《计算机控制系统》实验指导书MATLAB版.doc

1、页眉内容计算机控制系统实验指导书（ Matlab版）一、实验课程教学目的与任务通过实验设计或计算机仿真设计，使学生了解和掌握数字PID 控制算法的特点、了解系统PID 参数整定和数字控制系统的直接设计的基本方法，了解不同的控制算法对被控对象的控制特性， 加深对计算机控制系统理论的认识， 掌握计算机控制系统的整定技术，对系统整体设计有一个初步的了解。根据各个实验项目，完成实验报告（用实验报告专用纸）。二、实验要求学生在熟悉 PC 机的基础上，熟悉 MATLAB 软件的操作，熟悉 Simulink 工具箱的软件编程。 通过编程完成系统的设计与仿真实验， 逐步学习控制系统的设计，学习控制系统方案的评

2、估与系统指标评估的方法。计算机控制系统主要技术指标和要求：根据被控对象的特性， 从自动控制系统的静态和动态质量指标要求出发对调节器进行系统设计， 整体上要求系统必须有良好的稳定性、准确性和快速性。 一般要求系统在振荡23 次左右进入稳定；系统静差小于3%5%的稳定值（或系统的静态误差足够小） ；系统超调量小于30 50的稳定值；动态过渡过程时间在 3 5 倍的被控对象时间常数值。系统整定的一般原则：将比例度置于交大值，使系统稳定运行。根据要求，逐渐减小比例度，使系统的衰减比趋向于 4： 1 或 10：1。若要改善系统的静态特性，要使系统的静差为零，加入积分环节，积分时间由大向小进行调节。 若要

3、改善系统的动态特性，增加系统的灵敏度， 克服被控对象的惯性， 可以加入微分环节， 微分时间由小到大进行调节。 PID 控制的三个特性参数在调节时会产生相互的影响， 整定时必需综合考虑。系统的整定过程是一个反复进行的过程，需反复进行。实验一、数字 PID 参数的整定一、 实验目的1）、了解数字 PID 控制回路的结构。2）、掌握数字 PID 控制算法的控制原理。3）、掌握数字 PID 控制算法的整定原理。二、 实验设备1) WINDOWS 操作系统和 MATLAB 软件。2) PC 电脑。三、 实验原理在过程控制中， 广义被控对象采用一阶对象， 设计相应的数字控制器， 使系统达到稳定，并满足一定

4、的动态和静态指标。页眉内容133例如：对象的传递函数为：s225 s ,按下图进行数字 PID 控制系统设计，并确定数字 PID 控制器的参数。四、实验内容1） 建立闭环数字控制系统。2） 选择 PID 数字调节器。3） 将 PID 三参数置于适当值，使系统稳定运行。4） 整定比例度。5） 整定积分时间。6） 整定微分时间。7） 对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。五 . 实验要求1. 完成编程并检查是否有语法错误。2. 运行程序。3. 对运行的结果进行显示。4. 记录运行的结果。5. 分析正确与错误的原因。6. 用专用的报告纸写出实验报告。实验二、 Smith 算法的运用一、实验目的

5、1）、了解 Smith 算法控制回路的结构。2）、掌握 Smith 算法的控制原理。3）、掌握 Smith 控制算法的设计原理。二、实验设备1) WINDOWS 操作系统和 MATLAB 软件。2) PC 电脑。三、实验原理页眉内容按下图进行 Smith 算法控制回路的设计， 在过程控制中， 广义被控对象采用一阶加纯迟后对象， 设计相应的 Smith 控制 控制器， 使系统达到稳定， 并满足一定的动态和静态指标。四、实验内容1）运行 MATLAB 文件。2）运用 Simulink 按下图进行图形化编程。3）采用 Smith 控制方法，在PID 控制中（选用PI 控制），取 kp40， ki0.

6、022，假设预测模型精确，阶跃信号输入取100。4）观测 Simulink 仿真程序运行的结果。（仿真结果表明， Smith 控制方法具有很好控制效果。）5）进行系统整定；当参数适当值时，使系统稳定运行。6）对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。五 . 实验要求1. 完成编程并检查是否有语法错误。2. 运行程序。3. 对运行的结果进行显示。4. 记录运行的结果。5. 分析正确与错误的原因。6. 用专用的报告纸写出实验报告。实验三、二阶对象数字控制系统设计一、实验目的1）、了解二阶对象数字控制回路的结构。2）、掌握二阶对象数字PID 算法的控制原理。3）、掌握二阶对象数字PID 控制算法的

7、设计原理。二、实验设备1) WINDOWS 操作系统和 MATLAB 软件。2) PC 电脑。三、实验原理按下图 二阶对象数字控制 回路的设计， 在过程控制中， 广义被控对象采用二阶对象，设计相应的 PID 控制 控制器，使系统达到稳定，并满足一定的动态和静态指标。广义被控对象采用的传递函数为：G p0.003z0.0011.94z0.9418z2运用 Simulink 按下图进行图形化编程。设计相应的数字控制器，使系统达到稳定，并满足一定的动态和静态指标。四、 实验内容1） 建立闭环数字控制系统。2） 选择 PID 数字调节器。页眉内容3） 进行 PID 三参数整定；当三参数适当值时，使系统

8、稳定运行。4） 整定比例度。5） 整定积分时间。6） 整定微分时间。7） 对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。五 . 实验要求1. 完成编程并检查是否有语法错误。2. 运行程序。3. 对运行的结果进行显示。4. 记录运行的结果。5. 分析正确与错误的原因。6. 用专用的报告纸写出实验报告。实验四、达林控制算法的运用一、实验目的1）、了解 达林控制算法的控制回路的结构。2）、掌握 达林控制算法的使用方法。3）、掌握 达林控制算法的编程原理。二、实验设备1) WINDOWS 操作系统和 MATLAB 软件。2) PC 电脑。三、实验原理达林算法的SIMULINK仿真模型见图。达林算法适用于

9、一、二阶惯性加纯滞后对象，仿真模型仅对工业控制中常见的一阶惯性加纯滞后对象作仿真。若要仿真二阶对象，不难在此仿真模型上修改进行。五、 实验内容1）建立 达林控制算法的闭环数字控制系统。2） 假设对象模型 G0 (s)21e 3 s ，要求闭环系统时间常数 T4.5 秒，取采样周期 T=14s秒。先按对象的参数去设置控制器参数，然后运行仿真模型。3） 若欲缩短调节时间， 可将闭环时间常数改为 T2 秒，采样周期仍为 T=1 秒，再次仿真。4） 观察系统的动态过程，注意控制量的变化情况。5） 观察系统输出都没有纹波出现，说明在纯滞后时间是采样周期的整数倍时，无论闭环系页眉内容统时间常数 T 是大于

10、还是小于惯性时间常数， 系统输出都是没有纹波的。 倘若纯滞后时间不是采样周期的整数倍时，系统输出将会发生波动。6） 设 T2 秒，采样周期改为T=1.3 秒 , 再次仿真。若再缩短采样周期，系统的输出波动将更厉害。7） 对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。8） 达林算法控制器的 S 函数程序 darlincon.m 清单如下： function sys,x0,str,ts = dahlincon(t,x,u,flag, Ttao,T1,K,Tao,T ) global umax k1 k2 k3 uk ek_1 Nswitch flag,case 0,% Initializations

11、izes = 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,% O

12、utputsek=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,% Unhandled flagssys = ;otherwise% Unexpected flagserror(Unhandled flag = ,num2str(flag);end程序中的斜体部分就是有关的达林算法实现所用的变量和语句。五 . 实验要求1. 完成

13、编程并检查是否有语法错误。2. 运行程序。3. 对运行的结果进行显示。4. 记录运行的结果。5. 分析正确与错误的原因。6. 用专用的报告纸写出实验报告。计算机控制系统课程设计指导书（ Matlab版）页眉内容一、设计的内容与安排1. 课程设计题目的选择根据课程的要求和本人的学习情况，选择大纲推荐的题目。任课教师可以推荐一定的设计题目， 学生也可以自主提出符合 计算机控制系统 要求的适合设计的题目，但是学生提出的题目必须经过任课教师的确认才能立为设计题目。2. 课程设计内容及要求（ 1） 设计题目； 单回路数字系统 PID 控制设计； 串接数字系统 PID 控制设计； 二阶纯滯后系统的大林算法

14、控制设计； 二阶纯滯后系统的Smith 算法控制设计； 其它数字控制方法。（ 2） 主要技术指标和要求；根据被控对象的特性，从自动控制系统的静态和动态质量指标要求出发对调节器进行系统设计，整体上要求系统必须有良好的稳定性、准确性和快速性。一般要求系统在振荡 23 次左右进入稳定； 系统静差小于 3% 5%的稳定值（或系统的静态误差足够小） ；系统超调量小于 30 50的稳定值；动态过渡过程的时间在 3 5 倍的被控对象时间常数值。3. 课程设计题目的确定程序1）学生在深入学习计算机控制系统课程后，可以在老师的指导下选题，也可以自主选题。2）学生要提出选题依据。3）设计题目必须经老师确认后，才是

15、有效设计题目。4）课程设计题目必须在一周内完成。5）提交设计报告或小论文。二、设计的质量与创新1. 的新颖性和独到之处；2. 计的难度和总体工作量根据以下四点来定；算法难度，对象的复杂性，控制回路的复杂性，系统的大小。3. 自动控制系统的静态和动态质量指标；4. 完成的时间与独立完成情况。三、课程设计步骤1. 开机并运行 MATLAB 文件。2. 运行 Simulink 工具箱等进行系统设计。3. 结合数字系统功能模块和 m 文件编程进行系统编程4. 运行完成的软件，进行反复调试。5. 记录运行结果并分析。注： PID 控制系统整定的一般原则：将比例度置于交大值，使系统稳定运行。根据要求，逐渐减小比例度，使系统的衰减比趋向于4：1 或 10：1。若要改善系统的静态特性，要使系统的静差为零，加入积分环节，积分时间由大向小进行调节。若要改善系统的动态特性，增加系统的灵敏度， 克服被控对象的惯性， 可以加入微分环节， 微分时间由小到大进行调节。 PID 控制的三个特性参数在调节时会产生相互的影响，整定时必需综合考虑。系统的整定过程是一个反复进行的过程，需反复进行。页眉内容四、课程设计的成绩评定以提交设计报告或小论文为评分依据。递交报告格式题目三号黑体班级，学号（小四）作者姓名（小四）1 前言（小四黑）前言叙述论题的背景，内容包括为什么要做这件事，