《物联网控制技术》-彭力 控制系统仿真实验手册 实验1-7 采样与保持仿真实验-振铃的消除仿真实验

控制系统仿真实验手册实验一：采样与保持仿真实验一、实验目的与要求1、了解数/模转换器的零阶保持器作用。2、验证零阶保持器在控制系统中的作用。3、验证采样周期对系统稳定性的影响。4、学习控制系统计算机辅助设计软件MATLAB及其仿真环境SIMULINK的使用。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理－×50.5S11－×50.5S11eTSS10S其中零阶保持器描述回路的采样功能和D/A转换器的保持功能。四、SIMULINK仿真结构图五、仿真实验记录采样周期T(ms)R、C波形记录10203040六、思考题1、在微机控制系统中采样周期T的选择应注意哪些方面？2、若模拟量在A/D转换时变化较大，是否要加保持器？为什么？3、D/A转换器为什么会具有零阶保持器的作用？4、计算机控制系统模拟量输出通道中若无零阶保持器会出现什么问题？5、系统的平滑性与什么有关？实验二：微分与平滑仿真实验一、实验目的与要求1、了解微分对采样噪音的灵敏响应。2、了解平滑算法抑制噪音的作用。3、进一步学习MATLAB及其仿真环境SIMULINK的使用。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理如图微分加在正反馈输入端，计算机用D(Z)式进行微分运算。R为阶跃输入信号，CRR+×C+D(Z)1eTSS20.02S1四、D(Z)设计1、未平滑时的D(Z)用一阶差分代替微分运算：D(Z)Y(Z)X(Z)

TD(1Z1)T式中TD为微分时间常数，T为计算机采样周期。2、平滑后的D(Z)微分平滑运算原理如图：xk-3k-2 xk-3k-2 xxk-1T0.5T0.5TTx xt取Y*(K)为四个点的微分均值，有Y*(K)TD(XKX

XKX

XXK2XXK2)4TTD(X6T

1.5K3X

K

3X

K2

0.5XK3)

1.5 D(Z)Y(Z)X(Z)

TD(13Z13Z2Z3)6T五、SIMULINK仿真结构图六、仿真实验记录参数设置R、C波形记录未平滑T=0.02sTD=0.01sD(Z)=平滑T=0.02sTD=0.01sD(Z)=未平滑T=0.04sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.04sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.02sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.04sTD=0.01sD(Z)=思考题1、微分噪音与采样噪音和采样周期T有什么关系？与微分时间常数有什么关系？2、平滑后系统输出有无改善是否一定需要平滑？实验三：积分分离PID控制仿真实验一、实验目的与要求1、学会PID三个系数的选取。2、了解积分分离值的模拟实验选取。3、掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理R+×E+++-S(0.3S1)(0.25SR+×E+++-S(0.3S1)(0.25SPID++1eTS50C四、PID算法tpPID控制规律为：tp

IU(t)KI

[e(t)1

e(t)dtT

de(t)]0 D T其中：e(t)为控制器输入；U(t)为控制器输出。对上式进行零初始条件下的拉氏变换，T得PID控制器的传递函数：D(S)U(S)KE(S) 五、整定调节参数与系统开环增益

1TIS

TDS)KPKpu（：T0.167Tu，Kp＝0.27/Kpu，TI＝0.4Tu，TD＝0.22Tu六、SIMULINK仿真结构图七、自定义函数设计（functiony=jffl(x)EI=5(或2)ifabs(x)<=EIy=xelsey=0end55msEIKPKIKP/TIKDKPTDMptsⅠ用临界比例带法整定参数50.585.750.030.61.1Ⅱ用Ⅰ栏PID参数，EI修改2Ⅲ较佳的PID参数5Ⅳ用Ⅲ栏PID参数，EI修改2（）九、思考题１、当积分分离值EI取得最大时，还是积分分离式控制吗？若取最小呢？２、试分析比例控制、微分控制、积分控制在系统中的作用。实验四：最小拍有纹波系统仿真实验一、实验目的与要求1.掌握最小拍有纹波系统的计算机控制脉冲传函D(Z)的设计方法。2.了解该系统对三种典型输入的适应性。3.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理如图RCE

D(Z)计算输出控制量U。RR+×C－5S(S1)1eTSSD(Z)四、D(Z)设计

D(Z)(S)GZZeZDZ

5S(S

；T＝１s；R(t)＝１t2.5；五、SIMULINK仿真结构图六、仿真波形记录输入函数R、C波形记录阶跃输入斜坡输入抛物线输入七、思考题1.系统对三种典型输入适应性如何？2.设计与实验结果是否相符？为什么？3.最小拍系统受什么限制而使调整节拍增加？实验五：最小拍无纹波系统仿真实验一、实验目的与要求1、掌握最小拍无纹波系统的计算机控制脉冲传函

D(Z)的设计方法。2、掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理如图RD(ZU。RR+×C－5S(S1)1eTSSD(Z)D(Z)四、D(Z)设计(S)GZZeZDZ

5S(S

；T＝１s；Rt＝t；五、SIMULINK仿真结构图六、仿真波形记录输入函数R、C波形记录阶跃输入斜坡输入抛物线输入七、思考题最小拍无纹波系统输出是否无波纹？为什么？实验六：大林算法控制仿真实验一、实验目的与要求1.DZ

设计。2.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理如图延时一拍由采样保持器滞后一拍输入模拟量实现。－×10eTS－×10eTSS1D(Z)1eTSSDZ设计

D(Z)已知：

(S)

10eTSS1

, T,；eTS大林设计目标定为：

(S)TS五、SIMULINK仿真结构图六、仿真波形记录输入函数R、C、Uh波形记录阶跃输入斜坡输入七、思考题1.大林算法控制系统对阶跃输入有无超调？为什么？2.大林算法与PID算法有什么本质区别？实验七：振铃的消除仿真实验一、实验目的与要求1.了解控制器产生振铃的原因。2.掌握大林算法消除振铃的方法。3.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真软硬件环境PC机，MATLAB5.3。三、实验原理如图延时一拍由采样保持器滞后一拍输入模拟量实现。RR+×C－10eTSS11eTSSD(Z)D(Z)四、设计消除振铃后的DZ已知：

(S)

10eTSS1

,T0.2s,R(t)2.5(t)；eTS大林设计目标定为：

(S)TS五、SIMULINK仿真结构图六、仿真波形记录输入函数R、C、Uh波形记录阶跃输入斜坡输入七、思考题1.振铃产生的原因是什么？2.为什么要消除振铃？3.消除振铃前后系统输出有什么不同？为什么？附录一MATLAB下的仿真工具SIMULINK使用说明控制系统计算机辅助设计语言――MATLAB是国际控制界应用最广泛的语言和工具。SIMULINKMath1990SMUNSIMULINK一、SIMULINK仿真步骤：（一）建立控制系统模型框图1.打开模型编辑窗口在MATLAB菜单上选择File/New/Model，打开一个空白模型编辑窗口。2.打开模型图元窗口SimulikLibraryBrowserSimulinkDiscrete（Functions&、math（、Nonlinear（、Signals&Systems（、Sinks（、Sources（。3.选择、安排图元FcnConstantTransterFcnIntegratorGainTransportDelay等；Discrete/DiscreteTransterFcnZeroOrderHold等；Nonlinear/Saturation、DeadZone；math/Sum、Gan等；Signals&Systems/Mux；Sinks/ScopeGraphScope4.连接（oratRoaeBlokoat/pBock（二）设置参数1.模块参数设置epenalau（nalaueequencPaNueaorenonaoSapenea（oerouputiUpperoutputlimit）等。2.仿真控制参数设置（Simulation/Parameters）2/34/5Runge-KuttaLinSim1在编辑系统框图和设置参数过程中随时都可在MATLAB菜单中选择File/Save或Saveas...进行保存，以备后用。（三）运行Si