1、南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能分析 所在專業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 王 站 班級(jí)學(xué)號(hào)： B11050107 任課教師: 程艷云 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)一：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.建立計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2.掌握判別計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般方法 3.觀察控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)，記錄其時(shí)域性能指標(biāo)；4.掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)分析的一般方法；5.掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的一般繪制方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：考慮如圖1所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1. 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1

2、) 首先分析該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，討論令系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍；解:G1=tf(1,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,zoh);/求系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)rlocus(G);/繪制系統(tǒng)根軌跡將圖片放大得到Z平面的臨界放大系數(shù)由根軌跡與單位圓的交點(diǎn)求得。放大圖片分析：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) 假設(shè)不考慮采樣開關(guān)和零

3、階保持器的影響，即看作一連續(xù)系統(tǒng)，討論令系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍； 解：G1=tf(1,1 1 0);rlocus(G1);由圖片分析可得，根軌跡在S平面左半面，系統(tǒng)是恒穩(wěn)定的，所以： 0K0.1，即K1107PID遞推算法 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下： 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-采樣周期四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸

4、出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)三數(shù)字PID控制, 鼠標(biāo)單擊鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置窗口。5.輸入?yún)?shù)Kp, Ki, Kd（參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.參數(shù)設(shè)置完成點(diǎn)擊確認(rèn)后觀察響應(yīng)曲線。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)sp、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開電源，連接被

5、測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容的兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。 9.重復(fù)4-7步驟。10.計(jì)算Kp，Ki，Kd取不同的數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的sp、ts的數(shù)值，測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及時(shí)域性能指標(biāo)，記入表中：實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd10000.623如圖110.02113.80.654如圖210.1063.15.8如圖310.05035.21.392如圖410.02015.90.821如圖510.02211.60.696如圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd1

6、0000.623如圖110.05095.31.715如圖710.03063.11.569如圖810.020310.840如圖910.02122.40.738如圖10圖1圖2圖3圖4圖5圖6 圖7圖8圖9圖10五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 畫出所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖。答:所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3所示.2 當(dāng)被控對(duì)象為Gp1（s）時(shí)取過渡過程為最滿意時(shí)的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量g和穿越頻率wc。答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1）根據(jù)MATLAB指令：G=tf（5 5 0.1

7、,0.05 0.6 1 0）;bode(G)由伯德圖可以得到：相穩(wěn)定裕量g=96deg，穿越頻率wc=100rad/s3 總結(jié)一種有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。答: 根據(jù)給定的參考值kp,ki,kd，運(yùn)用控制變量法，每次保證其中兩個(gè)值不變，改變另外的一個(gè)值，然后畫出階躍響應(yīng)曲線，通過對(duì)比每次得到的曲線，找出較為理想的曲線，即可獲得較為滿意的參數(shù)kp,ki,kd。六、預(yù)習(xí)要求1熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成。2熟悉PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。七、PID軟件流程圖圖中 ek為誤差，ek1為上一次的誤差，ek2為誤差的累積和，uk是控制量初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)

8、數(shù)Point初始化ek，ek1，ek2，uk畫希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start使硬件被控對(duì)象初始值輸出等于0采集硬件被控對(duì)象的輸出inputf inputf浮點(diǎn)化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判斷積分分離項(xiàng)判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1Jpoint結(jié)束畫被控對(duì)象第J點(diǎn)輸出inputf南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 最小拍控制系統(tǒng) 所在專業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 王 站 班級(jí)學(xué)號(hào)： B11050107 任課教師: 程艷云 2

9、013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)三： 最小拍控制系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?建立計(jì)算機(jī)最小拍控制系統(tǒng)的一般概念；2掌握有紋波最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法 3觀察無紋波最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法；4了解最小拍控制器的優(yōu)缺點(diǎn)；5掌握最小拍控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 圖1采樣周期為T=0.1s1. 針對(duì)圖一所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),考慮輸入為單位速度信號(hào)時(shí)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制算法D(Z)設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)最小拍有紋波系統(tǒng)；第一步：求廣義脈沖傳遞函數(shù)Gs=tf(5,1,1,0);Gz=c2d(Gs,0.1,zoh);/求解廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)Transfer function: 0.02419 z + 0.0

10、2339-z2 - 1.905 z + 0.9048Sampling time: 0.1第二步：確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)由廣義對(duì)象的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)得延遲因子為，則應(yīng)包含該延遲因子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)沒有單位圓上或圓外的零點(diǎn)tf2zpk(den)ans = 1.00000.9048 由此可得：G(z)包含一個(gè)單位圓上極點(diǎn)根據(jù)物理可實(shí)現(xiàn)條件和穩(wěn)定性條件，所以Qez=tf(1 -2 1,1,0,0,

11、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;plot(0:0.1:Q,u,r*);hold onyt=lsim(Qz,u,t,0);plot(0:

12、0.1:Q,yt); 2. 討論紋波的生成原因，編程實(shí)現(xiàn)最小拍無紋波系統(tǒng)；紋波產(chǎn)生原因：控制信號(hào)u(t)的變化引起輸出的波動(dòng)根據(jù)物理可實(shí)現(xiàn)條件和穩(wěn)定性條件以及無紋波條件， 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設(shè)計(jì)最小拍無紋波系統(tǒng)控制器Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz) Transfer function: 1.267 z7 - 1.946 z6 - 0.4765 z5 + 1.819 z

13、4 - 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. 討論最小拍系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取慣性因子法對(duì)最小拍控制器加以改進(jìn)，并研究慣性因子對(duì)系統(tǒng)性能的影響。最小拍系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于典型的輸入信號(hào)具有最快的響應(yīng)速度，被控量在最短的時(shí)間達(dá)到設(shè)定值。局限

14、性：1) 僅適應(yīng)與一種類型的輸入信號(hào) 2) 系統(tǒng)參數(shù)變化引起系統(tǒng)極點(diǎn)位置產(chǎn)生偏移，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯變壞。 3) 采樣周期的限制。 慣性因子法：基本思想：犧牲有限拍的性質(zhì)為代價(jià)，換取系統(tǒng)對(duì)不同輸入類型性能皆能獲得比較滿意的控制效果。方法：引進(jìn)慣性因子，改進(jìn)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，使系統(tǒng)對(duì)多種信號(hào)的輸入信號(hào)都有滿意的響應(yīng)。定義 相當(dāng)于增加單位圓內(nèi)實(shí)軸上的極點(diǎn)。南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 爐溫控制實(shí)驗(yàn) 所在專業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 王 站 班級(jí)學(xué)號(hào)： B11050107 任課教師: 程艷云 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)四 爐溫控

15、制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。3研究大時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)3爐溫控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象一臺(tái)三、爐溫控制的基本原理1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖71。圖71 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1）2系統(tǒng)的基本工作原理 整個(gè)爐溫控制系統(tǒng)由兩大部分組成，第一部分由計(jì)算機(jī)和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運(yùn)算、產(chǎn)生控制可控硅的觸發(fā)脈沖，第二部分由傳感器信號(hào)放大，同步脈沖形成，以及觸發(fā)脈沖

16、放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓的可在0140V內(nèi)變化。可控硅的導(dǎo)通角為05CH。溫度傳感是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成的，溫度越高其輸出電壓越小。 外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與閉合的占空比時(shí)間，如果爐溫溫度低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。第二部分電路原理圖見附錄一。3PID遞推算法 ： 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下：Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是誤差累積和。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1設(shè)定爐子的溫度在一恒定

17、值。2調(diào)整P、I、D各參數(shù)觀察對(duì)其有何影響。五、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。2 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 20芯的扁平電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制對(duì)象，檢查無誤后，接通實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控 制的電源。開環(huán)控制4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超調(diào)量sp。5 重復(fù)步驟4，改變參數(shù)設(shè)置，觀測(cè)波形的變化，記入下表：性能指標(biāo)占空比階躍響

18、應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）20%如圖1無無81.22040%如圖2無無75.13060%如圖3無無67.36570%如圖4無無63.114圖1圖2圖3圖4閉環(huán)控制6. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn) 課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇PID，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置爐溫控制對(duì)象的給定溫度以及 Ki、Kp、Kd值，點(diǎn)擊確認(rèn)在觀察窗口觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)曲線。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超 調(diào)量sp。7.重復(fù)步驟6，改變PID參數(shù)，觀測(cè)波形的變化，記入下表中：性能指標(biāo)參數(shù)階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd1.000.021.00如圖586%146.597440.7211.000.401.00如圖645%230.886468.0511.000.301.00如圖752%47.319267.6801.000.501.00如圖854%205.515440.25