實(shí)驗(yàn)一引入PI控制器消除控制系統(tǒng)干擾

1、實(shí)驗(yàn)一：引入 PI 控制器消除控制系統(tǒng)干擾自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是 自動(dòng)控制原理 理論課的一個(gè)重要組成部分， 是電子信息工程專業(yè)課程體系中基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)課程。 主要目標(biāo)是訓(xùn)練學(xué)生最基本的實(shí)驗(yàn)技能， 通過實(shí)驗(yàn)， 加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而鞏固和加深自動(dòng)控制原理課的課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生實(shí)際工作技能，培養(yǎng)科學(xué)作風(fēng)，學(xué)習(xí)MATLABF的SIMULINK仿真軟件，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模的分析、解決問題的能力。一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程1. 根據(jù)對(duì)系統(tǒng)提出的技術(shù)要求, 確定控制系統(tǒng)的總體方案, 即確定系統(tǒng)的構(gòu)成并選用和計(jì)算系統(tǒng)各組成部件的主要特性（ 如執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量部件等） 。2. 在系統(tǒng)方案及各組成部件已知的條件下

2、 , 通過理論分析或?qū)嶒?yàn)方法 , 建立系統(tǒng)不變部 分的數(shù)學(xué)模型, 并依條件進(jìn)行必要簡(jiǎn)化 .3. 進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì), 主要是確定系統(tǒng)的靜態(tài)放大系數(shù)并進(jìn)行合理分配.4. 在靜態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì), 一般應(yīng)從檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性開始, 進(jìn)而選擇系統(tǒng)的校正方案及參數(shù).5. 進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真研究, 并進(jìn)一步修改和調(diào)整校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或形式, 在數(shù)學(xué)仿真研究時(shí),除了研究線性模型時(shí)的系統(tǒng)特性外, 還應(yīng)考慮系統(tǒng)中可能有的非線性特性, 研究它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響.數(shù)學(xué)仿真可利用MATLA歆件實(shí)現(xiàn)。6. 確定校正網(wǎng)絡(luò)的工程實(shí)現(xiàn)方法.超前校正裝置具有相位超前和幅值擴(kuò)張的特性, 能提供微分控制功能, 主要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

3、性能 , 滯后校正裝置具有相位滯后和幅值壓縮的特性, 能提供積分控制功能, 主要改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能, 也可用于改善系統(tǒng)的平穩(wěn)性, 但響應(yīng)的速度受到影響. 滯后 - 超前校正兼具有滯后校正和超前校正的特性, 可全面改善系統(tǒng)的性能.對(duì)于校正元件: 由于運(yùn)算放大器性能高 （高輸入阻抗 , 輸出阻抗低, 高增益等 ）, 參數(shù)調(diào)整方便, 價(jià)格便宜, 故串聯(lián)校正幾乎全部采用有源校正裝置.二、MATLAB 簡(jiǎn)介MATLAB 語言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界（尤其是自動(dòng)控制領(lǐng)域） 最具影響力、也是最有活力的軟件。 它起源于矩陣運(yùn)算， 并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計(jì)算機(jī)語言。 它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、 靈活的程序設(shè)計(jì)流程、

4、 高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、 便捷的與其他程序和語言接口的功能。 MATLAB 語言在各國(guó)高校與研究單位起著重大的作用MATLAB 產(chǎn)品家族是美國(guó) MathWorks 公司開發(fā)的用于概念設(shè)計(jì),算法開發(fā) ,建模仿真 ,實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)思路，使得 MATLAB 在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間， 特別是在 MATLAB 的主要應(yīng)用方向 科學(xué) 計(jì)算、 建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設(shè)計(jì)工具， 全球現(xiàn)有 超過五十萬的企業(yè)用戶和上千萬的個(gè)人用戶， 廣泛的分布在航空航天， 金融財(cái)務(wù)， 機(jī)械化工， 電信，教育等各個(gè)行業(yè)。 在 MATLA

5、B 產(chǎn)品家族中， MATLAB 工具箱是整個(gè)體系的基座， 它是一個(gè)語言編程型（ M語言）開發(fā)平臺(tái)，提供了體系中其他工具所需要的集成環(huán)境（比如 M 語言的解釋器）。同時(shí)由于 MA TLAB 對(duì)矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。 MATLAB 產(chǎn)品體系的演化歷程中最重要的一個(gè)體系變更是引入了 Simulink ，用來對(duì)動(dòng)態(tài)系 統(tǒng)建模仿真。 其框圖化的設(shè)計(jì)方式和良好的交互性， 對(duì)工程人員本身計(jì)算機(jī)操作與編程的熟 練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。 針對(duì) 控制邏輯的開發(fā)，協(xié)議棧的仿真等要求， MathWorks 公司在 Simulink

6、 平臺(tái)上還提供了用于 描述復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為的建模仿真工具 Stateflow ，通過 Stateflow ，用戶可以 用圖形化的方式描述事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為，并無縫的結(jié)合到 Simulink 的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真 中。 在這樣一個(gè)產(chǎn)品體系中，可以看到，由于MATLAB 及其豐富的 Toolbox 資源的支持，使得用戶可以方便的進(jìn)行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB 強(qiáng)大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標(biāo)。所得到的算法則可以在Simulink 環(huán)境中以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進(jìn)行全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。從 MATLAB 的產(chǎn)品體系可以看到

7、，應(yīng)用 MATLAB 作為統(tǒng)一的集成開發(fā)平臺(tái)結(jié)合第三方軟硬件工具， 可以實(shí)現(xiàn)從算法開發(fā)到系統(tǒng)仿真優(yōu)化再到硬件實(shí)現(xiàn)的完整過程。 這一平臺(tái)在工業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用有：1、 控制器及控制對(duì)象的設(shè)計(jì)開發(fā) 快速控制原型及硬件在回路仿真 （比如結(jié)合dSPACE硬件仿真機(jī)系統(tǒng)） 2、信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā) 全系統(tǒng)仿真及快速原型驗(yàn)證（比如結(jié)合 TIDSP ）3、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā) Bit True 和 Cycle True 的算法驗(yàn)證（比如結(jié)合RadioLab3G 和Candence） 4、機(jī)電液一體化設(shè)計(jì)開發(fā) 全系統(tǒng)聯(lián)合仿真（比如結(jié)合Easy5 和 Adams ）總之， MathWorks 致力于為工程師， 科研

8、工作者提供最好的語言， 最好的工具和環(huán)境，擴(kuò)大工程師的視野，提高生產(chǎn)率，增進(jìn)學(xué)習(xí)能力，進(jìn)行開創(chuàng)性的研究工作。今天，MATLAB已經(jīng)成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友。三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理的目的是把它作為一種手段，分析研究一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特性，看它能否滿足系統(tǒng)要求；同時(shí)，用來解決控制系統(tǒng)調(diào)試和使用中出現(xiàn)的問題，另一重要的目的是用它來幫助設(shè)計(jì)一個(gè)滿足用戶需要的控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)-“引入PI控制器消除控制系統(tǒng)干擾”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及自動(dòng)控制原理 基礎(chǔ)課程及 MATLABF白SIMULINK仿真軟件等相關(guān)課程知識(shí)。 在自動(dòng)控制理論課程中，對(duì)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖給出了較詳細(xì)的理論解釋，

9、在干擾的作用下，系統(tǒng)輸出會(huì)產(chǎn)生變化， 為消除干擾對(duì)其影響，引入PI控制器，調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)參數(shù)，通過仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾消除的直觀顯示。通過本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生達(dá)到除自動(dòng)控制原理外的SIMULINK仿真軟件應(yīng)用：1、熟悉SIMULINK的操作環(huán)境2、熟悉構(gòu)建系統(tǒng)模型的方法數(shù)學(xué)3、掌握SIMULINK中子系統(tǒng)模塊的建立與封裝技術(shù)4、對(duì)系統(tǒng)給出的數(shù)學(xué)模型能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟構(gòu)建如圖所示含有干擾作用的系統(tǒng)模型提示：a.仿真前對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后選擇SIMULINK菜單中的Parameters命令來設(shè)置仿真參數(shù)(選仿真終止時(shí)間為3S),再選擇SIMULINK菜單中的Start命令

10、即可開始仿真。b.注意封裝子系統(tǒng)(1)選中所有模塊。選擇 Edit命令下的Select All菜單項(xiàng)可以選中所有的模塊。(2)建立子系統(tǒng)。選擇 Edit命令下的Create Subsystem 菜單項(xiàng)，則可以由選定的模塊和連接關(guān)系構(gòu)造出子系統(tǒng)（ 3）封裝子系統(tǒng)。選擇子系統(tǒng)模塊，再選擇 Edit 命令下的 Mask Subsystem 菜單項(xiàng) ,將打開一個(gè)對(duì)話框， 單擊該對(duì)話框中的 Intialization 標(biāo)簽， 打開相應(yīng)的選項(xiàng)卡， 在該選項(xiàng)卡中輸入各個(gè)變量的提示Prompt 和變量名 Variable 。（ 4）子系統(tǒng)參數(shù)初始化。建立該子系統(tǒng)后，雙擊該圖標(biāo)，將打開一個(gè)對(duì)話框，在該對(duì)話框中填

11、寫默認(rèn)參數(shù)，然后將該子系統(tǒng)存盤備用。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)得到預(yù)定效果。首先，學(xué)生能自學(xué)與指定設(shè)計(jì)題目有關(guān)的資料。其次，學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)課題提出的任務(wù)和要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖，最后寫出總結(jié)報(bào)告。對(duì)于設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的普遍問題教師要進(jìn)行講授， 在實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生成績(jī)的評(píng)定方面著重審視其對(duì)實(shí)驗(yàn)思路和方法的分析體會(huì)上， 學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容可簡(jiǎn)可繁， 要求在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫出過程中碰到什么疑難和故障,又是怎樣發(fā)現(xiàn)并采取什么措施解決的，還有什么不足之處， 對(duì)此自己有什么見解。 通過這一環(huán)節(jié)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科研氛圍和培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新的意識(shí)，使學(xué)生開闊眼界，拓寬思路。六、 ：實(shí)驗(yàn)考核要求（ 1 ）儀

12、器使用：能否正確使用 TKKL-1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱，儀器的接線是否正確，熟練程度如何，基本的測(cè)試方法是否掌握等；（ 2 ）軟件使用：Matlab 仿真軟件使用是否熟練；（ 3 ）電路連線：實(shí)驗(yàn)線路能否合理布局并正確連接；（ 4 ）實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ簩?duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及簡(jiǎn)單的故障能否分析排除，能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)；（ 5 ）結(jié)果記錄：看學(xué)生能否正確記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確，圖形是否整潔，標(biāo)注是否清楚（如幅值、頻率、時(shí)間）等。實(shí)驗(yàn)二控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉超低頻掃描示波器的使用方法。2、掌握用運(yùn)放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子模擬電路。3、測(cè)量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。4、通

13、過本實(shí)驗(yàn)了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對(duì)輸出動(dòng)態(tài)性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2、超低頻慢掃描示波器一臺(tái)3、萬用表一只三、實(shí)驗(yàn)原理以運(yùn)算放大器為核心元件，由不同的輸入R-C網(wǎng)絡(luò)和反饋R-C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制系統(tǒng)的各種典型環(huán)節(jié)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、畫出比例、慣性、積分、微分環(huán)節(jié)的電子模擬電路圖。2、觀察并記錄下列典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)波形。1)Gi(S)=1、G2(S)=2比例環(huán)節(jié)2)Gi(S)=1/S、G2(S)=1/(0.5S)積分環(huán)節(jié)3)G1(S)=S微分環(huán)節(jié)4)G(S)=1/(S+1)、G(s)=1/(0.5S+1)慣性環(huán)節(jié)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、畫出四種典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖、并注明參數(shù)

14、。2、測(cè)量并記錄各種典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)，并注明時(shí)間坐標(biāo)軸。3、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、寫出心得體會(huì)。六、實(shí)驗(yàn)思考題1、用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在哪兩個(gè)假設(shè)條件下近似推導(dǎo)出的？2、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可近似地視為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下，又可以視為比例環(huán)節(jié)？3、如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)GND微分環(huán)節(jié)GND慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)三一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及參數(shù)測(cè)定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察一階系統(tǒng)在階躍和斜坡輸入信號(hào)下的瞬態(tài)響應(yīng)。2、根據(jù)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線確定一階系統(tǒng)的常數(shù)。、實(shí)驗(yàn)儀器1、控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2、慢掃描示波器一臺(tái)3、

15、萬用表一只三、實(shí)驗(yàn)原理1TS 1圖2-1為一階系統(tǒng)的方框圖。他的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:(s)3=qh=qR(S) 1 G(S) 1 1/TS實(shí)驗(yàn)線路圖如圖2-2所示，其中R1=R2= R,時(shí)間常數(shù)T= RC。111,當(dāng)r(t) =1,即R(S) =1/S ,則其輸出為：C(S) = '1一，對(duì)上式S(TS 1) S S 1/Tt取拉氏反變換，得到： C(t)=1e3,它的階躍響應(yīng)曲線如圖2-2所示。當(dāng)t=T時(shí),C(t) = 1 e,=0.632。這表示當(dāng)C(t)上升到穩(wěn)定值的63.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T,根據(jù)這個(gè)原理，由圖 2-2可測(cè)得一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)To當(dāng) r(t)=

16、t, R(S) =1/S2,系統(tǒng)的輸出為：c(S)=T+1一，對(duì)上 S2(TS 1) S2 S S 1/T_t_tt式取拉氏反變換，得到：C(t) =tT(1e斤)，由于 e(t) = t -(t -T(1-e5 )=T(1-e),所以當(dāng)t-*30時(shí)，e(g) = ess=T。這表明一階系統(tǒng)能跟蹤斜坡信號(hào)輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在，其誤差的大小為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Toecc圖2-1圖2-2圖2-3四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容T為1S和0.1S時(shí)的響應(yīng)曲線,1、根據(jù)圖2-1所示的內(nèi)容，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬試驗(yàn)線路圖。2、當(dāng)r(t)=-1V時(shí)，觀察并記錄一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)并注明時(shí)間坐標(biāo)軸。4、當(dāng)r(t) =t時(shí)，觀察并記錄一階

17、系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T為1S和0.1S時(shí)的響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)，畫出一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T為1S和0.1S時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線，并由實(shí)測(cè)的曲線觀察得時(shí)間常數(shù) T。2、觀察并記錄一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T為1S和0.1S時(shí)的斜坡響應(yīng)曲線，并由實(shí)測(cè)的曲線觀察得穩(wěn)態(tài)誤差ess,這一誤差值與有終值定理求得的誤差值是否相等？分析誤差原因。六、實(shí)驗(yàn)思考題1、一階系統(tǒng)為什么對(duì)階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對(duì)單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為T?2、一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)能否由其單位階躍響應(yīng)求得？試作出說明。七、注意事項(xiàng)1、觀察單位階躍響應(yīng)用示波器的任意一個(gè)通道即可。2、r(t)=斜坡信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的三角波上升段模

18、擬，觀察時(shí)，用示波器的CH1 通道觀察斜坡信號(hào)，用 CH2通道觀察一階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)四PID控制器的動(dòng)態(tài)特性、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉PI、PD、PID三種控制器的結(jié)構(gòu)形式。2、通過實(shí)驗(yàn)，深入了解PI、PD、PID三種控制器的階躍響應(yīng)特性和相關(guān)參數(shù)對(duì)它們性 能的影響。、實(shí)驗(yàn)儀器1、控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2、超低頻慢掃描示波器一臺(tái)3、萬用表一只 三、實(shí)驗(yàn)原理Pk PD、PID三種控制器是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有源校正裝置。其中 PD為超前 校正裝置，它適用于穩(wěn)態(tài)性能已滿足要求，而動(dòng)態(tài)性能較差的場(chǎng)合。PI為滯后校正裝置，它能改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PID是一種滯后一超前校正系統(tǒng)，它兼有 PI和PD兩者的優(yōu)點(diǎn)。圖3-1<1 Vo圖3-2圖3-3圖3-1為PD控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為:G(S) =Kp(TdS+1),其中 Kp = R/R, Td =RC圖3-2為PI控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為：1G(S) = -Kp(1 + -)，其中 Kp = R / R , Td = R2c I D S圖3-3為PI控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為：1G= -Kp”話+3 其中 Kp"1 + R2C2)/RC2，C' +