計算機控制系統(tǒng)試驗指導(dǎo)書

1、精品文檔計算機控制系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書（Matlab 版）、實驗課程教學目的與任務(wù)通過實驗設(shè)計或計算機仿真設(shè)計，使學生了解和掌握數(shù)字PID控制算法的特點、了解系統(tǒng)PID參數(shù)整定和數(shù)字控制系統(tǒng)的直接設(shè)計的基本方法，了解不 同的控制算法對被控對象的控制特性， 加深對計算機控制系統(tǒng)理論的認識， 掌握 計算機控制系統(tǒng)的整定技術(shù)，對系統(tǒng)整體設(shè)計有一個初步的了解。根據(jù)各個實驗項目，完成實驗報告（用實驗報告專用紙）。、實驗要求學生在熟悉PC機的基礎(chǔ)上，熟悉 MATLAB軟件的操作，熟悉Simulink工 具箱的軟件編程。通過編程完成系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實驗， 逐步學習控制系統(tǒng)的設(shè) 計，學習控制系統(tǒng)方案的評估與系統(tǒng)指標

2、評估的方法。計算機控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標和要求:根據(jù)被控對象的特性，從自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量指標要求出發(fā)對調(diào) 節(jié)器進行系統(tǒng)設(shè)計，整體上要求系統(tǒng)必須有良好的穩(wěn)定性、 準確性和快速性。一 般要求系統(tǒng)在振蕩23次左右進入穩(wěn)定；系統(tǒng)靜差小于 3%5%的穩(wěn)定值（或 系統(tǒng)的靜態(tài)誤差足夠小）；系統(tǒng)超調(diào)量小于30%50%的穩(wěn)定值；動態(tài)過渡過程 時間在35倍的被控對象時間常數(shù)值。系統(tǒng)整定的一般原則:將比例度置于交大值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。根據(jù)要求，逐漸減小比例度，使 系統(tǒng)的衰減比趨向于4: 1或10: 1。若要改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，要使系統(tǒng)的靜 差為零，加入積分環(huán)節(jié)，積分時間由大向小進行調(diào)節(jié)。若要改善系統(tǒng)的動態(tài)特

3、性， 增加系統(tǒng)的靈敏度，克服被控對象的慣性，可以加入微分環(huán)節(jié)，微分時間由小到 大進行調(diào)節(jié)。PID控制的三個特性參數(shù)在調(diào)節(jié)時會產(chǎn)生相互的影響，整定時必需 綜合考慮。系統(tǒng)的整定過程是一個反復(fù)進行的過程，需反復(fù)進行。實驗一、數(shù)字PID參數(shù)的整定實驗?zāi)康?）、了解數(shù)字PID控制回路的結(jié)構(gòu)。2）、掌握數(shù)字PID控制算法的控制原理3）、掌握數(shù)字PID控制算法的整定原理實驗設(shè)備1）WINDOWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件2）PC電腦。三、實驗原理在過程控制中，廣義被控對象采用一階對象，設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字控制器，使系 統(tǒng)達到穩(wěn)定，并滿足一定的動態(tài)和靜態(tài)指標。例如：對象的傳遞函數(shù)為:133s225s,按下圖進行數(shù)字

4、PID控制系統(tǒng)設(shè)計,并確定數(shù)字PID控制器的參數(shù)四、實驗內(nèi)容1）建立閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2）選擇PID數(shù)字調(diào)節(jié)器。3）將PID三參數(shù)置于適當值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。4）整定比例度。5）整定積分時間。6）整定微分時間。7）對系統(tǒng)進行控制指標的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試 五實驗要求1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤2. 運行程序。3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4. 記錄運行的結(jié)果。5. 分析正確與錯誤的原因。6. 用專用的報告紙寫出實驗報告實驗二、Smith算法的運用、實驗?zāi)康?）、了解Smith算法控制回路的結(jié)構(gòu)2）、掌握Smith算法的控制原理。3）、掌握Smith控制算法的設(shè)計原理、實驗設(shè)備1）WIND

5、OWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件2）PC電腦。三、實驗原理按下圖進行Smith算法控制回路的設(shè)計，在過程控制中，廣義被控對象采用一階加純遲后對象，設(shè)計相應(yīng)的Smith控制控制器，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，并滿足一定的動態(tài)和靜態(tài)指標。四、實驗內(nèi)容1）運行MATLAB文件。2）運用Simulink按下圖進行圖形化編程。3）采用Smith控制方法，在PID控制中（選用PI控制），取kp = 40, ki =0.022,假設(shè)預(yù)測模型精確，階躍信號輸入取 100。4）觀測Simulink仿真程序運行的結(jié)果。（仿真結(jié)果表明，Smith控制方法具有很好控制效果。）5）進行系統(tǒng)整定；當參數(shù)適當值時，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行6）對

6、系統(tǒng)進行控制指標的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試五實驗要求1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤2. 運行程序。3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4. 記錄運行的結(jié)果。5. 分析正確與錯誤的原因。6. 用專用的報告紙寫出實驗報告。實驗三、二階對象數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計、實驗?zāi)康?）、了解二階對象數(shù)字控制回路的結(jié)構(gòu)。2）、掌握二階對象數(shù)字PID算法的控制原理。3）、掌握二階對象數(shù)字PID控制算法的設(shè)計原理。二、實驗設(shè)備1）WINDOWS操作系統(tǒng)和 MATLAB 軟件。2）PC電腦。三、實驗原理按下圖二階對象數(shù)字控制 回路的設(shè)計，在過程控制中，廣義被控對象采用 二階對象, 設(shè)計相應(yīng)的 PID控制控制器，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，并

7、滿足一定的動態(tài)和靜態(tài)指標。廣義被控對象采用的傳遞函數(shù)為：Gp0.003z 0.001z21.94z0.9418運用Simulink按下圖進行圖形化編程。設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)達 到穩(wěn)定，并滿足一定的動態(tài)和靜態(tài)指標。四、實驗內(nèi)容1）建立閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2）選擇PID數(shù)字調(diào)節(jié)器。3）進行PID三參數(shù)整定；當三參數(shù)適當值時，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行4）整定比例度。5）整定積分時間。6）整定微分時間。7）對系統(tǒng)進行控制指標的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。五. 實驗要求1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤2. 運行程序。3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4. 記錄運行的結(jié)果。5. 分析正確與錯誤的原因。6. 用專用的報

8、告紙寫出實驗報告。實驗四、達林控制算法的運用、實驗?zāi)康?）、了解達林控制算法的控制回路的結(jié)構(gòu)2）、掌握達林控制算法的使用方法。3）、掌握達林控制算法的編程原理。、實驗設(shè)備1）WINDOWS操作系統(tǒng)和 MATLAB 軟件。2）PC電腦。三、實驗原理達林算法的SIMULINK仿真模型見圖。達林算法適用于一、二階慣性加純滯后對象，仿真模型僅對工業(yè)控制中常見的一階慣性加純滯后對象作仿真。若要仿真二階對象，不難在此仿真模型上修改進行。五、實驗內(nèi)容1）建立達林控制算法的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2） 假設(shè)對象模型G0（S）- e 3s，要求閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)T4.5秒，取采樣周期T=14s 1秒。先按對象的參數(shù)去設(shè)

9、置控制器參數(shù)，然后運行仿真模型。3） 若欲縮短調(diào)節(jié)時間，可將閉環(huán)時間常數(shù)改為T 2秒，采樣周期仍為T=1秒，再次仿真。4）觀察系統(tǒng)的動態(tài)過程，注意控制量的變化情況。5） 觀察系統(tǒng)輸出都沒有紋波出現(xiàn)，說明在純滯后時間是采樣周期的整數(shù)倍時，無論閉環(huán)系 統(tǒng)時間常數(shù)T是大于還是小于慣性時間常數(shù)，系統(tǒng)輸出都是沒有紋波的。倘若純滯后時 間不是采樣周期的整數(shù)倍時，系統(tǒng)輸出將會發(fā)生波動。6）設(shè)T 2秒，采樣周期改為 T=1.3秒,再次仿真。若再縮短采樣周期，系統(tǒng)的輸出波動 將更厲害。7）對系統(tǒng)進行控制指標的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。8） 達林算法控制器的S函數(shù)程序darlincon.m清單如下：function

10、 sys,xO,str,ts = dahli neon （t,x,u,flag, Ttao,T1,K,Tao,T）global umax k1 k2 k3 uk ek_1 Nswitch flag,case 0,% In itializati onsizes = simsizes;sizes.NumC on tStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0;sizes.NumOutputs = 1;sizes.Nu mln puts = 1;sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1;sys = simsizes

11、(sizes); str =;ts = T 0;umax = 50; N=floor(Tao/T)uk=zeros(N+2,1); ek_1=0;k仁 exp(-T/Ttao);k2=exp(-T/T1);k3=(1-k1)/K/(1-k2);case 3,% Outputsek=u;uk(1)=k3*(ek-k2*ek_1)+k1*uk(2)+(1-k1)*uk(N+2);if uk(1)umax uk(1)=umax; endif uk(1)-umax uk(1)=-umax; endek_1= ek; uk(2:N+2)=uk(1:N+1);sys=uk(1);case 1,2,4,9,

12、% Un ha ndled flagssys =;otherwise% Un expected flagserror( Unhan dled flag = ,nu m2str(flag);end程序中的斜體部分就是有關(guān)的達林算法實現(xiàn)所用的變量和語句。五實驗要求1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤2. 運行程序。3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4. 記錄運行的結(jié)果。5. 分析正確與錯誤的原因。6. 用專用的報告紙寫出實驗報告。計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書（Matlab 版）、設(shè)計的內(nèi)容與安排1. 課程設(shè)計題目的選擇根據(jù)課程的要求和本人的學習情況，選擇大綱推薦的題目。任課教師可以 推薦一定的設(shè)計題目，學

13、生也可以自主提出符合 計算機控制系統(tǒng)要求的適合 設(shè)計的題目，但是學生提出的題目必須經(jīng)過任課教師的確認才能立為設(shè)計題目。2. 課程設(shè)計內(nèi)容及要求（1）設(shè)計題目； 單回路數(shù)字系統(tǒng)PID控制設(shè)計； 串接數(shù)字系統(tǒng)PID控制設(shè)計； 二階純滯后系統(tǒng)的大林算法控制設(shè)計； 二階純滯后系統(tǒng)的Smith算法控制設(shè)計； 其它數(shù)字控制方法。（2）主要技術(shù)指標和要求；根據(jù)被控對象的特性，從自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量指標要求出發(fā) 對調(diào)節(jié)器進行系統(tǒng)設(shè)計，整體上要求系統(tǒng)必須有良好的穩(wěn)定性、準確性和快 速性。一般要求系統(tǒng)在振蕩23次左右進入穩(wěn)定；系統(tǒng)靜差小于3%5%的 穩(wěn)定值（或系統(tǒng)的靜態(tài)誤差足夠?。?；系統(tǒng)超調(diào)量小于30%5

14、0%的穩(wěn)定值； 動態(tài)過渡過程的時間在35倍的被控對象時間常數(shù)值。3. 課程設(shè)計題目的確定程序1）學生在深入學習計算機控制系統(tǒng)課程后，可以在老師的指導(dǎo)下選 題，也可以自主選題。2）學生要提出選題依據(jù)。3）設(shè)計題目必須經(jīng)老師確認后，才是有效設(shè)計題目。4）課程設(shè)計題目必須在一周內(nèi)完成。5）提交設(shè)計報告或小論文。、設(shè)計的質(zhì)量與創(chuàng)新1. 的新穎性和獨到之處；2. 計的難度和總體工作量根據(jù)以下四點來定；算法難度，對象的復(fù)雜性，控制回路的復(fù)雜性，系統(tǒng)的大小。3. 自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量指標；4. 完成的時間與獨立完成情況。三、課程設(shè)計步驟1. 開機并運行MATLAB文件。2. 運行Simulink工具

15、箱等進行系統(tǒng)設(shè)計。3. 結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)功能模塊和m文件編程進行系統(tǒng)編程4. 運行完成的軟件，進行反復(fù)調(diào)試。5. 記錄運行結(jié)果并分析。注：PID控制系統(tǒng)整定的一般原則：將比例度置于交大值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。根據(jù)要求，逐漸減小比例度，使系 統(tǒng)的衰減比趨向于4： 1或10： 1。若要改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，要使系統(tǒng)的靜差 為零，加入積分環(huán)節(jié)，積分時間由大向小進行調(diào)節(jié)。若要改善系統(tǒng)的動態(tài)特性， 增加系統(tǒng)的靈敏度，克服被控對象的慣性，可以加入微分環(huán)節(jié)，微分時間由小到 大進行調(diào)節(jié)。PID控制的三個特性參數(shù)在調(diào)節(jié)時會產(chǎn)生相互的影響，整定時必需 綜合考慮。系統(tǒng)的整定過程是一個反復(fù)進行的過程，需反復(fù)進行。四、課程設(shè)計的成績評定以提交設(shè)計報告或小論文為評分依據(jù)遞交報告格式題目三號黑體班級，學號（小四）作者姓名（小四）1前言（小四黑）前言敘述論題的背景，內(nèi)容包括為什么要做這件事，目