计算机控制实验报告初稿剖析.docx

1、计算机控制实验报告初稿剖析南京邮电大学 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： B11050107 任课教师: 程艳云 2013 /2014 学年第 二 学期实验一：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得到0K193 (2

3、) 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： 0K0.1，即K1107PID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(图3-2)。电路的输入U1接A/D、D/

4、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p、ts的数值。7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误

5、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p、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510.02211.60.696如图6实验结果参数%Ts阶跃

6、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，查出相稳定裕量和穿越频率c。答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1）根据MATLAB指令：G=t

7、f（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=96deg，穿越频率c=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为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量南京邮电

8、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 学生姓名： 王 站 班级学号： B11050107 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

9、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

10、或圆外的零点tf2zpk(den)ans = 1.00000.9048 由此可得：G(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=

11、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); 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:

12、0.1设计最小拍无纹波系统控制器Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz) Transfer function: 1.267 z7 - 1.946 z6 - 0.4765 z5 + 1.819 z4 - 0.6636 z3-0.02419 z7 - 0.007241 z6 - 0.04092 z5 + 0.006818 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.

13、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：

14、 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： 王 站 班级学号： B11050107 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

15、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，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P

16、ID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=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

17、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。测量系统响应时间Ts和超调量p。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p。7.重

18、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）KpKiKd1.000.021.00如图586%146.597440.7211.000.401.00如图645%230.886468.0511.000.301.00如图752%47.319267.6801.000.501.00如图854%205.515440.257 图5 图6 图7 图8六、实验报告1、过渡过程为最满意时的Kp,Ki,Kd及其响应曲线:最满意时的Kp=0.5,Ki=3.5,Kd=6.5.响应曲线如图5。2、温度控制系统有效的选择Kp,Ki,Kd方法： 本实验采用的是控制变量法来

19、做的，即在初始数值的基础上改变（变大或者变小都行）一个数值，观察炉温曲线的变化趋势，并初步得出这个变量对于曲线哪一部分有影响。对其中每一个可控变量应用此方法，最后根据需要改变所有变量值，这样得出的曲线应该就能更加切合需要。3、实验中问题分析： 总的来说比例环节KP越大，快速性增强，振荡加剧；积分环节是用以消除静差；微分环节：用以改善系统的振荡性。七、实验总结通过这次试验，我真正接触了PID调节原理在实际中的应用，大大加深了自己对PID调节原理的理解和认识。PID控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度,最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。比例系数Kp决定控制作用的强弱，Kp加大时可减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但Kp过大会引起振荡或导致系统不稳定。积分项Ki/S用于消除系统的稳态误差，但积分项会使动态过程变慢，增大系统的超调量，使系统的稳定性变好。微分KdS的控制作用与偏差的变化速度有关。微分能产生超前的校正作用，有助于减少超调和振荡，并能减少调整时间，从而改善系统的动态性能。