内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计说明书解析.doc

内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题 目：双容水箱液位控制系统仿真 学生姓名： 学 号： 专 业：自动化 班 级：自动化 11-3班 指导教师：梁丽 课程名称 控制系统仿真 设计题目 双容水箱液位控制系统仿真 指导教师 梁丽 时间 2012.10.29~2012.11.02 一、教学要求 1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法； 2、学会使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法； 3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。 二、设计资料及参数 1、双容水箱逻辑结构上图所示。 水流入量Qi由调节阀u（FV101）控制，流出量Qo则由用户通过负载阀R来改变，被调量为下水箱水位h，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。 2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s，T2=80s，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1， 。 三、设计要求及成果 1、分析系统，根据物料平衡原理（即液位平衡状态下，流出量必然等于流入量）和给出的参数推导系统的数学模型； 2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink实现求其动态响应； 3、设计合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其尽量满足稳、准、快的要求； 4、针对大滞后系统，可以用Simulink搭建带有Smith预估器的PID控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较； 5、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），要求给出设计的模型图和仿真曲线图。 四、进度安排 1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天） 2、Matlab/Simulink建模（一天） 3、控制系统设计与优化（两天） 4、编写课程设计说明书（一天） 五、评分标准 1）工作态度（占10%）； 2）基本技能的掌握程度（占20%）； 3）方案的设计是否可行和优化(40%)； 4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。 分为优、良、中、合格、不合格五个等级。 六、建议参考资料 1、李国勇，控制系统数字仿真与CAD[M]，北京：电子工业出版社，2003，9 2、王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用[M]，北京：中国电力出版社，2007，9 2、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计[M]，北京：机械工业出版社，2005，1 3、金以慧，过程控制[M]，北京：清华大学出版社，2003，6 目录 第一章 控制系统仿真概述 5 1.1 控制系统计算机仿真 5 1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 5 第二章 PID控制简介及其整定方法 9 2.1 PID控制简介 9 2.1.1 PID控制原理 9 2.1.2 PID控制算法 9 2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 11 2.2.1 比例控制与其调节过程 11 2.2.2 比例积分调节 12 2.2.3 比例积分微分调节 12 2.3 PID控制的特点 13 2.4 PID参数整定方法 14 第三章 史密斯（Smith）预估器说明与实现 15 3.1史密斯(Smith)预估器 15 3.1.1．史密斯补偿原理 15 3.1.2．史密斯预估器的计算机实现 16 第四章 双容水箱液位控制系统设计 17 4.1双容水箱结构 17 4.2系统分析 17 4.3双容水箱液位控制系统设计 20 4.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 20 4.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 21 第一章 控制系统仿真概述 1.1 控制系统计算机仿真 控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤： （1）建立控制系统的数学模型 系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式。 （2）建立控制系统的仿真模型 根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型。 （3）编制控制系统的仿真软件 采用各种各样的计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言。 （4）进行系统仿真试验并输出仿真结果 通过对仿真模型对实验参数的修改，进行系统仿真实验，输出仿真结果。如