控制系统仿真实验实验装置介绍
倒立摆实验报告(PID控制)
专业实验报告直线单级倒立摆控制系统硬件结构框图如图1所示，包括计算机、I/O设备、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件等几大部分，组成了一个闭环系统。
图1 一级倒立摆实验硬件结构图对于倒立摆本体而言，可以根据光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移，小车的速度信号可以通过差分法得到。
摆杆的角度由光电码盘检测并直接反馈到I/O设备，速度信号可以通过差分法得到。
计算机从I/O设备中实时读取数据，确定控制策略（实际上是电机的输出力矩），并发送给I/O设备，I/O设备产生相应的控制量，交与伺服驱动器处理，然后使电机转动，带动小车运动，保持摆杆平衡。
图2是一个典型的倒立摆装置。
铝制小车由6V的直流电机通过齿轮和齿条机构来驱动。
小车可以沿不锈钢导轨做往复运动。
小车位移通过一个额外的与电机齿轮啮合的齿轮测得。
小车上面通过轴关节安装一个摆杆，摆杆可以绕轴做旋转运动。
系统的参数可以改变以使用户能够研究运动特性变化的影响，同时结合系统详尽的参数说明和建模过程，我们能够方便地设计自己的控制系统。
图2 一级倒立摆实验装置图上面的倒立摆控制系统的主体包括摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机等。
主体、驱动器、电源和数据采集卡都置于实验箱内，实验箱通过一条USB数据线与上位机进行数从上图可以看出，系统在1.5秒后达到平衡，但是存在一定的稳态误差。
为消除稳态误差，我们增加积分参数Ki，令Kp=40，Ki=60，Kd=2，得到以下仿真结果：图8 直线一级倒立摆PID控制仿真结果图从上面仿真结果可以看出，系统可以较好的稳定，但由于积分因素的影响，稳定时间明显增大。
双击“Scope1”，得到小车的位置输出曲线为：图9 施加PID控制器后小车位置输出曲线图由于PID 控制器为单输入单输出系统，所以只能控制摆杆的角度，并不能控制小车的位置，所以小车会往一个方向运动，PID控制分析中的最后一段，若是想控制电机的位置，使得倒立摆系统稳定在固定位置附近，那么还需要设计位置PID闭环。
PID仿真实验报告
PID仿真实验报告PID控制是一种经典的控制方法，被广泛应用于工业自动化控制系统中。
本次实验主要针对PID控制器的参数调整方法进行仿真研究。
实验目的：1.研究PID控制器的工作原理；2.了解PID参数调整的方法；3.通过仿真实验比较不同PID参数对系统控制性能的影响。
实验原理：PID控制器由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制部分组成。
比例控制：输出与误差成比例，用来修正系统集成误差；积分控制：输出与误差的积分关系成比例，用来修正系统持续存在的静态误差；微分控制：输出与误差变化率成比例，用来修正系统的瞬态过程。
PID参数调整方法有很多种，常见的有经验法、Ziegler-Nichols法和优化算法等。
实验中我们使用经验法进行调整，根据系统特性来进行手动参数调整。
实验装置与步骤：实验装置：MATLAB/Simulink软件、PID控制器模型、被控对象模型。
实验步骤：1. 在Simulink中建立PID控制器模型和被控对象模型；2.设定PID控制器的初始参数；3.运行仿真模型，并记录系统的响应曲线；4.根据系统响应曲线，手动调整PID参数；5.重复第3步和第4步，直到系统的响应满足要求。
实验结果与分析：从图中可以看出，系统的响应曲线中存在较大的超调量和震荡，说明初始的PID参数对系统控制性能影响较大。
从图中可以看出，系统的响应曲线较为平稳，没有出现明显的超调和震荡。
说明手动调整后的PID参数能够使系统达到较好的控制效果。
总结与结论：通过本次实验，我们对PID控制器的参数调整方法进行了研究。
通过手动调整PID参数，我们能够改善系统的控制性能，提高系统的响应速度和稳定性。
这为工业自动化控制系统的设计和优化提供了参考。
需要注意的是，PID参数的调整是一个复杂的工作，需要结合具体的控制对象和要求进行综合考虑。
而且，不同的参数调整方法可能适用于不同的控制对象和场景。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的参数调整方法，并进行实验验证。
控制系统中的虚拟仪器与实验仿真
控制系统中的虚拟仪器与实验仿真在控制系统中，虚拟仪器与实验仿真技术扮演着重要的角色。
虚拟仪器是一种通过计算机模拟实际仪器功能的技术，而实验仿真则是通过计算机模拟实验过程和结果。
这两种技术的结合，为控制系统的研究和开发提供了便利和高效性。
本文将介绍虚拟仪器和实验仿真在控制系统中的应用，并讨论其优势和挑战。
一、虚拟仪器在控制系统中的应用虚拟仪器在控制系统中广泛应用于测试、测量和数据采集等方面。
利用虚拟仪器，可以通过计算机控制和模拟各类仪器的功能，实现对控制系统中各参数的监测和调节。
虚拟仪器具有测量准确度高、实验过程可重复等优点，同时也能提供更加灵活和便捷的仪器配置和控制方式。
虚拟仪器的应用包括但不限于以下几个方面：1. 数据采集与处理：虚拟仪器能够通过各种传感器实时采集控制系统中的数据，并进行处理和分析。
例如，在控制系统中，可以利用虚拟仪器测量和分析温度、压力、流量等参数，从而对系统进行优化和调整。
2. 仪器控制和配置：虚拟仪器可以模拟实际仪器的操作界面和功能，实现对仪器的控制和配置。
通过虚拟仪器的界面，用户可以直接操作和控制各类仪器，而无需实际接触实际仪器。
这为控制系统的调试和测试提供了便利。
3. 信号生成与分析：虚拟仪器可以模拟各类信号的生成和分析过程。
通过虚拟仪器，可以生成不同类型的信号，并对信号进行分析和处理。
这对于控制系统的信号调节和优化具有重要意义。
二、实验仿真在控制系统中的应用实验仿真是通过计算机模拟实验过程和结果的技术，广泛应用于控制系统的研究和开发中。
通过实验仿真，可以模拟控制系统的各种工况和场景，进而进行系统分析和优化。
实验仿真的应用主要体现在以下几个方面：1. 系统建模与分析：实验仿真可以模拟控制系统的建模过程，通过建立系统的数学模型，可以分析系统的稳定性、可控性、敏感性等特性。
这些分析对于系统的设计和改进具有重要指导意义。
2. 参数优化与调试：通过实验仿真，可以对控制系统的各种参数进行优化和调试。
控制系统校正的SIMULINK仿真_huang
SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、 SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真 是一个用来对动态系统进行建模 和分析的软件包，它支持连续、 和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性 和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 SIMULINK 为用户提供了用方框图进行建模的图形 接口，该软件的名字表明了该系统的两个主要功能： 接口，该软件的名字表明了该系统的两个主要功能： Simu(仿真 Link(连接 Simu(仿真)和Link(连接)，采用这种结构图模型就像用 仿真) 连接) 纸和笔画图一样容易。 纸和笔画图一样容易。 SIMULINK是MATLAB软件的扩展 它与MATLAB SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它与MATLAB 软件的扩展， 语言的主要区别在于，与用户交互接口是基于Windows 语言的主要区别在于，与用户交互接口是基于Windows 的模型化图形输入， 的模型化图形输入，使得用户可以把更多的精力投入到 系统模型的构建，而非语言的编程上。 系统模型的构建，而非语言的编程上。
(1) 在Sources模块库中，拖动Step模块至模型窗口 Sources模块库中 拖动Step模块至模型窗口 模块库中， 双击该模块可以设 置它的跳跃时间、 置它的跳跃时间、初值 和终值，如图所示。 和终值，如图所示。
(2)打开Simulink的Continues模块库，选择该库中的 (2)打开 打开Simulink的Continues模块库 模块库， Integrator 和Transfer Fcn 模块 修改参数ULINK; 1.学习模型仿真工具箱 学习模型仿真工具箱SIMULINK; 2.建立SIMULINK动态结构图进行串联超前校正实验； 2.建立 建立SIMULINK动态结构图进行串联超前校正实验 动态结构图进行串联超前校正实验； 3.建立SIMULINK动态结构图进行串联滞后校正实验； 3.建立 建立SIMULINK动态结构图进行串联滞后校正实验 动态结构图进行串联滞后校正实验； 4.建立SIMULINK动态结构图进行串联滞后-超前校正实验。 4.建立 建立SIMULINK动态结构图进行串联滞后 超前校正实验。 动态结构图进行串联滞后-
单闭环P和PI的PWM-M系统控制仿真
一.PWM调速系统的优点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统,与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性。
(1)主电路线路简单，需用的功率器件少。
(2)开关频率高电流容易连续，谐波少电机损耗及发热都较小。
(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1: 10000左右。
(4)与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
(5)功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小,当开关频率适当时，开关损耗不大，因而装置效率较高。
(6)直流电源采用不可控整流时电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述优点,直流脉宽调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了V-M系统。
二.单闭环调速直流调速系统的介绍单闭环调速系统的工作过程和原理:电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。
三.调节器的作用在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。
在采用了PI调节器以后，构成的是转速单闭环无静差调速系统。
改变比例系数和积分系数，可以得到振荡、有静差、无静差、超调大或启动快等不同的转速曲线。
如果把积分部分取消，改变比例系数，可以得到不同静差率的响应曲线直至振荡曲线;如果改变PI调节器的参数，可以得到超调量不一一样、调节时间也不一样的转速响应曲线。
过程控制系统实验指导书02
《过程控制系统》实验指导书目录第一章实验装置说明 (1)第二章实验要求及安全操作规程 (4)实验一单容自衡水箱液位特性测试 (5)实验二双容水箱特性的测试 (9)实验三单容水箱液位定值控制系统 (12)实验四单闭环流量定值控制系统 (15)实验五锅炉内胆水温定值控制系统 (17)实验六锅炉内胆水温位式控制系统 (19)第一章实验装置说明实验对象总貌图如图1-1所示：图1-1 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。
水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。
自动控制系统实验教案
自动控制系统实验教案一、实验目的1. 理解自动控制系统的原理和组成；2. 熟悉常见自动控制器的结构和功能；3. 掌握自动控制系统的设计和调试方法；4. 培养动手能力和实验技能。
二、实验原理1. 自动控制系统的基本概念：系统、输入、输出、反馈、闭环、开环等；2. 自动控制器的分类：比例控制器、积分控制器、微分控制器、PID控制器等；3. 自动控制系统的设计方法：频率域设计、时域设计、状态空间设计等；4. 自动控制系统的稳定性分析：闭环系统、开环系统、李雅普诺夫稳定性定理等。
三、实验设备与器材1. 实验台：自动控制系统实验台；2. 控制器：比例控制器、积分控制器、微分控制器、PID控制器等；3. 传感器：温度传感器、压力传感器、流量传感器等；4. 执行器：电动机、电磁阀、调节阀等；5. 仪器仪表：示波器、信号发生器、万用表等。
四、实验内容与步骤1. 实验一：比例控制器实验a. 了解比例控制器的工作原理；b. 搭建比例控制器实验电路；c. 调试比例控制器，观察控制效果；2. 实验二：积分控制器实验a. 了解积分控制器的工作原理；b. 搭建积分控制器实验电路；c. 调试积分控制器，观察控制效果；3. 实验三：微分控制器实验a. 了解微分控制器的工作原理；b. 搭建微分控制器实验电路；c. 调试微分控制器，观察控制效果；4. 实验四：PID控制器实验a. 了解PID控制器的工作原理；b. 搭建PID控制器实验电路；c. 调试PID控制器，观察控制效果；5. 实验五：自动控制系统稳定性分析a. 了解闭环系统稳定性分析方法；b. 搭建实验电路，进行稳定性分析；c. 改变系统参数，观察稳定性变化；五、实验要求与评价1. 实验要求：a. 按时完成实验任务；b. 正确操作实验设备，注意安全；c. 认真观察实验现象，记录实验数据；2. 实验评价：a. 实验操作的正确性；b. 实验数据的准确性；c. 实验分析的深入程度；六、实验六：模拟工业过程控制1. 目的：学习工业过程控制的基本原理。
LGSX-04A单片机、自动控制、计算机控制技术、信号与系统综合实验装置
LGSX-04A单片机、自动控制、计算机控制技术、信号与系统综合实验装置一、概述LGSX-04A单片机、自动控制、计算机控制技术、信号与系统综合实验装置由控制屏、实验挂箱、实验桌组成，通过单片机开发实训台可完成单片机的接口扩展、数据采集、数据显示、键盘控制、定时器、打印机接口等实验，配备有仿真器。
LGSX-04A单片机、自动控制、计算机控制技术、信号与系统综合实验装置设有电流型漏电保护器，控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源，对人身安全起到一定的保护。
LGSX-04A单片机、自动控制、计算机控制技术、信号与系统综合实验装置采用组件式结构，更换实验模块便捷。
如需扩展功能或开发新实验，只需添加实验模块挂箱即可，永不淘汰。
二、主要技术参数1、输入电源：AC220V±10% 50Hz2、工作环境：温度-10℃～+40℃相对湿度＜85%(25℃）3、装置容量：200VA4、重量：100Kg5、外形尺寸（cm)：160×75×1506、挂箱尺寸（mm）：410×240×607、输出电源：有漏电、短路、过流保护A．～220V，通过安全插座输出B．直流稳压电源：±5V/1A ±12V/2A三、装置构成（一）实验屏：实验时放置实验挂箱，并提供实验电源，铁质双面亚光密纹喷塑结构。
（二）实验桌：钢木结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板，电脑桌连体设计，造型美观大方。
（三）实验模块：1、LGDP-01 单片机实验挂箱（一）LED点阵显示模块、点阵式字符液晶显示模块、8253定时计数器、A/D转换、D/A转换、V/F 转换、F/V转换、串引EEPROM、EEPROM、Flash Rom、SRAM、I2C总线接口2、LGDP-02 单片机实验挂箱（二）8251串行口扩展、232总线串行接口、单片机最小应用系统1、单片机最小应用系统2、拔码开关输出3、LGDP-03 单片机实验挂箱（三）ISD 1420语音控制、IC卡读写接口、实时时针/日历、USB接口、RS232转RS485接口4、LGDP-04 单片机实验挂箱（四）8279接口电路、8255 I/O扩展、8155 I/O扩展、动态扫描显示模块、转换接口、MC14433、整列式键盘实验模块5、LGDP-05 单片机实验挂箱（五）步进电机驱动程序示列、温度传感器与温度控制、汽车转弯信号灯/十字路口交通灯、数字频率计、看门狗6、LGDP-06 单片机实验挂箱（六）十六位逻辑电平显示、继电器控制接口、常用器件接口、八位逻辑电平输出、单次脉冲、扬声器、串引静态显示模块、查询式键盘。
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二、系统组成
智能数字仪表控制系统
控制系统
DDC计算机直接控制系统 PLC可编程控制器控制系统
DCS集散控制系统
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三、对象系统
双管路流量系统
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三、对象系统
四容水箱液位系统
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二、系统组成
对象系统
实验对象 检测机构 执行机构 辅助系统
智能压力变送器 电磁流量计 Pt100热电阻温度传感器
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二、系统组成
对象系统
实验对象 检测机构 执行机构
辅助系统
可控硅移相调压装置 电动调节阀 变频器
漏电保护器 防干烧系统 防高温系统
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零点调整
端子单元Biblioteka 排放阀 显示表头转换单元浙江大学控制科学与工程学系自动化实验中心
四、检测机构介绍
涡轮流量计
LWGY10AP型涡轮流量计，直流24V供 电，测 量精度±1%。
涡轮流量计中涡轮的轴装在导管的中心线上，流体 轴向流过涡轮时，推动叶片，使涡轮转动，其转速近 似正比于流量Q。
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n= 60f/p，n: 同步速度，f: 电源频率，p: 电机极数，改变频率和电压是最优的电机控制 方法 。
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六、辅助系统介绍
辅助系统包括漏电保护、防干烧，防高 温等。 漏电保护是有电气控制柜上的空开来实 现的。 防干烧是由加热桶里的两根传感器来实 现的。 防高温是由电气控制柜上的温度位式控 制仪表来实现的。
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五、执行机构介绍
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。
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五、执行机构介绍
电动调节阀
控制系统仿真实验
实验装置介绍
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一、概述
CS4000型过程控制实验装置是中控科教根据 自动化及相近专业的教学特点和学生培养目标， 结合国内外最新科技动态而推出的集智能仪表技 术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一 体的普及型多功能实验装置。
该装置可以对温度、流量、液位等过程参数应用多种 控制方案进行控制，既可以进行一些简单的实验，也可 以进行一些复杂的、综合性的实验。
电磁流量计的基本原理
流量与感应电动势e的关系
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四、检测机构介绍
Pt100热电阻温度传感器
热电阻测温仪表是根据金属导体的电阻随温度变化 的特性进行测温的，对确定的电阻，只要精确地测定 其阻值的变化，便可知道温度的高低。
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七、电气控制柜操作
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八、操作台接线板介绍
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End，Thanks！
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四、检测机构介绍
电磁流量计
浙大中控SF10E型智能电磁流量计为一体式结构，内壁光滑、 无阻流件，压力损失为零，适用于各种导电液体的流量测量，其 结果不受液体的压力、温度、密度、电导率等物理参数影响，工 作可靠。
电磁流量计以法拉第电磁感应定律为基础，在管道两侧安放 磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动 势测知管道内液体的流速和流量。
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二、系统组成
整个系统由对象系统和控制系统两部分
组成：
主-副管路流量系统
对象系统
实验对象 检测机构 执行机构
四容水箱液位系统
加热水箱-纯滞后水箱 温度系统
辅助系统
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变频器
把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频 率可变的交流电的装置称作“变频器”。
AC1-DC-AC2 。 用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可 以改变频率。 感应式交流电机的旋转速度近似地取决于电机的 极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固 定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的 倍数，例如极数为2，4，6），所以不适合改变该值来 调整电机的速度。
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三、对象系统
加热水箱-纯滞后水箱温度系统
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四、检测机构介绍
CXT型智能压力变送器 用来测量各种流体的差压或压力，
并把它转换成4-20MA的信号输出。
整机原理框图
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检测单元 过程接口
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。
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五、执行机构介绍