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1 Feedback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。

倒立摆小车位移X1X2摆杆角度图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。

全球定位系统GPS无线数字天线驱动轮单目视觉声纳环机器人主机/微控制器/数字光码盘图1Pioneer II 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、DXe 型室内机器人At 型室外器人机器视觉技术、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（Twin Rotor Multi-input Multi-output System，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。