计算机控制实验指导书Word文档下载推荐.docx
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本实验指导书适合自动化专业、电气工程及其自动化专业、测控技术与仪器专业和电子信息工程专业的学生使用。
目录
实验一：
数字PID控制3
实验二：
最小拍控制系统5
实验三：
基于Smith预估器的纯滞后控制系统设计
实验四：
船舶自动舵控制器设计11
附录学生实验报告基本内容要求42
数字PID控制
实验学时：
3
实验类型：
设计
实验要求：
必修
一．实验目的
1．了解数字PID的一般原理；
2．掌握数字PID的编程方法及PID参数的调整。
二．实验器材
PC机
三．实验内容及要求
1．必做内容
针对具体的被控对象，设计PID控制器，其算法采用位置式或增量式算法。
设计、编制程序进行仿真分析，给出仿真结果，并讨论比例、积分、微分的作用；
2．选做内容
采用一到二种改进型算法设计PID控制器，例如：
积分分离PID算法、不完全微分PID算法和微分先行PID算法，设计、编制程序进行仿真分析，给出仿真结果；
3．被控对象
设被控对象为二阶惯性环节，其传递函数如下式：
，且采样周期T＝0.1s，输入为单位阶跃信号；
4．性能指标要求
调整时间；
超调量；
静态误差。
四．实验原理图
五．实验步骤：
1．将零阶保持器和给定的控制对象构成广义控制对象，写出其z传递函数，并转化成相应的差分方程；
2．PID控制算法采用位置式算法或者增量式算法
位置式：
增量式：
其中：
为比例系数，为积分系数，为微分系数；
3．通过试凑法选择合适的PID参数，使得系统达到给定的性能指标。
并讨论比例、积分和微分对系统产生的作用。
记录选择的PID参数；
记录输出的仿真数据；
记录仿真图形曲线。
提示:
（1）调整PID参数时，先将I、D参数保持不变，改变P参数，通过曲线图的变化得出P与超调量及调整时间的关系，再固定P、D参数,分析I对超调量及调整时间的影响，以此方法，观察D对超调量及调整时间的影响。
P
I
D
调整时间
超调量
不变
分别记录P、I、D三参数对应的仿真曲线
（2）试凑法选择合适的PID参数，使得系统达到给定的性能指标。
记录仿真曲线及参数。
六．预习要求
1．复习数字PID控制算法的基本原理；
2．复习MATLAB和VC、C++的编程、调试方法；
3．用MATLAB或C++设计、编写数字PID控制算法源程序和仿真图形曲线输出的源程序。
七．实验报告
1．写出程序清单并进行注释；
2．分析调试、运行结果。
最小拍控制系统
1．了解数字最小拍控制系统的一般原理；
2．掌握数字最小拍控制系统的编程方法。
三．实验内容
针对具体的被控对象，设计系统存在波纹的最小拍数字控制器，编制程序进行仿真分析，给出仿真结果；
采用阻尼因子法设计最小拍数字控制器，编制程序进行仿真分析，给出仿真结果；
，且采样周期T＝1s，输入分别为单位阶跃信号、单位速度信号和单位加速度信号。
五．实验步骤
1．将零阶保持器和给定的控制对象构成广义控制对象，写出其传递函数，并化成相应的差分方程；
2．确定希望的数字控制器：
单位阶跃信号：
单位速度信号：
单位加速度信号：
3．通过MATLAB或C++编程进行仿真，验证系统是否在规定拍数达到稳态。
分别对单位阶跃信号、单位速度信号和单位加速度信号：
记录调整的最小拍控制参数；
记录仿真图形曲线，标明拍数
1．复习数字最小拍控制系统的基本原理；
2．复习MATLAB和C++的编程、调试方法；
3．用MATLAB或C++设计、编写数字最小拍控制算法源程序和仿真图形曲线输出的源程序。
基于Smith预估器的纯滞后控制系统设计
1．了解smith预估控制器算法的一般原理；
2．掌握smith预估控制器算法的编程方法；
3.与PID控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌握和理解。
1．根据给定对象特性，设计smith预估控制器算法，利用Matlab（Simulink）软件或C++软件编制程序进行仿真分析，给出仿真结果；
2．设广义被控对象为：
控制系统框图为：
取T=1、τ=2、T1=2.88，经采样（T=1s）保持后，其广义对象z传递函数为
，转换为2个单位迟延
控制器参数：
Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0。
四．实验步骤
1．设计smith预估控制算法，作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P和系统输出y响应曲线；
2．被控对象不变，采用理想PID进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P和系统输出y响应曲线。
五．预习要求
1．复习smith预估控制算法和PID算法的基本原理；
3．用MATLAB或C++设计、编写smith预估控制算法源程序和仿真图形曲线输出的源程序。
六．思考题
1．分析两类控制算法对带迟延对象的控制效果；
2．根据实验分析Smith预估控制算法的优点是什么，若采用PID算法解决同类问题效果如何？
Matlab辅助设计软件:
具体操作步骤：
1、启动Matlab；
2、单击工具栏中的Simulink仿真图标，进入Simulink仿真环境
新建
模块库
3、新建仿真结构图，寻找模块，拖动到新建仿真结构图中
所涉及模块的位置：
加法器Sum：
在Simulink/MathOperations子库中。
离散PID控制器：
在SimPowerSystems/ExtraLibrary/DiscreteControlBlocks子库中。
离散传递函数DiscreteTransferFcn：
在Simulink/Discrete子库中。
示波器Scope：
在Simulink/Sinks模型库中。
阶跃信号Step：
在Simulink/Sources模型库中。
4、修改模块参数。
双击模块，在出现的窗口中设置参数。
5、连接模块。
将光标移到一个模块的输出端（>
）按下鼠标左键拖动鼠标到另一个模块的输入端（>
），松开鼠标左键就可以完成两个模块的连接。
6、设置仿真参数，进行仿真。
在Simulation下拉菜单中设置仿真参数，单击工具栏中的StartSimulation图标），计算机开始仿真，示波器可显示出仿真曲线。
7、通过曲线，分析系统性能。
船舶自动舵控制器设计
一、实验目的
1、了解船舶自动舵系统的组成，自动舵控制系统的结构、自动舵模型、控制器、环境载荷等；
2、掌握MATLAB环境下仿真方法；
3、掌握PID算法及参数的作用；
4、掌握调试PID控制器的方法；
5、掌握典型船舶自动控制系统的常用控制方法。
二、实验器材
1、PC机；
2、Matlab软件。
三、实验内容及要求
针对船舶自动舵控制系统，设计能满足以下功能的控制器。
1、利用自动舵模型，设计船舶自动舵闭环反馈控制系统，实现船舶自动艏向功能；
2、采用PID控制器，设计船舶自动舵控制系统；
3、采用带参考模型的PID控制器，设计船舶自动舵控制系统；
4、观察系统仿真曲线分析不同控制器的作用。
四、实验原理
船舶自动舵是重要导航系统（设备），用来保持船舶在给定航向或航迹上航行，是船舶操纵的关键设备。
该系统采用工控计算机和专用计算机系统结合方式进行系统控制，工控计算机完成系统运算和信息处理，专用计算机系统完成部分单元的控制与检测，并与工控机进行信息交流，实现航向与航迹准确跟踪。
该系统通过对海图信息、罗经信息和信号等信息的综合处理，采用大圆航线确定算法，使船舶的实际航迹接近设定航迹，航向控制更准确，减少航行过程中的打舵次数，节约能源延长舵机的使用寿命。
系统具有以下主要功能：
具有航迹自动操舵功能、具有航向自动操舵功能、具有舵角随动操航功能、具有航角外控随动操蛇功能、具有手动操蛇功能、具有航迹数据显示功能。
图3-1船舶自动舵示意图
图3-2自动舵控制系统结构图
船舶在航行时，船速，此时主要考虑的是纵荡和艏向两个自由度，纵荡方向主要是速度控制，艏向由于跟横荡方向的耦合影响，因此数学模型为:
，
从而可以转化为Nomoto模型：
二阶Nomoto模型：
一阶Nomoto模型：
由于，可以得出：
K，T参数可以通过船舶Z操纵性实验求出。
图3-3Z型操舵试验特征曲线
五.实验步骤
1、在Matlab环境下编写船舶自动舵仿真程序；
2、设置模型参数，调试仿真程序；
3、设定定位参数，调试确定控制器最佳参数；
4、修改控制器参数，观察结果变化，体会控制器算法中比例、积分与微分所起的作用；
5、采用带参考模型PID控制器，分析该控制器的作用。
6、观察加干扰后，调试船舶自动舵仿真
六.预习要求
1、复习闭环负反馈系统、PID算法、前馈控制等相关知识；
2、按照实验要求事先编写程序；
3、按照实验要求事先选定几组试验数据进行测试；
七.实验报告内容：
1、分析MATLAB仿真程序和各部分的功能
1）分析常规PID控制器、参考模型PID控制器的作用；
2）分析自动舵模型、舵机模型、饱和环节等；
3）分析干扰下情况。
2、分析仿真结果
以30°
为期望艏向，仿真时间定位500s，分析调试、运行结果。
八.思考题
1、如果实验中静态误差较大，需要调试哪个参数？
2、为什么需要参考模型，参考模型的作用是什么？
3、如何把改程序改成Simulink仿真程序？
九.附
1
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