《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)MATLAB版.doc

精品計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)（Matlab 版）一、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目的與任務(wù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解和掌握數(shù)字PID控制算法的特點(diǎn)、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(jì)的基本方法，了解不同的控制算法對(duì)被控對(duì)象的控制特性，加深對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論的認(rèn)識(shí)，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整定技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的了解。根據(jù)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告（用實(shí)驗(yàn)報(bào)告專用紙）。二、實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在熟悉PC機(jī)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(guò)編程完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)，逐步學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)方案的評(píng)估與系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)估的方法。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)和要求：根據(jù)被控對(duì)象的特性，從自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)要求出發(fā)對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整體上要求系統(tǒng)必須有良好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。一般要求系統(tǒng)在振蕩23次左右進(jìn)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3050的穩(wěn)定值；動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間在35倍的被控對(duì)象時(shí)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(yùn)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(shí)間由大向小進(jìn)行調(diào)節(jié)。若要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，增加系統(tǒng)的靈敏度，克服被控對(duì)象的慣性，可以加入微分環(huán)節(jié)，微分時(shí)間由小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制的三個(gè)特性參數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互的影響，整定時(shí)必需綜合考慮。系統(tǒng)的整定過(guò)程是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程，需反復(fù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)一、數(shù)字PID參數(shù)的整定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1）、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。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) WINDOWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件。2) PC電腦。三、 實(shí)驗(yàn)原理在過(guò)程控制中，廣義被控對(duì)象采用一階對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并滿足一定的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)。例如：對(duì)象的傳遞函數(shù)為：,按下圖進(jìn)行數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并確定數(shù)字PID控制器的參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)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(dāng)值，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。4） 整定比例度。5） 整定積分時(shí)間。6） 整定微分時(shí)間。7） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。五. 實(shí)驗(yàn)要求1. 完成編程并檢查是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤。2. 運(yùn)行程序。3. 對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行顯示。4. 記錄運(yùn)行的結(jié)果。5. 分析正確與錯(cuò)誤的原因。6. 用專用的報(bào)告紙寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)二、Smith算法的運(yùn)用一、實(shí)驗(yàn)?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(jì)原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) WINDOWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件。2) PC電腦。三、實(shí)驗(yàn)原理按下圖進(jìn)行Smith算法控制回路的設(shè)計(jì)，在過(guò)程控制中，廣義被控對(duì)象采用一階加純遲后對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的Smith控制控制器，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并滿足一定的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1） 運(yùn)行MATLAB文件。2） 運(yùn)用Simulink按下圖進(jìn)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kp40，ki0.022，假設(shè)預(yù)測(cè)模型精確，階躍信號(hào)輸入取100。4） 觀測(cè)Simulink仿真程序運(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)整定；當(dāng)參數(shù)適當(dāng)值時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。6） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。五. 實(shí)驗(yàn)要求1. 完成編程并檢查是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤。2. 運(yùn)行程序。3. 對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行顯示。4. 記錄運(yùn)行的結(jié)果。5. 分析正確與錯(cuò)誤的原因。6. 用專用的報(bào)告紙寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)三、二階對(duì)象數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）、了解二階對(duì)象數(shù)字控制回路的結(jié)構(gòu)。2）、掌握二階對(duì)象數(shù)字PID算法的控制原理。3）、掌握二階對(duì)象數(shù)字PID控制算法的設(shè)計(jì)原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) WINDOWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件。2) PC電腦。三、實(shí)驗(yàn)原理按下圖二階對(duì)象數(shù)字控制回路的設(shè)計(jì)，在過(guò)程控制中，廣義被控對(duì)象采用二階對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID控制控制器，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并滿足一定的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)。廣義被控對(duì)象采用的傳遞函數(shù)為：運(yùn)用Simulink按下圖進(jìn)行圖形化編程。設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字控制器，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并滿足一定的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)。四、 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行PID三參數(shù)整定；當(dāng)三參數(shù)適當(dāng)值時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。4） 整定比例度。5） 整定積分時(shí)間。6） 整定微分時(shí)間。7） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。五. 實(shí)驗(yàn)要求1. 完成編程并檢查是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤。2. 運(yùn)行程序。3. 對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行顯示。4. 記錄運(yùn)行的結(jié)果。5. 分析正確與錯(cuò)誤的原因。6. 用專用的報(bào)告紙寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)四、達(dá)林控制算法的運(yùn)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1）、了解達(dá)林控制算法的控制回路的結(jié)構(gòu)。2）、掌握達(dá)林控制算法的使用方法。3）、掌握達(dá)林控制算法的編程原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1) WINDOWS操作系統(tǒng)和MATLAB軟件。2) PC電腦。三、實(shí)驗(yàn)原理達(dá)林算法的SIMULINK仿真模型見(jiàn)圖。達(dá)林算法適用于一、二階慣性加純滯后對(duì)象，仿真模型僅對(duì)工業(yè)控制中常見(jiàn)的一階慣性加純滯后對(duì)象作仿真。若要仿真二階對(duì)象，不難在此仿真模型上修改進(jìn)行。五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）建立達(dá)林控制算法的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。2） 假設(shè)對(duì)象模型，要求閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)秒，取采樣周期T=1秒。先按對(duì)象的參數(shù)去設(shè)置控制器參數(shù)，然后運(yùn)行仿真模型。3） 若欲縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，可將閉環(huán)時(shí)間常數(shù)改為秒，采樣周期仍為T=1秒，再次仿真。4） 觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，注意控制量的變化情況。5） 觀察系統(tǒng)輸出都沒(méi)有紋波出現(xiàn)，說(shuō)明在純滯后時(shí)間是采樣周期的整數(shù)倍時(shí)，無(wú)論閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)是大于還是小于慣性時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)輸出都是沒(méi)有紋波的。倘若純滯后時(shí)間不是采樣周期的整數(shù)倍時(shí)，系統(tǒng)輸出將會(huì)發(fā)生波動(dòng)。6） 設(shè)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(dòng)將更厲害。7） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試。8） 達(dá)林算法控制器的S函數(shù)程序darlincon.m清單如下：function sys,x0,str,ts = dahlincon(t,x,u,flag,Ttao,T1,K,Tao,T)global umax k1 k2 k3 uk ek_1 N switch flag,case 0, % Initialization sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); str = ; ts = T 0; umax = 50; N=floor(Tao/T) uk=zeros(N+2,1); ek_1=0; k1=exp(-T/Ttao); k2=exp(-T/T1); k3=(1-k1)/K/(1-k2);case 3, % Outputs ek=u; uk(1)=k3*(ek-k2*ek_1)+k1*uk(2)+(1-k1)*uk(N+2); if uk(1)umax uk(1)=umax; end if uk(1)-umax uk(1)=-umax; end ek_1=ek; uk(2:N+2)=uk(1:N+1); sys=uk(1);case 1,2,4,9, % Unhandled flags sys = ;otherwise % Unexpected flags error(Unhandled flag = ,num2str(flag);end程序中的斜體部分就是有關(guān)的達(dá)林算法實(shí)現(xiàn)所用的變量和語(yǔ)句。五. 實(shí)驗(yàn)要求1. 完成編程并檢查是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤。2. 運(yùn)行程序。3. 對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行顯示。4. 記錄運(yùn)行的結(jié)果。5. 分析正確與錯(cuò)誤的原因。6. 用專用的報(bào)告紙寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（Matlab 版）一、設(shè)計(jì)的內(nèi)容與安排1. 課程設(shè)計(jì)題目的選擇 根據(jù)課程的要求和本人的學(xué)習(xí)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(jì)題目，學(xué)生也可以自主提出符合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求的適合設(shè)計(jì)的題目，但是學(xué)生提出的題目必須經(jīng)過(guò)任課教師的確認(rèn)才能立為設(shè)計(jì)題目。2. 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（1） 設(shè)計(jì)題目； 單回路數(shù)字系統(tǒng)PID控制設(shè)計(jì)； 串接數(shù)字系統(tǒng)PID控制設(shè)計(jì)； 二階純滯后系統(tǒng)的大林算法控制設(shè)計(jì)； 二階純滯后系統(tǒng)的Smith算法控制設(shè)計(jì)； 其它數(shù)字控制方法。（2） 主要技術(shù)指標(biāo)和要求；根據(jù)被控對(duì)象的特性，從自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)要求出發(fā)對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整體上要求系統(tǒng)必須有良好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。一般要求系統(tǒng)在振蕩23次左右進(jìn)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3050的穩(wěn)定值；動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間在35倍的被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)值。3. 課程設(shè)計(jì)題目的確定程序1） 學(xué)生在深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)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(xué)生要提出選題依據(jù)。3） 設(shè)計(jì)題目必須經(jīng)老師確認(rèn)后，才是有效設(shè)計(jì)題目。4） 課程設(shè)計(jì)題目必須在一周內(nèi)完成。5） 提交設(shè)計(jì)報(bào)告或小論文。二、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與創(chuàng)新1. 的新穎性和獨(dú)到之處；2. 計(jì)的難度和總體工作量根據(jù)以下四點(diǎn)來(lái)定；算法難度，對(duì)象的復(fù)雜性，控制回路的復(fù)雜性，系統(tǒng)的大小。3. 自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)；4. 完成的時(shí)間與獨(dú)立完成情況。三、課程設(shè)計(jì)步驟1. 開(kāi)機(jī)并運(yùn)行MATLAB文件。2. 運(yùn)行Simulink工具箱等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3. 結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)功能模塊和m文件編程進(jìn)行系統(tǒng)編程4. 運(yùn)行完成的軟件，進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。5. 記錄運(yùn)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(yùn)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(shí)間由大向小進(jìn)行調(diào)節(jié)。若要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，增加系統(tǒng)的靈敏度，克服被控對(duì)象的慣性，可以加入微分環(huán)節(jié)，微分時(shí)間由小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制的三個(gè)特性參數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互的影響，整定時(shí)必需綜合考慮。系統(tǒng)的整定過(guò)程是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程，需反復(fù)進(jìn)行。四、課程設(shè)計(jì)的成績(jī)?cè)u(píng)定以提交設(shè)計(jì)報(bào)告或小論文為評(píng)分依據(jù)。遞交報(bào)告格式題目三號(hào)黑體班級(jí)，學(xué)號(hào)（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，目前了解到的資料中別人是如何做與本問(wèn)題相關(guān)的研究的。2