計算機控制技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書申曉寧南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院實驗項目名稱：題目一 帶擾動時滯對象的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計實驗項目性質(zhì)：設(shè)計性所屬課程名稱：計算機控制技術(shù)實驗計劃學(xué)時：1周一.課程設(shè)計目的設(shè)計制作和調(diào)試一個由工業(yè)控制機控制的時滯對象輸出端具有干擾信號的計算機控制系統(tǒng)。通過這個過程學(xué)習(xí)電壓的采樣方法，A/D和D/A變換方法和接口的使用方法，以及數(shù)字濾波的方法。通過實踐過程掌握常規(guī)及改進PID控制方法，熟悉利用計算機進行自動控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本課程設(shè)計是本門課程課堂教學(xué)的延伸和發(fā)展，是理論知識與工程實踐之間的銜接。通過本課程設(shè)計，使學(xué)生進一步學(xué)習(xí)與理解計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電路

2、與應(yīng)用程序，進一步鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)課程知識，提高學(xué)生運用理論知識解決實際問題的實踐技能；培養(yǎng)學(xué)生獨立自主、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生初步具有設(shè)計小型計算機控制系統(tǒng)的硬件及軟件的能力。同時，通過資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計與報告撰寫的一系列過程，使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。從而，在專業(yè)知識與研究方法方面為日后的畢業(yè)設(shè)計乃至畢業(yè)后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。二. 課程設(shè)計內(nèi)容某系統(tǒng)的被控對象含有純滯后環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)為：該系統(tǒng)的輸入信號為帶有干擾的方波信號（方波幅值2V，頻率4Hz,干擾自行設(shè)計硬件電路產(chǎn)生），采樣周期1s。請完成以下任務(wù)：1） 分別采用普通PID算

3、法和微分先行PID算法進行控制，并在兩種方法中均采用抗積分飽和的方法。給出兩種方法下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，以及控制量u的變化曲線圖，詳細地比較和分析所得結(jié)果。2） 在1)中采用微分先行PID算法的基礎(chǔ)上，在對象的輸出端施加一組噪聲信號（自行設(shè)計電路產(chǎn)生），在系統(tǒng)中設(shè)計低通濾波器，請分別給出有無濾波器時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖，并詳細地比較和分析所得結(jié)果。說明：上述任務(wù)中的微分增益系數(shù)和濾波時間常數(shù)，以及、的取值需通過實驗調(diào)試得到。三.預(yù)習(xí)與參考計算機控制技術(shù)、自動控制原理、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、VBScript、Matlab四. 實驗（設(shè)計）要求設(shè)計指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)曲線：穩(wěn)定，上升時間短，無靜差，超調(diào)小，抗干擾能力

4、強。1、每組1-2位同學(xué)，每個小組根據(jù)實驗室提供的設(shè)備及設(shè)計要求，設(shè)計并制作出實際電路，組成一個完整的計算機控制系統(tǒng)。2、根據(jù)設(shè)備情況以及被控對象，采用相應(yīng)的控制算法和濾波器算法，編制程序框圖和源程序，并進行實際操作和調(diào)試通過，獲得滿意的控制效果。五.實驗（設(shè)計）儀器設(shè)備和材料清單THBDC-1型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺，硬件部分包括直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、實驗通用單元電路、USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元，上位機軟件包括虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號發(fā)生器等。六.設(shè)計步驟（1）總體方案設(shè)計：構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，確定系統(tǒng)各組成模塊的功能和相互關(guān)系。 （2）詳

5、細設(shè)計：硬件部分：選擇硬件型號，設(shè)計具體的噪聲發(fā)生電路、被控對象的模擬電路等。給出系統(tǒng)各個組成部分的接口電路。 軟件部分：依據(jù)采用的控制算法及計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點，繪制程序流程圖，并編寫相應(yīng)的程序代碼。程序的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)給出文字注釋。（3）調(diào)試：首先在Matlab軟件中對系統(tǒng)進行仿真分析（選做，simulink仿真環(huán)境或純M文件編程均可）；編譯軟件，在實驗室進行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，通過觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，整定PID控制器參數(shù)和濾波器參數(shù)，獲得滿意的控制效果。（4）獨立撰寫課程設(shè)計說明書。七設(shè)計要點 （1）噪聲信號的發(fā)生電路設(shè)計； （2）通過實驗分析得到，與普通PID算法相比，微分先行PID

6、算法的優(yōu)點及其適用場合； （3）在計算機控制系統(tǒng)中設(shè)計數(shù)字濾波器的方法。通過分析實驗結(jié)果，得出使用數(shù)字濾波器的優(yōu)點。八課程設(shè)計進度安排課程設(shè)計時間為一周，將其分為三個階段。第一階段：閱讀研究實驗指導(dǎo)書與任務(wù)書，復(fù)習(xí)有關(guān)知識，收集文獻資料，設(shè)計系統(tǒng)框圖。此階段約占總時間的20%。第二階段：對裝置、器件、芯片作好選型，細劃與設(shè)計、繪出各部分接口電路圖，完成主要程序框圖繪制和具體程序的編寫。約占總時間的60%。第三階段：整理、匯總、撰寫課程設(shè)計說明書。約占總時間的20%。九考核方式及成績評定1、 考核方式由平時檢查、提問抽查、答辯與課程設(shè)計說明書質(zhì)量等幾方面結(jié)合起來考慮：學(xué)習(xí)與設(shè)計態(tài)度的認真性，課堂

7、知識理解掌握的深入程度，畫圖軟件應(yīng)用的熟練程度，設(shè)計方案的正確性或合理性，圖文的質(zhì)量效果，是否獨立完成，是否具有獨立分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神等。2、 考核成績評定標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)計：每個同學(xué)根據(jù)題目，獨立完成設(shè)計和設(shè)計報告書。實驗設(shè)計：考核檢查。線路圖及程序占40%，系統(tǒng)性能指標(biāo)占20%，答辯占20%，設(shè)計期間（包括前面實驗及實驗報告）綜合表現(xiàn)占20%。十課程設(shè)計說明書要求每位同學(xué)根據(jù)自己的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，根據(jù)給定的格式，獨立完成實驗報告。整篇課程設(shè)計說明書要求不少于3000字。課程設(shè)計說明書內(nèi)容詳見文檔“計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書內(nèi)容”。對設(shè)計結(jié)果，應(yīng)給出詳細的比較和分析，應(yīng)深入分析結(jié)果產(chǎn)生

8、的原因，相應(yīng)控制方法的適用場合等。實驗項目名稱：題目二 基于卡爾曼濾波器的計算機控制系統(tǒng)設(shè)計實驗項目性質(zhì)：設(shè)計性所屬課程名稱：計算機控制技術(shù)實驗計劃學(xué)時：1周一.課程設(shè)計目的設(shè)計制作和調(diào)試一個由工業(yè)控制機控制，控制器輸出端和對象輸出端均具有干擾信號，基于卡爾曼濾波器的計算機控制系統(tǒng)。通過這個過程學(xué)習(xí)電壓的采樣方法，A/D和D/A變換方法和接口的使用方法，以及數(shù)字濾波的方法。通過實踐過程掌握常規(guī)及改進PID控制方法，熟悉利用計算機進行自動控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本課程設(shè)計是本門課程課堂教學(xué)的延伸和發(fā)展，是理論知識與工程實踐之間的銜接。通過本課程設(shè)計，使學(xué)生進一步學(xué)習(xí)與理解計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電

9、路與應(yīng)用程序，進一步鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)課程知識，提高學(xué)生運用理論知識解決實際問題的實踐技能；培養(yǎng)學(xué)生獨立自主、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生初步具有設(shè)計小型計算機控制系統(tǒng)的硬件及軟件的能力。同時，通過資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計與報告撰寫的一系列過程，使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。從而，在專業(yè)知識與研究方法方面為日后的畢業(yè)設(shè)計乃至畢業(yè)后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。二. 課程設(shè)計內(nèi)容某系統(tǒng)的被控對象為二階傳遞函數(shù)：該系統(tǒng)的輸入為單位階躍信號，采樣周期1ms。請完成以下任務(wù)：1）在控制器的輸出端施加控制干擾信號，在被控對象的輸出端施加測量干擾信號（上述兩種干擾信號均自行設(shè)計電

10、路產(chǎn)生）。2）采用不完全微分PID算法進行控制，并在算法法中采用抗積分飽和的方法。3）在系統(tǒng)中設(shè)計卡爾曼濾波器實現(xiàn)信號的濾波，濾波器的參數(shù)，。給出加入濾波器前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，以及控制量u的變化曲線圖，詳細地比較和分析所得結(jié)果。說明：上述任務(wù)中的不完全微分PID算法中的慣性時間常數(shù)，以及、的取值需通過實驗調(diào)試得到。三.預(yù)習(xí)與參考計算機控制技術(shù)、自動控制原理、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、VBScript、Matlab四. 實驗（設(shè)計）要求設(shè)計指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)曲線：穩(wěn)定，上升時間短，無靜差，超調(diào)小，抗干擾能力強。1、每組1-2位同學(xué)，每個小組根據(jù)實驗室提供的設(shè)備及設(shè)計要求，設(shè)計并制作出實際電路，組成一個完

11、整的計算機控制系統(tǒng)。2、根據(jù)設(shè)備情況以及被控對象，采用相應(yīng)的控制算法和濾波器算法，編制程序框圖和源程序，并進行實際操作和調(diào)試通過，獲得滿意的控制效果。五.實驗（設(shè)計）儀器設(shè)備和材料清單THBDC-1型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺，硬件部分包括直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、實驗通用單元電路、USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元，上位機軟件包括虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號發(fā)生器等。六.設(shè)計步驟（1）總體方案設(shè)計：構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，確定系統(tǒng)各組成模塊的功能和相互關(guān)系。 （2）詳細設(shè)計：硬件部分：選擇硬件型號，設(shè)計具體的噪聲發(fā)生電路、被控對象的模擬電路等。給出系統(tǒng)各個組成部分

12、的接口電路。 軟件部分：依據(jù)采用的控制算法及計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點，繪制程序流程圖，并編寫相應(yīng)的程序代碼。程序的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)給出文字注釋。（3）調(diào)試：首先在Matlab軟件中對系統(tǒng)進行仿真分析（選做，simulink仿真環(huán)境或純M文件編程均可）；編譯軟件，在實驗室進行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，通過觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，整定PID控制器參數(shù)和濾波器參數(shù)，獲得滿意的控制效果。（4）獨立撰寫課程設(shè)計說明書。七設(shè)計要點 （1）噪聲信號的發(fā)生電路設(shè)計； （2）通過實驗分析得到，與普通PID算法相比， 不完全微分PID算法的優(yōu)點及其適用場合； （3）在計算機控制系統(tǒng)中設(shè)計卡爾曼數(shù)字濾波器的方法。通過分析實驗結(jié)果

13、，得出使用卡爾曼數(shù)字濾波器的優(yōu)點。八課程設(shè)計進度安排課程設(shè)計時間為一周，將其分為三個階段。第一階段：閱讀研究實驗指導(dǎo)書與任務(wù)書，復(fù)習(xí)有關(guān)知識，收集文獻資料，設(shè)計系統(tǒng)框圖。此階段約占總時間的20%。第二階段：對裝置、器件、芯片作好選型，細劃與設(shè)計、繪出各部分接口電路圖，完成主要程序框圖繪制和具體程序的編寫。約占總時間的60%。第三階段：整理、匯總、撰寫課程設(shè)計說明書。約占總時間的20%。九考核方式及成績評定3、 考核方式由平時檢查、提問抽查、答辯與課程設(shè)計說明書質(zhì)量等幾方面結(jié)合起來考慮：學(xué)習(xí)與設(shè)計態(tài)度的認真性，課堂知識理解掌握的深入程度，畫圖軟件應(yīng)用的熟練程度，設(shè)計方案的正確性或合理性，圖文的質(zhì)量效果，是否獨立完成，是否具有獨立分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神等。4、 考核成績評定標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)計：每個同學(xué)根據(jù)題目，獨立完成設(shè)計和設(shè)計報