东南大学计算机控制技术实验报告五

1、东南大学自动化学院实验报告课程名称:计算机控制技术评定成绩:审阅教师:第五次实验实验名称:具有纯滞后系统的大林控制院（系）：自动化专 业:自动化学 号:姓 名:同组人员:实验时间:2017年5月3日计算机控制技术实验报告学号 08014102一. 实验目的-二. 实验设备-三. 实验原理四. 实验步骤五. 实验结果15、实验目的1了解大林控制算法的基本原理;2 .掌握用于具有纯滞后对象的大林控制算法及其在控制系统中的应用。、实验设备1. THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台2. PCI-1711数据采集卡一块3. PC 机 1 台(安装软件“ VC+ ”及“ THJK_Server

2、”)三、实验原理在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间T对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间T与对象的惯性时间常数 T1之比，即T /T1二0.5时，采用常规的比例积分微分（PID）控制,很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究,比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制。本实验以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶或二阶惯性环节。即Ke详G叫;+1G(S)Ns+1)(T2s + 1)本实验被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。式中：T为纯滞后时间

3、，为方便起见假设为采样周期T的整数倍T =NT大林算法的主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下,整个闭环系统的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。即h(TT0S+1(5-1)要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。与H（s）相对应的闭环系统脉冲传递函数为1-rT NTSH(z)=Z-s T0S+1”"认T= z(1d)(1 e®z：(1-z/)(1_ez')T(1 e3zZ(5-2)将上式代入式D（z） =D(z)=丄三G(z)1e 飞z4-(1 J0)zNr(5-3)当对象为一阶惯性环节加纯滞后时G(z)=Zs/ _NTs歸心（1*是T=

4、 Kz4（1 z）dS；（1_z）（1_e可z）T= Kz，Nm(1-e 丁1)_T_1-eJ(5-4)将式（5-4）代入式（5-3）得一阶惯性环节的控制器的D（z）为D(z)TT(1-eT0)(1-eT1z4)TTTK(1-口-©飞z，由上式，控制算法为Tu(k) =e T0u(k-1) +(1T-e T0)u(k N -1) +T1 一e e(k)-K(1-e T(1-e T0)eTK(1-e 斤Je(k-1)四、实验步骤1、仔细阅读"PCI-1711数据采集卡驱动函数说明.doc "和"THJK-Server软件使用说明.doc ”THJK-Ser

5、ver软件（及相关函数）文档，掌握P CI-1711数据采集卡的数据输入输出方法和的使用方法。2、对象的传递函数为:Ke-芒G0（S）"T = NT上式中，滞后环节 e由上位机软件模拟（函数，T为滞后时间,ADinputDelay 实现）这里取T = NT，按照上图接线。4、根据此被控对象设计大林控制算法并编程序实现。5、打开大林算法实验文件夹下.dsw工程文件，源程序中缺少大林控制器算法程序，请同学用设计好的控制器算法编写程序（选取To =0.1s, N=15 ）。6、源程序编译通过后，先启动“THJK_Server ”波形显示软件，再执行程序代码，在显示界面出现的曲线并稳定后（初

6、始化后），把+5V电源打到“开”状态，观测并记录系统的响应曲线。在实验结束后，在键盘上先按下7、在纯滞后时间较大的情况下（可取“e”，再按下“ Enter （回车键）”键，程序退出。N=58），试用数字PID算法来控制（效果较差），观察输出曲线，并与采用大林控制算法控制效果相比较并分析。8、选取To =0.01s, N=1时，将看到控制器输出存在振铃现象，采用计算机控制技术教材P99的振铃消除方法来消除振铃现象。五、实验结果1、编程实现大林控制算法(选取T。=0.1S，可取N=15 )。(1 )代码实现aO = (1 - x1)/(k ?(1 - x2);a1 = x2 ? (1 - x1)/

7、(k ?(1 - x2);b1 = exp(- Ts/TO);b2 = 1 - exp(- Ts/TO);output0 = b1 ? output1 + b2 ? outputN + 1 + a0 ? ei - a1 ?eix;(2 )实验现象B-dpi 5咋V2- jTl?5厝早L.O2»X r jnoR h'，11-0 r-2图 5.1 ?= ? N=1 时图5.2?=? N=5 时2、编程实现采用数字 PID来控制的算法（可取 N=58，控制效果较差）。/PID 算法函数：PidO = P;pid1 = I; pid2 = Ddouble PID(double ei,

8、 double ? pid, double Ts)staticdouble ex = 0, ey = 0;staticdouble q0 = 0;staticdouble q1 = 0;staticdouble q2 =0;staticdouble op =0;q0= pid0 ?(ei -ex);比例项if (p id1=0)elseq2 =ey=ex=op =q1 =q1 =0;pid0 ?Ts?ei/pid1;/当前积分项pid0 ? pid2 ? (ei - 2 ?ex+ ey)/Ts;/微分项ex;ei;op + q0 + q1 + q2;return op;3、编程实现消除振铃现象

9、后的大林控制算法（选取T0 = 0.01s， N=1)。/N = 1时消除振铃现象算法a0 = (1 - x1)/(k ?(1 - x2) ?(2 - x1);a1 = x2 ? (1 - x1)/(k ?(1 - x2) ? (2 - x1);b1 = 1;output0 = b1 ? output1 + a0 ? ei - a1 ? eix;4、在纯滞后时间较大的条件下（可取N=58 ），比较采用大林控制与数字PID控制后的响应曲线并分析。（1）N=5时大林控制算法和PID控制后的响应曲线a-6-MWie卜 lO-lOV3>4心呃鹿KI：1-七-2.：9L3 5i7433图5.3 N

10、=5时，大林控制不曲：卫區lU血畑 |j£iLa-祁少：q. 口 1d.eiS -.iff6l出AIt0-I i”iw-塔<71牺IEyi；|yJ：2.1053.7111«.W27.-2D7 97：0,( H Ff：图5.4 N=5时，PID控制(2) N=8时大林控制算法和PID控制后的响应曲线as翻flo -iii'>111 f71:铁-D-JQ：它-4-輕:2U.1I5 I1Q 341 2I3.Sli7 21氏羽4 £阳氐卫377*V:5.5 N=8时，大林控制*耐也隹：j lJD-lOV 3Xi： I0-*2:靠：-4-I1IIIIIL

11、上i.i741.302.«53.0»5.+13tiPl <VS 4.9M AV: F图5.5 N=8时，PID控制分析：从大林控制算法和 PID控制后的响应曲线可以看出，PID控制出现超调量且响应时间较慢，而大林算法没有超调，稳定性较好。所以在纯滞后时间较大的条件下应选用大林控制。5、比较在消除振铃前后的大林控制响应曲线，分析振铃现象产生的原因与消除振铃的好处。(1)消除振铃前(T0 = 0.01s，N=1)in-42-器 0 一 二24'6-0 =加 rIlli山粘1Leg&1MC2 197口 72冲rtra肄 tf iJttWCffL -Y1 3!2 I也II底UkII2 M7益eP7 AV;(2)消除振铃后(To = 0.01s，N=1)J（昭I-Yt：le：.呵 ?.2囚2.3612.012 底日b皇3.0S