自控实验报告热气球高度自动控制

热气球高度自动控制姓名： 任子君 班号： 2281 学号： 2008302773 关键字：阿基米德浮力原理，延迟系统一、引言乘坐热气球飞行被称为最宁静、最让人愉快的活动之一随着我国经济的发展，越来越多的人开始热衷热气球飞行，然而热气球的控制并非易事，不得不借助于相关自动控制仪器在此，本报告将探讨研究一下自动控制仪器的控制原理，并设计一个控制器，使热气球能稳定在一定的高度本报告分为五部分：建立被控对象数学模型，分析被控对象特性，设计控制器，仿真验证，结论二、研究过程查阅有关资料知：国家比赛标准热气球（7级），总重约450公斤，需要大约2200立方米的热空气本文以此种热气球为研究对象1. 建立被控对象数学模型浮力公式： (F是浮力，m是排开气体的质量，g是重力加速度）低速运动下空气阻力（认为热气球是规则的球形）：（f是热气球所受空气阻力，k是与空气密度等有关的系数，v是热气球运动速度，S是热气球截面积）球体积公式：质量公式：（m是质量，ρ是密度，V是体积）理想气体状态方程：(P是气压，V是气体体积，n是气体物质的量，R是常数，T是热力学温度）气体内能公式：(Q是热量，c是比热容，M是质量，ΔT是温度增加量）傅里叶导热定律：（q是热流密度，T是温度，k是热导率）丙烷燃烧热公式：（Q是丙烷燃烧每秒产生的热量，是丙烷燃烧热，是丙烷气体流速）热气球散热方程：经过带入化简最终可得：是丙烷气体流速，是热气球所处高度的气压（即热气球的海拔高度），是增益,约为0.15，是延迟时间常数，约为0.8s。

2. 分析被控对象特性若要保持一定高度，则要将火焰控制为一定大小，使热气密度为定值，浮力与重力平衡火焰的大小取决于丙烷气体流速的的大小由前文得出的结果求出传递函数：本环节由比例环节和纯延迟环节串联而成 3. 设计控制器控制器包括：控制器的输入是欲达到海拔高度的气压，输出是丙烷气体流速，传递函数是,对其进行极点配置，使其近似为一介系统高度计测得的数据实际上是气压，只是将与大气压数值对应的海拔高度显示出来故可认为，实际的输入量和输出量是气压值开环传递函数：经计算：系统稳定时，0

但这种不断探索的精神，对于将来要从事科研工作的我是很重要的参考文献[1]胡寿松主编.自动控制原理.科学出版社，2007[2]师成宇编著.自动控制原理——基于MATLAB仿真的多媒体授课教材.国防工业出版社，2007[3]彭秀艳，孙宏放编著.自动控制原理实验技术.哈尔滨工业大学出版社，2006[4]过增元，曹炳阳.《基于热质运动概念的普适导热定律》.物理学报，第57卷第7期2008年7月[5]Tom • Harris （博文网）热气球工作原理。