實(shí)驗(yàn)七最少拍控制系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)一 最少拍控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)會(huì)對(duì)最小拍控制系統(tǒng)的分析方法。（2）了解輸入信號(hào)對(duì)最小拍控制系統(tǒng)的影響及其改進(jìn)措施。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）硬件環(huán)境微型計(jì)算機(jī)一臺(tái)， Pentium4以上各類微機(jī)（2） 軟件平臺(tái)操作系統(tǒng)：Windows 2000 MATLIB6.0 仿真軟件3實(shí)驗(yàn)原理最少拍控制是一種直接數(shù)字設(shè)計(jì)方法。所謂最少拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)達(dá)到無(wú)靜差的穩(wěn)態(tài)，使系統(tǒng)輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。它的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有形式 在這里，是可能情況下的最小正整數(shù)。這一傳遞形式表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)在N個(gè)采樣周期后變?yōu)?/p>

2、零，從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)到達(dá)穩(wěn)態(tài)。其控制原理如圖1：D(z) 圖71 最少拍系統(tǒng)控制原理圖(1)輸入信號(hào)分別為單位階躍輸入和單位速度輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)控制器;(2)采樣周期=1s。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟(1) 按系統(tǒng)要求計(jì)算為有紋波控制器；(2)按照系統(tǒng)原理圖，在simulin下構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型；取輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)和單位速度信號(hào)，設(shè)計(jì)控制器，觀察輸入輸出波型，標(biāo)明參數(shù)，打印結(jié)果；（3）觀察系統(tǒng)輸出波形在采樣點(diǎn)以外的波形。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1-2 單位階躍輸入下最少拍有紋波控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型 6. 思考與分析（1）最少拍受什么限制而使調(diào)整節(jié)拍增加？ 答：最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)的閉環(huán)系統(tǒng)，在有

3、限拍后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，這時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)輸出在采樣時(shí)間精確的跟蹤輸入信號(hào)。如單位階躍信號(hào)在一拍后，單位速度在兩拍后，單位加速度信號(hào)則在三拍后。所以最少拍受輸入函數(shù)階數(shù)的限制而使調(diào)整節(jié)拍增加。即輸入函數(shù)的階數(shù)越高，調(diào)解時(shí)間越長(zhǎng)。（2）無(wú)紋波系統(tǒng)對(duì)控制器有何要求？ 答：為使系統(tǒng)的輸出值跟蹤上輸入值后在非采樣點(diǎn)無(wú)波紋對(duì)控制器有如下約束條 （1）為使被控對(duì)象在穩(wěn)態(tài)時(shí)獲得無(wú)紋波的平滑輸出，要求被控對(duì)象Gp(s)必須具有相應(yīng)的能 力，使系統(tǒng)輸出y(t)與輸入r(t)相同。例如，若輸入為等速輸入函數(shù)，被控對(duì)象Gp(s)的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)為等速函數(shù)。因此就要求Gp(s)中至少有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。再如，若輸入為等加速輸入函數(shù)，則被

4、控對(duì)象Gp(s)的穩(wěn)態(tài)輸出也應(yīng)為等加速函數(shù)，要求Gp(s)中至少有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。所以最少拍無(wú)紋波控制能夠?qū)崿F(xiàn)的必要條件是被控對(duì)象Gp(s)中含有與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的積分環(huán)節(jié)數(shù)。(2) 必須包含G(z)中的圓外圓內(nèi)全部零點(diǎn)N(z)。（3）分析不同輸入信號(hào)對(duì)最小拍控制系統(tǒng)的影響。答：在單位階躍函數(shù)作用下： 即輸出響應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期T，輸出與輸入完全跟蹤，即調(diào)整時(shí)間為一拍。同理在單位速度作用下經(jīng)兩個(gè)采樣周期T，輸出與輸入完全跟蹤，即調(diào)整時(shí)間為二拍 。在單位加速度作用下經(jīng)三個(gè)采樣周期T，輸出與輸入完全跟蹤，即調(diào)整時(shí)間為三拍。即輸入函數(shù)的階數(shù)越高，調(diào)解時(shí)間越長(zhǎng)，調(diào)節(jié)節(jié)拍增加。實(shí)驗(yàn)二 純滯后控制實(shí)驗(yàn)1.實(shí)

5、驗(yàn)?zāi)康呐c要求(1) 掌握應(yīng)用大林算法進(jìn)行純滯后系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；(2) 掌握純滯后系統(tǒng)消除振鈴的方法。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備（1）硬件環(huán)境微型計(jì)算機(jī)一臺(tái)， Pentium4以上各類微機(jī)（2）軟件平臺(tái)操作系統(tǒng)：Windows 2000以上；仿真軟件工具：MATLIB5.3以上。3實(shí)驗(yàn)原理 在一些工業(yè)過(guò)程（如熱工、化工）控制中，由于物料或能量的傳輸延遲，許多被控制對(duì)象具有純滯后性質(zhì)。例如，一個(gè)用蒸汽控制水溫的系統(tǒng)，蒸汽量的變化要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為 的路程才能反映出來(lái)。這樣，就造成水溫的變化要滯后一段時(shí)間（是蒸汽的速度）。對(duì)象的這種純滯后性質(zhì)常會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩。因此，對(duì)于這一類系統(tǒng)，采用一般的隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是不行的

6、，而用PID控制往往效果也欠佳。本實(shí)驗(yàn)采用大林算法進(jìn)行被控制對(duì)象具有純滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)，達(dá)林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即 該算法控制將調(diào)整時(shí)間的要求放在次要，而超調(diào)量小甚至沒(méi)有放在首位?？刂圃砣鐖D1,其中：采樣周期=0.9秒，期望傳遞函數(shù)=0.5秒，被控對(duì)象 ；輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)。D(z) G(s) + 圖81 純滯后系統(tǒng)控制原理圖應(yīng)用大林算法進(jìn)行純滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器。4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（1）按照純滯后控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)；（2）按照系統(tǒng)原理圖，在simulink下構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模型；

7、（3）做出系統(tǒng)的仿真波形圖，標(biāo)明參數(shù)，打印結(jié)果（包括系統(tǒng)的輸出和控制器的輸出）。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果6. 思考與分析（1）純滯后控制系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)有無(wú)超調(diào)？為什么？ 答：純滯后控制系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)有超調(diào)，因?yàn)樗^純滯后控制系統(tǒng)，就是被控對(duì)象具有純滯后特性，即時(shí)間常數(shù)很大，也就是說(shuō)反應(yīng)比較慢，而被控對(duì)象的滯后時(shí)間會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，動(dòng)態(tài)性能變壞，即會(huì)引起超調(diào)和持續(xù)的振蕩，因而純滯后控制系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)也有一定的超調(diào)。（2）純滯后控制與PID控制有什么本質(zhì)區(qū)別？ 答：PID控制:比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制的作用是，

8、只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，使整個(gè)控制系統(tǒng)得到良好的性能。 純滯后控制:對(duì)給定的水位及溫度對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)及控制。主要內(nèi)容有水位及溫度對(duì)象的在線實(shí)驗(yàn)建模，并以HJ-2型高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的水位對(duì)象及溫度對(duì)象為被控對(duì)象，進(jìn)行試驗(yàn)研究；同時(shí)以試驗(yàn)求得的數(shù)學(xué)模型為對(duì)象，在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于對(duì)象存在較大的純滯后，采用單回路PID控制效果不佳。但常規(guī)單回路PID控制對(duì)一般對(duì)