《控制系统仿真与设计》课程作业--水箱水位控制系统

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1、《控制系统仿真与设计》课程作业——水箱水位控制系统学院：控制科学与工程专业：自动化班级：1601姓名：指导老师：日期：2019年5月12日目录1.第一题………………………………………………………………………11.1第一问…………………………………………………………………11.1.1解题思路………………………………………………………11.1.2具体过程………………………………………………………11.1.3遇到的问题……………………………………………………11.2第二问…………………………………………

2、………………………21.2.1解题思路………………………………………………………21.2.2具体过程………………………………………………………21.2.3遇到的问题……………………………………………………32.第二题………………………………………………………………………32.1解题思路………………………………………………………………32.2具体过程………………………………………………………………32.3遇到的问题……………………………………………………………43.第三题……………………………………

3、…………………………………43.1解题思路………………………………………………………………43.2具体过程………………………………………………………………53.3遇到的问题……………………………………………………………54.第四题………………………………………………………………………54.1第一问…………………………………………………………………64.1.1解题思路………………………………………………………74.1.2具体过程………………………………………………………84.1.3遇到的问题…………

4、…………………………………………94.2第二问…………………………………………………………………94.2.1解题思路………………………………………………………104.2.2具体过程………………………………………………………105.总结与体会…………………………………………………………………111第一题简化模型，只考虑方程（1）中所确定的系统，即只考虑系统中的流量而不考虑温度时，进行如下仿真。1.1第一问不施加控制器作用时，仿真系统输入流量为表中的值时水箱的高度（此问不使用Simulink，其中原水

5、箱高度可设为0或20cm）。1.1.1解题思路设水箱原高度为0cm。将表2中用于线性化的操作点值——热水质量流速=200g/s，冷水质量流速=100g/s——代入方程（1）后可得到一个微分方程，利用MATLAB的dsolve函数可以得到该微分方程的解，再用plot函数画出解的曲线。1.1.2具体过程系统质量平衡方程为：利用MATLAB编程解得水位高度曲线如图1.1.1所示。图1.1.3.1水位高度曲线图1.1.3.2MATLAB代码1.1.3遇到的问题微分方程的解是一个初等函数。用一个数组K来存放

6、每个时刻t对应的函数的解，最后以t为横轴，K为纵轴画出解的曲线。1.1第二问不考虑热水流量，仅考虑冷水（即取热水质量流速=0，冷水质量流速=100）时，为该系统添加PID控制器，使得水位高度稳定在20cm，对水箱高度变化进行仿真。此外希望水箱高度仿真模型与仿真曲线之间通过友好的用户界面（GUI）实现。1.1.1解题思路先在第一问的基础上使用Simulink仿真，拖拽模块构造模型。此时输入量为冷水质量流速。然后添加工具箱中的PID模块，将期望高度值和系统的输出量作差，并作为PID的输入。将PID的输

7、出反馈到参考输入处。最后在GUI中调用已搭建好的模型，输出仿真曲线。1.1.2具体过程使用Simulink工具箱，搭建系统模型：图1.2.2.1系统Simulink模型图使用GUI，获取用户输入的比例、积分、微分系数，代码如下：图1.2.2.2获取用户输入参数的代码仿真结果为：图1.2.2.3GUI界面1.1.1遇到的问题不知道怎么设计PID控制器，对PID的理解不够深，概念很模糊。查阅了相关资料，在弄懂PID控制原理之后，设计出比较合理的控制器，但是参数还有待优化。2第二题对于近似线性化的模型，

8、计算各个矩阵的值，并判断系统的能控性。2.1解题思路根据现代控制理论的知识，代入具体数值之后可以求出A,B，进而求出能控性判别矩阵Qc=[BAB]，通过Qc的秩来判断系统的能控性。2.2具体过程系统的各个矩阵为：，，代入具体数值得：，，系统的能控性判别矩阵为：由MATLAB计算得Qc的秩为2，如图2.2.1所示。图2.2.1求能控性判别矩阵所以，原系统是能控的。3第三题对系统（5）~（7）设计一个线性控制器。其中假设：采用如下的控制法则：并希望通过在式（8）的条件下，通过给定值r(