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