《計算機控制系統(tǒng)》實驗指導(dǎo)書MATLAB版

1、Word 資料計算機控制系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書（MatlabMatlab 版）一、實驗課程教學(xué)目的與任務(wù)通過實驗設(shè)計或計算機仿真設(shè)計，使學(xué)生了解和掌握數(shù)字 PIDPID 控制算法的 特點、了解系統(tǒng) PIDPID 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）。二、實驗要求學(xué)生在熟悉 PCPC 機的基礎(chǔ)上，熟悉 MATLABMATLAB 軟件的操作，熟悉 SimulinkSimulink 工具 箱的軟件編程。通過編程完

2、成系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實驗，逐步學(xué)習控制系統(tǒng)的設(shè)計， 學(xué)習控制系統(tǒng)方案的評估與系統(tǒng)指標評估的方法。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2 23 3 次左右進入穩(wěn)定；系統(tǒng)靜差小于 3%3% 5%5%勺穩(wěn)定值（或系 統(tǒng)的靜態(tài)誤差足夠?。?系統(tǒng)Word 資料超調(diào)量小于 3030 %5050 %的穩(wěn)定值；動態(tài)過渡過程時 間在 3 35 5 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

3、衰減比趨向于 4 4: 1 1 或 1010: 1 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)。PIDPID 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? 1） 、了解數(shù)字 PIDPID 控制回路的結(jié)構(gòu)。2 2）、掌握數(shù)字 PIDPID 控制算法的控制原理3 3）、掌握數(shù)字 PIDPID 控制算法的整定原理實驗設(shè)備1 1） WINDOW

4、SWINDOWS 操作系統(tǒng)和 MATLABMATLAB 軟件2 2） PCPC 電腦。Word 資料三、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：133133s s225s25s , ,按下圖進行數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計,并確定數(shù)字 PIDPID 控制器的參數(shù)四、實驗容1 1） 建立閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2 2） 選擇 PIDPID 數(shù)字調(diào)節(jié)器。3 3） 將 PIDPID 三參數(shù)置于適當值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行4 4） 整定比例度。5 5）整定積分時間6 6） 整定微分時間。Word 資料7 7）對系統(tǒng)進行控

5、制指標的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試 五實驗要求1.1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤。2.2. 運行程序。3.3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4.4. 記錄運行的結(jié)果。5.5. 分析正確與錯誤的原因。6.6. 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? 1） 、了解 SmithSmith 算法控制回路的結(jié)構(gòu)2 2）、掌握 SmithSmith 算法的控制原理。3)3)、掌握 SmithSmith 控制算法的設(shè)計原理Word 資料、實驗設(shè)備1)1)WINDOWSWINDOWS 操作系統(tǒng)和 MATLABMATLAB 軟件2)2)PCPC 電腦。三、實驗原理按下圖進行 Smith

6、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SmithSmith 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、實驗容1)1)運行 MATLABMATLAB 文件。2)2)運用 SimulinkSimulink 按下圖進行圖形化編程。3)3)采用 SmithSmith 控制方法，在 PIDPID 控制中(選用 PIPI 控制)，取 k kp=4040, k ki二 0.0.,假設(shè)預(yù)測模型精確，階躍信號輸入取 100100。4 4）觀測 SimulinkSimulink 仿真程序運行的結(jié)果。（仿真結(jié)果表明, 法具有很好控制效果。）SmithSm

7、ith 控制方Word 資料5 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 6）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1.1. 完成編程并檢查是否有語法錯誤。2.2. 運行程序。3.3. 對運行的結(jié)果進行顯示。4.4. 記錄運行的結(jié)果。5.5. 分析正確與錯誤的原因。6.6.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Word 資料、實驗?zāi)康? 1） 、了解二階對象數(shù)字控制回路的結(jié)構(gòu)。2 2）、掌握二階對象數(shù)字 PIDPID 算法的控制原理。3 3）、掌握二階對象數(shù)字 PIDPID 控制算法的設(shè)計原理、實驗設(shè)備1 1） WINDOWSWINDOWS 操作

8、系統(tǒng)和 MATLABMATLAB 軟件2 2） PCPC 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PIDPID 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。廣義被控對象采用的傳遞函數(shù)為:0.003z0.003z 0.0010.001z z21.94z1.94z 0.94180.9418運用 SimulinkSimulink 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。G GpWord 資料四、實驗容1 1） 建立閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2 2） 選擇 PIDPID 數(shù)字調(diào)節(jié)器。3

9、3） 進行 PIDPID 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 4） 整定比例度。5 5） 整定積分時間。6 6） 整定微分時間。7 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1.1.完成編程并檢查是否有語法錯誤2.2.運行程序。3.3.對運行的結(jié)果進行顯示。4.4.記錄運行的結(jié)果。Word 資料不難在5.5.分析正確與錯誤的原因6.6.用專用的報告紙寫出實驗報告實驗四、達林控制算法的運用、實驗?zāi)康? 1） 、了解達林控制算法的控制回路的結(jié)構(gòu)2 2）、掌握達林控制算法的使用方法。3 3）掌握達林控制算法的編程原理。、實驗設(shè)備1 1） WINDOWSWINDOWS 操

10、作系統(tǒng)和 MATLABMATLAB 軟件2 2） PCPC 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，此仿真模型上修改進行。Word 資料五、實驗容1)建立達林控制算法的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2 23s2)假設(shè)對象模型G Go(s)(s) e e，要求閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù)T 4.5秒，取采樣周期 T=14s4s 1 1秒。先按對象的參數(shù)去設(shè)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

11、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 darlineon.m 清單如下：function sys,xO,str,ts = dahli neon (t,x,u,flag,Ttao,T1,K,Tao,Tglo

12、bal 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(sizes); str =;ts = T 0;umax = 50; N=floor(Tao/T)uk=zeros(N+2

13、,1); ek_ 1=0;k1=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);Word 資料sys=uk(1);case 1,2,4,9,% Un ha ndled flagssys =;otherwise% Un expected flags

14、error( 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。Word 資料Word 資料計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書（MatlabMatlab 版）一、設(shè)計的容與安排1.1.課程設(shè)計題目的選擇根據(jù)課程的要求和本人的學(xué)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(xué)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(xué)生提出的題目必

15、須經(jīng)過任課教師的確認才能立為設(shè)計題目。2.2.課程設(shè)計容及要求（1 1） 設(shè)計題目；1單回路數(shù)字系統(tǒng) PIDPID 控制設(shè)計；2串接數(shù)字系統(tǒng) PIDPID 控制設(shè)計；3二階純滯后系統(tǒng)的大林算法控制設(shè)計；4二階純滯后系統(tǒng)的 SmithSmith 算法控制設(shè)計；5其它數(shù)字控制方法。（2 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 2 23 3 次左右進入穩(wěn)定；系統(tǒng)靜差小于野5%5%勺 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 3030%5050%的穩(wěn)定

16、值； 動態(tài)過渡過程的時間在 3 35 5 倍的被控對象時間常數(shù)值。Word 資料3.3.課程設(shè)計題目的確定程序1 1）學(xué)生在深入學(xué)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 2）學(xué)生要提出選題依據(jù)。3 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 4）課程設(shè)計題目必須在一周完成。5 5）提交設(shè)計報告或小論文。、設(shè)計的質(zhì)量與創(chuàng)新1.1.的新穎性和獨到之處；2.2.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。3.3.自動控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量指標；4.4.完成的時間與獨立完成情況。三、課程設(shè)計步驟1.1. 開機并運行 M

17、ATLABMATLAB 文件。2.2. 運行 SimulinkSimulink 工具箱等進行系統(tǒng)設(shè)計。Word 資料3.3. 結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)功能模塊和 m m 文件編程進行系統(tǒng)編程4.4. 運行完成的軟件，進行反復(fù)調(diào)試。5.5.記錄運行結(jié)果并分析注：PIDPID 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 4: 1 1 或 1010: 1 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)。PIDPID 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)Word 資料遞交報告格式題目三號黑體班級，學(xué)號（小四）作者姓名（小四）1 1 前言（小四黑）前言敘述論題的背景，容包括為什么要做