些模型之間都有著內(nèi)在的聯(lián)系，可以相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.2計(jì)算機(jī)模擬控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)由給定輸入、模糊控制器、控制對(duì)象、檢測(cè)變送裝置、反饋信號(hào)與給定輸入的相加環(huán)節(jié)等組成。模擬控制系統(tǒng)的各處均為連續(xù)信號(hào)，在模擬系統(tǒng)中，給定值與反饋值經(jīng)過(guò)比較器比較產(chǎn)生偏差，控制器對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而被控參數(shù)的值達(dá)到預(yù)期值。其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示：沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉2給定值被控參數(shù)控制器執(zhí)行器被控對(duì)象反饋值監(jiān)測(cè)裝置1.3數(shù)學(xué)模型及其建立方法1.3.1數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對(duì)模型的要求從最廣泛的意義上說(shuō)，數(shù)學(xué)模型是事物行為規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。根據(jù)所描述的是事物在穩(wěn)態(tài)下的行為規(guī)律還是在動(dòng)態(tài)下的，數(shù)學(xué)模型有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型之分。一般來(lái)說(shuō)，靜態(tài)模型較易得到，動(dòng)態(tài)特性往往成為建模的關(guān)鍵所在。1.建立數(shù)學(xué)模型的目的（1）制定優(yōu)化的操作方案（2）制定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究（3）進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試和控制器參數(shù)的整定（4）設(shè)計(jì)工業(yè)過(guò)程的故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)（5）制訂大型設(shè)備啟動(dòng)和停車的操作方案2.被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式眾所熟知，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型可以采取各種不同的表達(dá)形式，主要可以從一下幾個(gè)觀點(diǎn)加以劃分：（1）按系統(tǒng)的連續(xù)性分為連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)模型和混雜系統(tǒng)模型。（2）按模型的結(jié)構(gòu)劃分為輸入輸出模型和狀態(tài)空間模型（3）輸入輸出模型又可按論域劃分為時(shí)域表達(dá)階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)；頻域表達(dá)傳遞函數(shù)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所需要的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型在表達(dá)式上是因情況而異的。3.被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的利用方式被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型只是在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究時(shí)或在控制系統(tǒng)的調(diào)試整定階段中發(fā)揮作用。這種利用方式一般是離線的。近十多年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，相繼推出一類新型控制系統(tǒng)，其特沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉3點(diǎn)是要求把被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分嵌入控制系統(tǒng)中，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)即是一個(gè)例子。4.對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的要求作為數(shù)學(xué)模型，首先是要求它準(zhǔn)確可靠，但這并不意味著越準(zhǔn)確越好。應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況提出適當(dāng)?shù)囊?。超過(guò)實(shí)際需要的準(zhǔn)確性要求必然造成不必要的浪費(fèi)。在線運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型還有實(shí)時(shí)性的要求，它與準(zhǔn)確性要求往往是矛盾的。一般說(shuō)，用于控制的的數(shù)學(xué)模型并不要求非常準(zhǔn)確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性，因?yàn)槟Ｐ偷恼`差可以視為擾動(dòng)，而閉環(huán)控制在某種程度上具有自動(dòng)消除擾動(dòng)影響的能力。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性是非常復(fù)雜的，控制人員在建立其數(shù)學(xué)模型時(shí)，不得不突出主要因素，忽略次要因素，否則就得不到可用的模型。為此往往需要做很多近似處理，例如線性化、分布參數(shù)系統(tǒng)集總化和模型降價(jià)處理等。在這方面有時(shí)很難得到工藝人員的理解。從工藝人員看來(lái)，有些近似處理簡(jiǎn)直是難以接受的，但它卻能滿足控制的要求。1.3.2建立數(shù)學(xué)模型的基本方法簡(jiǎn)歷數(shù)學(xué)模型的基本方法有兩個(gè)：機(jī)理法和實(shí)驗(yàn)法。1.機(jī)理法建模用機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫(xiě)出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動(dòng)量平衡方程，相平衡方程，反映物體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn)，用機(jī)理建模的首要條件是生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理必須已經(jīng)成為人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述。其次，很顯然，除非是非常簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，否則很難得到以緊湊的數(shù)學(xué)形式表達(dá)的模型。近幾十年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的普及使用和數(shù)值分析方法的發(fā)展，對(duì)數(shù)學(xué)模型的的研究有了迅速的發(fā)展。可以說(shuō)，只要機(jī)理清楚，就可以利用計(jì)算機(jī)求解幾乎任何復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)對(duì)模型的要求，合理的近似假定總是必不可少的。模型應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)保證達(dá)到合理的精度。有時(shí)還需要考慮實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。用機(jī)理建模時(shí)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)模型中有某些系數(shù)或參數(shù)難以確定的情況。這時(shí)可以用實(shí)驗(yàn)擬合方法或過(guò)程辨識(shí)方法把這些未知量估計(jì)出來(lái)。2.實(shí)驗(yàn)法建模實(shí)驗(yàn)法一般只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理后得到的模型。它的主要特點(diǎn)是把被研究的工業(yè)過(guò)程視沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉4為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。然而，這并不意味著可以對(duì)內(nèi)部機(jī)理毫無(wú)所知。過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)它處于變動(dòng)狀態(tài)下才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，在穩(wěn)態(tài)下是表現(xiàn)不出來(lái)的。因此為了獲得動(dòng)態(tài)特性，必須是被研究的過(guò)程處于被激勵(lì)的狀態(tài)，例如人為施加一個(gè)階躍擾動(dòng)或脈沖擾動(dòng)等。為了有效的進(jìn)行這種動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，仍然有必要對(duì)過(guò)程內(nèi)部機(jī)理有明確的定性了解，例如究竟有那些主要因素在起作用，它們之間的因果關(guān)系如何等等。豐富的驗(yàn)前知識(shí)無(wú)疑會(huì)有助于成功地用實(shí)驗(yàn)法建立數(shù)學(xué)模型。那些內(nèi)部機(jī)理尚未被人們充分了解的過(guò)程是難以用實(shí)驗(yàn)法建立其準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的。用實(shí)驗(yàn)法建模一般比用機(jī)理法要簡(jiǎn)單和省力，尤其是對(duì)于那些復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程更為明顯。如果兩者都能達(dá)到同樣的目的，一般都采用實(shí)驗(yàn)法建模。實(shí)驗(yàn)法建模又可分為經(jīng)典辨識(shí)法和現(xiàn)代辨識(shí)法兩大類，它們大致可以按是否必須利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理為分界限。經(jīng)典辨識(shí)法不考慮測(cè)試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，它只需對(duì)少量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，計(jì)算工作量一般很小，可以不用計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代辨識(shí)法的特點(diǎn)是可以消除測(cè)試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)是不可缺少的工具。它所涉及的內(nèi)容很豐富，已經(jīng)形成一個(gè)專門(mén)的學(xué)科分支。2水箱水位系統(tǒng)概述在能源、化工等多個(gè)領(lǐng)域中普遍存在著各類液位控制系統(tǒng)液。各種控制方式在液位控制系統(tǒng)中也層出不窮，如較常用的浮子式、磁電式和接近開(kāi)關(guān)式。而隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，規(guī)模的擴(kuò)大，在工程中液位控制的計(jì)算機(jī)控制得到越來(lái)越多的應(yīng)用。液位控制系統(tǒng)的檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。本次課程設(shè)計(jì)一水箱水位系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)水箱水位系統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，對(duì)水箱水位控制系統(tǒng)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。2.1水箱水位控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)液位自動(dòng)控制是通過(guò)控制投料閥來(lái)控制液位的高低，當(dāng)傳感器檢測(cè)到液位設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，防止物料溢出；當(dāng)檢測(cè)液位低于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，使液位上升，從而達(dá)到控制液位的目的。在制漿造紙工廠常見(jiàn)有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動(dòng)控制系統(tǒng)由液位變送器（或差壓變送器）、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液位自動(dòng)控制器構(gòu)成。根據(jù)用戶需要也可采用控制泵啟?；蚋淖冸姍C(jī)頻率方式來(lái)進(jìn)行液位控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉5方便，操作簡(jiǎn)便直觀，可以長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定在無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)下運(yùn)行。2.1.1有自平衡能力的單容元件如果被控對(duì)象在擾動(dòng)作用下偏離了原來(lái)的平衡狀態(tài)，在沒(méi)有外部干預(yù)的情況下（指沒(méi)有自動(dòng)控制或人工控制參與），被控變量依靠被控對(duì)象內(nèi)部的反饋機(jī)理，能自發(fā)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，我們稱這類對(duì)象是有自平衡能力的被控對(duì)象。具有自平衡能力的單容對(duì)象的傳遞函數(shù)為(2.1)這是個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。描述這類對(duì)象的參數(shù)是時(shí)間常數(shù)T和放大系數(shù)K。沈陽(yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉6圖2.1單容水箱圖2.1是單容水箱的示意圖。我們已經(jīng)推導(dǎo)過(guò)水箱的傳遞函數(shù)為其中T=RC，C為水箱的橫截面積，R為輸出管道閥門(mén)的阻力。T稱為水箱的時(shí)間常數(shù)。K稱為水箱的放大系數(shù)。一階系統(tǒng)的特性我們已經(jīng)在時(shí)域分析中進(jìn)行了詳細(xì)的討論，所有結(jié)論都適用于單容對(duì)象。作為過(guò)程控制的被控對(duì)象，單容對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比較大。2.1.2電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直流電動(dòng)機(jī)可以在較寬的速度范圍和負(fù)載范圍內(nèi)得到連續(xù)和準(zhǔn)確地控制，因此在控制工程中應(yīng)用非常廣泛。直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩與磁通和電樞電流成正比，通過(guò)改變電樞電流或改變激磁電流都可以對(duì)電流電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在這種控制方式中，激磁電流恒定，控制電壓加在電樞上，這是一種普遍采用的控制方式。設(shè)為輸入的控制電壓電樞電流為電機(jī)產(chǎn)生的主動(dòng)力矩為電機(jī)軸的角速度為電機(jī)的電感為電樞導(dǎo)數(shù)的電阻為電樞轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的反電勢(shì)為電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)電路的克?；舴蚨ɡ砩蜿?yáng)理工大學(xué)0803010319王利偉7整理后式中：稱為直流電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)；稱為直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)；,為比例系數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電感比較小，一般情況下可以忽略不計(jì)，式（2.4）可簡(jiǎn)化為2.1.3減速器的傳遞函數(shù)減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來(lái)增速，稱為增速器。減速器在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，其傳遞函數(shù)如下：2.2系統(tǒng)的傳遞函數(shù)控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量變送器都屬于自動(dòng)化儀表，他們都