计算机控制实验报告初稿剖析

1、精选优质文档-倾情为你奉上南京邮电大学 自动化 学院 实 验 报 告 课程名称： 计算机控制系统 实验名称： 计算机控制系统性能分析 所在专业： 自动化 学生姓名： 王 站 班级学号： B 任课教师: 程艳云 2013 /2014 学年第 二 学期专心-专注-专业实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法 3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统 图1 计算机控制系统

2、 1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的的取值范围；解:G1=tf(1,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');/求系统脉冲传递函数rlocus(G);/绘制系统根轨迹将图片放大得到Z平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。放大图片分析：k,poles=rlocfind(G)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.9905 + 0.1385ik = 193.6417poles = 0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i

3、得到0<K<193 (2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的的取值范围； 解：G1=tf(1,1 1 0);rlocus(G1);由图片分析可得，根轨迹在S平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<(3) 分析导致上述两种情况下取值范围差异的原因。答：连续系统比离散系统稳定性好，加入采样开关以后，采样周期越大，离散系统系统稳定性越差，能使系统稳定的K的范围越小。2.时域特性分析令(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标；G1

4、=tf(20,1 1 0);step(feedback(G1,1); 由图数据：上升时间=0.254s超调量=70.2调节时间=7.82s峰值时间=0.702s(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标；G1=tf(20,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');Q=step(feedback(G,1);num,den=tfdata(Q); dstep(num,den)上升时间=24.7*T=0.247s超调量=72.8调节时间=857*T=8.57s峰值时间=71*T=0.71s(3

5、) 分析其时域性能指标的差异及产生原因。由于采样开关和零阶保持器的存在，使得离散系统的时域响应与连续系统相比发生变化，稳定性相对降低，动态性能相对变差。3.频域特性分析(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，绘制其频率特性响应；G1=tf(1,1 1 0);bode(G1)(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，绘制其频率特性响应；w=logspace(-1,10);dbode(1,1 1 0,0.01,w)(2) 讨论上述两种情况下频率特性响应的区别和联系。G1=tf(1,1 1 0);bode(G1)hold onw=logspace(-1,10);dbode(1,

6、1 1 0,0.01,w)频率特性对比:1、频率特性是w的周期函数，当wT沿着单位圆每转一周时，频率特性周期性重复一次，这是连续系统没有的。2、幅频特性是w的偶函数，相频特性是w的奇函数，连续系统也有这个特性。3、离散环节频率特性形状与连续系统频率特性形状有较大差别，特别是当采样周期较大以及频率较高时，由于混叠，使频率特性形状有较大变化，主要表现有:高频时会出现多个峰值；可能出现正相位；仅在较小的采样周期或低频段与连续系统频率特性相接近。南京邮电大学 自动化 学院 实 验 报 告 课程名称： 计算机控制系统 实验名称： 数字PID控制 所在专业： 自动化 学生姓名： 王 站 班级学号： B 任

7、课教师: 程艳云 2013 /2014 学年第 二 学期实验二 数字PID控制一、实验目的1研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2研究采样周期T对系统特性的影响。3研究I型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器1EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台三、实验内容1系统结构图如3-1图。图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图

8、3-3对应Gp2（s）。 图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。 4当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。 5PI调节器及PID调节器的增益 Gc（s）=Kp（1+K1/s） =KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。采

9、用PID调节器相同。6“II型”系统要注意稳定性。对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 G（s）=Gc（s）·Gp2（s） =K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<107PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T） q1=Kp（1+（2Kd/T） q2=Kp（Kd/T）T-采样周期四、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路

10、(图3-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验三数字PID控制, 鼠标单击鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与其相对应的性能指标sp、ts的数值。7

11、.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。 9.重复4-7步骤。10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的sp、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：实验结果参数%Ts阶跃响应曲线KpKiKd10000.623如图110.02113.80.654如图210.1063.15.8如图310.05035.21.392如图410.02015.90.821如图510.022

12、11.60.696如图6实验结果参数%Ts阶跃响应曲线KpKiKd10000.623如图110.05095.31.715如图710.03063.11.569如图810.020310.840如图910.02122.40.738如图10图1图2图3图4图5图6 图7图8图9图10五、实验报告1 画出所做实验的模拟电路图。答:所做实验的模拟电路图如图3-2和图3-3所示.2 当被控对象为Gp1（s）时取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量g和穿越频率wc。答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（0.5s

13、+1）（0.1s+1）根据MATLAB指令：G=tf（5 5 0.1,0.05 0.6 1 0）;bode(G)由伯德图可以得到：相稳定裕量g=96deg，穿越频率wc=100rad/s3 总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。答: 根据给定的参考值kp,ki,kd，运用控制变量法，每次保证其中两个值不变，改变另外的一个值，然后画出阶跃响应曲线，通过对比每次得到的曲线，找出较为理想的曲线，即可获得较为满意的参数kp,ki,kd。六、预习要求1熟悉PID控制器系统的组成。2熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。七、PID软件流程图图中 ek为误差，ek1为上

14、一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量初始化控制步数、采样点数Point初始化ek，ek1，ek2，uk画希望值曲线初始化系统输出希望值start使硬件被控对象初始值输出等于0采集硬件被控对象的输出inputf inputf浮点化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判断积分分离项判断uk是否超上下限输出ukJ+1J<point结束画被控对象第J点输出inputf南京邮电大学 自动化 学院 实 验 报 告 课程名称： 计算机控制系统 实验名称： 最小拍控制系统 所在专业： 自动化

15、 学生姓名： 王 站 班级学号： B 任课教师: 程艳云 2013 /2014 学年第 二 学期实验三： 最小拍控制系统一、 实验目的：1建立计算机最小拍控制系统的一般概念；2掌握有纹波最小拍控制器的设计方法 3观察无纹波最小拍控制器的设计方法；4了解最小拍控制器的优缺点；5掌握最小拍控制系统的改进方法。二、 实验内容： 图1采样周期为T=0.1s1. 针对图一所示的计算机控制系统,考虑输入为单位速度信号时，进行计算机控制算法D(Z)设计，编程实现最小拍有纹波系统；第一步：求广义脉冲传递函数Gs=tf(5,1,1,0);Gz=c2d(Gs,0.1,'zoh');/求解广义对象的

16、脉冲传递函数Transfer function: 0.02419 z + 0.02339-z2 - 1.905 z + 0.9048Sampling time: 0.1第二步：确定闭环脉冲传递函数由广义对象的闭环脉冲传递函数得延迟因子为，则应包含该延迟因子num,den=c2dm(5,1,1,0,0.1,'zoh') num = 0 0.0242 0.0234den = 1.0000 -1.9048 0.9048 tf2zpk(num) ans = -0.9672由此可得：G(z)没有单位圆上或圆外的零点tf2zpk(den)ans = 1.00000.9048 由此可得：G(

17、z)包含一个单位圆上极点根据物理可实现条件和稳定性条件，所以Qez=tf(1 -2 1,1,0,0,0.1);Qz=1-Qez Transfer function:2 z - 1- z2 Sampling time: 0.1Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)Transfer function: 2 z5 - 4.81 z4 + 3.715 z3 - 0.9048 z2-0.02419 z5 - 0.02498 z4 - 0.0226 z3 + 0.02339 z2 Sampling time: 0.1Qz=minreal(Dz*Gz/(1+Dz*Gz); Q=2;t=0:0.1:Q;u=t;p

18、lot(0:0.1:Q,u,'r*');hold onyt=lsim(Qz,u,t,0);plot(0:0.1:Q,yt); 2. 讨论纹波的生成原因，编程实现最小拍无纹波系统；纹波产生原因：控制信号u(t)的变化引起输出的波动根据物理可实现条件和稳定性条件以及无纹波条件， Qez=tf(1 -1.2666 -0.4668 0.7334,1,0,0,0,0.1);Qz=1-Qez Transfer function:1.267 z2 + 0.4668 z - 0.7334- z3 Sampling time: 0.1设计最小拍无纹波系统控制器Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)

19、Transfer function: 1.267 z7 - 1.946 z6 - 0.4765 z5 + 1.819 z4 - 0.6636 z3-0.02419 z7 - 0. z6 - 0.04092 z5 + 0. z4 + 0.01716 z3 Sampling time: 0.1Qz=minreal(Dz*Gz/(1+Dz*Gz);Q=2;t=0:0.1:Q;u=t;plot(0:0.1:Q,u,'r*');hold onyt=lsim(Qz,u,t,0);plot(0:0.1:Q,yt);3. 讨论最小拍系统的特点，采取惯性因子法对最小拍控制器加以改进，并研究惯性因

20、子对系统性能的影响。最小拍系统的特点：系统对应于典型的输入信号具有最快的响应速度，被控量在最短的时间达到设定值。局限性：1) 仅适应与一种类型的输入信号 2) 系统参数变化引起系统极点位置产生偏移，系统动态性能明显变坏。 3) 采样周期的限制。 惯性因子法：基本思想：牺牲有限拍的性质为代价，换取系统对不同输入类型性能皆能获得比较满意的控制效果。方法：引进惯性因子，改进系统的闭环脉冲传递函数，使系统对多种信号的输入信号都有满意的响应。定义 相当于增加单位圆内实轴上的极点。南京邮电大学 自动化 学院 实 验 报 告 课程名称： 计算机控制系统 实验名称： 炉温控制实验 所在专业： 自动化 学生姓名

21、： 王 站 班级学号： B 任课教师: 程艳云 2013 /2014 学年第 二 学期实验四 炉温控制实验一、实验目的1了解温度控制系统的特点。2研究采样周期T对系统特性的影响。3研究大时间常数系统PID控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台3炉温控制实验对象一台三、炉温控制的基本原理1 系统结构图示于图71。图71 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1）2系统的基本工作原理 整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成，

22、主要完成温度采集、PID运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在0140V内变化。可控硅的导通角为05CH。温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。 外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。第二部分电路原理图见附录一。3PID递推算法 ： 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：Uk=

23、Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是误差累积和。四、实验内容：1设定炉子的温度在一恒定值。2调整P、I、D各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。3 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温控 制的电源。开环控制4在实验项目的下拉列表中选择实验七七、炉温控制, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。测

24、量系统响应时间Ts和超调量sp。5 重复步骤4，改变参数设置，观测波形的变化，记入下表：性能指标占空比阶跃响应曲线%Tp（秒）Ts（秒）20%如图1无无81.22040%如图2无无75.13060%如图3无无67.36570%如图4无无63.114图1图2图3图4闭环控制6. 在实验项目的下拉列表中选择实验七七、炉温控制 鼠标单击按钮，弹出实验 课题参数设置对话框，选择PID，在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及 Ki、Kp、Kd值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间Ts和超 调量sp。7.重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表中：性能指标参数阶跃响应曲线%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd1.000.021.0