自动控制课程设计说明书

《自动控制实训》说明书
专业名称：电气自动化技术
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
日期：2010年12月30日
自动控制实训评阅书
摘要
MATLAB是美国MathWorks公司自20世纪80年代中期推出的数学软件，优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出。

到目前为止，其最高版本（7.0）已经推出。

随着版本的不断升级，它在数值计算及符号计算功能上得到了进一步完善。

MATLAB已经发展成为多科学、多种工作平台的功能强大的大型软件。

关键词：MA TLAB；
MCGS专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。

适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。

通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。

此外MCGS还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。

关键词：MCGS
目录
1 课题描述 (1)
1.1基于Simulink动态仿真平台的控制系统实训项目 (2)
1.2锅炉内胆动态水温定值控制系统 (2)
1.3上水箱液位定值控制系统 (4)
2 设计过程 (2)
2.1 基于Simulink动态仿真平台的控制系统实训项目 (2)
2.2 锅炉内胆动态水温定值控制系统 (2)
2.3上水箱液位定值控制系统 (4)
总结 (7)
1.1 课题描述：基于Simulink动态仿真平台的控制系统实训项目
在控制系统分析与设计中，经常会涉及矩阵运算，有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任务。

随着MATLAB的出现，它的工具箱与Simulink仿真工具为控制系统的设计与仿真提供了强有力的工具。

控制系统分析与设计是MATLAB成功应用的领域之一。

在对控制系统进行分析时，人们经常需要求出控制系统的时域响应、频域响应和根轨迹等。

MATLAB提供了直接求取单位阶跃响应、单位冲激响应、零输入响应和任意输入响应等时域响应函数；提供了直接求取伯德图、奈奎斯特图和尼柯尔斯图等频域响应曲线函数；同时还提供了直接绘制系统根轨迹的“rlocus”、零极点图的“pzmap”等函数，这对控制系统的分析时很有帮助的。

所以这些分析的结果都以曲线图形式给出，因此具有分析结果的直观性。

开发工具：MATLAB
1.2 课题描述：锅炉内胆动态水温定值控制系统
锅炉内胆为动态循环水、变频器、磁力泵与锅炉内胆组成循环水系统。

而被控的参数为锅炉内胆水温，即要求锅炉内胆水温等于给定值。

实验前先通过变频器、磁力泵支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀F1—13.待系统投入运行以后，变频器—磁力泵再以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。

在内胆为静态时，由于没有循环水加以快速热交换，而三相电加热管功率为4.5KW，使内胆水温上升相对快速，散热过程又相对比较缓慢，而且调节的效果受对象特性和环境的限制，导致系统的动态性能较差，即超调大，调节时间长。

但当改变为循环水系统后，便于热交换及加速了散热能力，相比于静态温度控制实验，在控制的动态精度，快速性方面有了很大的提高。

1.3 课题描述：上水箱液位定值控制系统
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控对象。

系统的给定对象为一定值，它要求被控量上水箱的液位在稳态时等于给定值。

由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。

为了实现系统在阶跃扰动作用下无静差，系统的调节器应为PI或PID。

2 设计过程
2.1基于Simulink动态仿真平台的控制系统实训项目
目的：（1）、了解Simulink的启动方法。

（2）、了解Sinulink库浏览窗口的组成。

（3）、掌握动态模型的创建方法。

项目一典型环节的阶跃响应（必做）
一、实训目的
掌握典型环节的阶跃响应的特点，并由典型环节的阶跃响应曲线求取其传递函数。

二、实训步骤
（1）、启动计算机，运行MATLAB应用程序。

（2）、在MATLAB命令窗口输入Simulink，启动Simulink。

（3）、在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中的新建模型窗口快捷按钮或在Simulink选择菜单命令Flie—>New—>Model，打开一个标题为“Untitled”空白模型编辑窗口。

（4）、用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。

（5）、用同样的方法分别从数学运算模块库（Math Operations）、连续系统模块库（Continuous）和接收模块库（Sinks）中，把增益模块（Gain）、传递函数模块（Transfer Fcn）和示波器模块（Scope）拖放到空白模型编辑窗口中。

（6）、用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一个模块的输入端口，完成模块的连接。

（7）、双击各个模块，设置模块参数，完成系统的创建，存储模型。

（8）、用信号连接库（Signal Routing）中聚合模块（Mux）把几个输入合成一个向量送到示波器模块（双击聚合模块，可设置输入信号的参数）。

（9）、设置仿真参数，启动仿真，并在示波器模块观察仿真结果。

项目二二阶环节的阶跃响应(必做)
一、实训目的
掌握二阶环节的阶跃响应特点，并由阶跃响应曲线求取性能指标。

二、实训步骤
（1）、启动计算机，运行MATLAB应用程序。

（2）、在MATLAB命令窗口输入Simulink，启动Simulink。

（3）、用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。

（4）、用同样的方法分别从数学运算模块库（Math Operations）、连续系统模块库（Continuous）和接收模块库（Sinks）中，把增益模块（Gain）、传递函数模块（Transfer Fcn）和示波器模块（Scope）拖放到空白模型编辑窗口中。

（5）、用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一个模块的输入端口，完成模块的连接。

（6）、设置仿真参数，启动仿真，并在示波器模块观察仿真结果。

（7）、保持阻尼比不变，研究不同振荡频率下的二阶系统响应特性。

（8）、保持振荡频率不变，研究不同阻尼比下的二阶系统响应特性。

（9）、构造过阻尼二阶系统，研究不同时间常数的二阶系统响应特性。

二阶系统阶跃响应记录表
项目五单回路控制系统整定（必做）
一、实训目的
掌握单回路控制系统的理论整顿方法和工程整定方法，了解调节器参数对控制品质的影响。

二、实训步骤
（1）、启动计算机，运行MATLAB应用程序。

（2）、在MATLAB命令窗口输入Simulink，启动Simulink。

（3）、用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。

（4）、用同样的方法分别从连续系统模块库（Continuous）、接收模块库（Sinks）和数学运算模块库（Math Operations）中把传递函数模块（Transfer Fcn）、示波器模块（Scope）和加法器模块（Sum）拖放到空白模型编辑窗口中。

（5）、用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一个模块的输入端口，完成模块的连接。

（6）、构造单回路反馈系统的仿真模型。

其中控制对象由子系统创建。

（创建方法：用鼠标选定待购成子系统的各个模块，包括它们之间的连接线，单击鼠标右键再单击Create Subsystem）即可。

）
（7）、设调节器为比例调节器，对象传递函数为：K
0/（1+T
s）n（其
中：K
0=1，T
=10，n=4），用广义频率特性法按衰减率0.75计算调节器的参数；根
据计算结果设置PID调节器的参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。

（8）、用响应曲线法整定调节器的参数。

1）求出对象的阶跃响应曲线。

2）根据响应曲线求取对象的动态特性参数。

3）按表计算调节器的参数，并根据计算结果设置PID调节器的参数。

4）启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。

2.2 锅炉内胆动态水温定值控制系统
一、实验目的
1、了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2、研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对温度控制系统的控制作用。

3、了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。

4、分析锅炉内胆动态水温与静态水温在控制效果上有何不同之处？
二、实验设备
1、TKJ—2型高级过程控制系统实验装置
2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232—485转换器1只、串口线1跟
3、万用表1只
三、实验步骤
1、完成试验系统的接线。

2、接通总电源和相关仪表的电源。

3、打开阀F1—1、F1—2、F1—5和F1—13，关闭其它与本实验无关的阀。

用变频器—磁力泵支路给锅炉内胆打满水。

待实验投入运行以后，变频器—磁力泵再以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。

4、手动操作调节器输出，用计算机记录锅炉内胆中水温的响应曲线，并由该曲线求得K、T和τ值，据此查表确定PI调节器的参数δ和T1，并整定之。

5、设定好温度的给定值，先用手操作调节器的输出，通过三相移相调压模块给锅炉内胆加热，等锅炉水温趋于给定值且不变后，把调节器由手动转自动，使系统进入自动运行状态。

6、打开计算机，运行MCGS组态软件并进行如下实验：
当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%~15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

7、通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。

用计算机记录此时系统的动态响应曲线。

2.3上水箱液位定值控制系统
一、实验目的
1．了解单闭环液位控制系统的结构与组成。

2．掌握单闭环液位控制系统调节器参数的整定。

3．研究调节器相关参数的变化对系统动态性能的影响。

二、实验设备
1、TKJ—2型高级过程控制系统实验装置
2、计算机、上位机MCGS组态软件、RS232—485转换器1只、串口线1跟
3、万用表1只
三、实验步骤
1．按图3-7要求，完成系统的接线。

2．接通总电源和相关仪表的电源。

3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。

4.选用单回路控制系统实验中所述的某种调节器参数的整定方法整定好调节
器的相关参数。

5.设定好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水
箱打水，待其液面达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节阀
切换为自动，使系统投入自动运行状态。

6.启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增加5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。

2）待系统进入稳态后，适量改变阀F1-6的开度，以作为系统的扰动，观察并记录在阶跃扰动作用下液位的变化过程。

7．适量改变PI的参数，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

总结
通过这两个星期的课程设计，理论实践相结合给于我很大的帮助和提高。

课程设计培养了我的动手能力。

“实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。

”现在，大学生的动手能力越来越被人们重视，课程设计正好为我们提供了这一平台。

每个实验我都亲自去做，不放弃每次锻炼的机会。

经过这两个星期，让我的动手能力有了明显的提高。

课程设计让我在探索中求得真知。

那些伟大的科学家之所以伟大就是他们利用实验证明了他们的伟大。

实验是检验理论正确与否的试金石。

为了要使你的理论被人接受，你必须用事实来证明，让那些怀疑的人哑口无言。

虽说我们的课程设计只是对前人的经典实验的重复，但是对于一个知识尚浅、探索能力还不够的人来说，这些探索也非一件易事。

对于这些实验，我在探索中学习、在模仿中理解、在实践中掌握。

课程设计让我慢慢开始“摸着石头过河”。

学习就是为了能自我学习，这正是实验课的核心，它让我在探索中自我学习中获得知识。

通过这次为期两周的课程设计，我深刻了理论实践相结合的重要性，以及实际动手能力的重要性。