1、精品文檔南京郵電大學自動化學院實驗報告課程名稱:計算機控制系統實驗名稱:計算機控制系統性能分析11歡在下載目動化所在專業:學生姓名:班級學號:B11050107程艷云任課教師:2013 /2014 學年第 二 學期實驗一：計算機控制系統性能分析、實驗目的：1 .建立計算機控制系統的數學模型；2 .掌握判別計算機控制系統穩定性的一般方法3 .觀察控制系統的時域響應，記錄其時域性能指標；4 .掌握計算機控制系統時間響應分析的一般方法；5 .掌握計算機控制系統頻率響應曲線的一般繪制方法。、實驗內容：考慮如圖1所示的計算機控制系統C(s).圖1計算機控制系統1 .系統穩定性分析K的取值范圍;(1)首先

2、分析該計算機控制系統的穩定性，討論令系統穩定的 解：G1=tf(1,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');求系統脈沖傳遞函數rlocus(G);/繪制系統根軌跡2.52-2.5-7-6-5-4-3-2Real Axis-1012Root Locus5 15 O5-15-2 1001- - vrauga ml將圖片放大得到WTauaa 甲Root Locus 0.15 0.1 0.05 0 -0.05-0.1-0.150.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25Real AxisZ平面的臨界放大系數由根軌跡與單位圓的交點求得。放大圖

3、片分析：k,poles=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point =0.9905 + 0.1385i k =193.6417poles =0.9902 + 0.1385i0.9902 - 0.1385i得到 0<K<193(2)假設不考慮采樣開關和零階保持器的影響，即看作一連續系統，討論令系統穩 定的K的取值范圍；解：G1=tf(1,1 1 0);rlocus(G1);0.8ILLrrf,rrt-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.2Real Axis00.2Root Locus6 4 2 0

4、 2 4 6 u00u00- - -.6. XA y 030010 甲-0.8由圖片分析可得，根軌跡在S平面左半面，系統是恒穩定的，所以：0<K<oo(3)分析導致上述兩種情況下K取值范圍差異的原因。答：連續系統比離散系統穩定性好，加入采樣開關以后，采樣周期越大，離散系統系 統穩定性越差，能使系統穩定的K的范圍越小。2 .時域特性分析令K 20(1)假設不考慮采樣開關和零階保持器的影響，即看作一連續系統，觀察其單位階躍 響應，記錄上升時間、超調量、調節時間、峰值時間等一系列的時域性能指標；G1=tf(20,1 1 0);step(feedback(G1,1);1.81.61.41.

5、210.80.60.40.20ILII1L-System: untitled1Peak amplitude: 1.7Overshoot (%): 70.2At time (sec): 0.7021 1nISystem: untitled1Settling Time (sec): 7.82System: untitled14 - I i”ri1V1 1V rrfirrStep Response02468101214Time (sec)由圖數據：上升時間=0.254s超調量=70.2 %調節時間=7.82s峰值時間=0.702s(2)考慮采樣開關和零階保持器的影響，觀察其單位階躍響應，記錄上升時間

6、、超調 量、調節時間、峰值時間等一系列的時域性能指標；G1=tf(20,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');Q=step(feedback(G,1);num,den=tfdata(Q);dstep(num,den)Step Response6/218 111eaM«pmASystem: sysPeak amplitude: 1.73Overshoot (%): 72.8At time (sec): 71System: sysSystem: sysSettling Time (sec): 857002o404T-2 o T-8上升時間=24.7q=0

7、.247s超調量=72.8 %調節時間=8577=8.57s峰值時間=71*T=0.71s(3)分析其時域性能指標的差異及產生原因。由于采樣開關和零階保持器的存在，使得離散系統的時域響應與連續系統相比發 生變化，穩定性相對降低，動態性能相對變差。3 .頻域特性分析(1)假設不考慮采樣開關和零階保持器的影響，即看作一連續系統，繪制其頻率特性 響應；G1=tf(1,1 1 0);bode(G1)50IRaceaMLn9aMBode Diagram1-2-10101010Frequency (rad/sec)10210(2)考慮采樣開關和零階保持器的影響, w=logspace(-1,10);dbo

8、de(1,1 1 0,0.01,w)繪制其頻率特性響應;10Bode Diagramx 10-1.5099-3.0199-4.5298-6.0398-7.5497-9.0597LL一 -rrnrllrrr-rrrr0246810101010101010Frequency (rad/sec)(2)討論上述兩種情況下頻率特性響應的區別和聯系。G1=tf(1,1 1 0);bode(G1) hold on w=logspace(-1,10);dbode(1,1 1 0,0.01,w) 頻率特性對比：100losdresanpXIROCedurnaa MBode DiagramO00-200-3-40

9、0 0-1.5099-3.0199-4.5298-6.0398-7.5497-9.05971001 021 0410610810Frequency (rad/sec)101、頻率特性是 w的周期函數，當 wT沿著單位圓每轉一周時，頻率特性周期性重復一 次，這是連續系統沒有的。2、幅頻特性是 w的偶函數，相頻特性是 w的奇函數，連續系統也有這個特性。3、離散環節頻率特性形狀與連續系統頻率特性形狀有較大差別，特別是當采樣周期較大以及頻率較高時，由于混疊，使頻率特性形狀有較大變化，主要表現有：高頻時會出現多個峰值；可能出現正相位；僅在較小的采樣周期或低頻段與連續系統頻率特性相接近。南京郵電大學自動化

10、學院實驗報告課程名稱:計算機控制系統實驗名稱:數字PID控制所在專業:目動化學生姓名:班級學號:B11050107程艷云任課教師:2013 /2014 學年第 二 學期精品文檔實驗二 數字PID控制、實驗目的1 .研究PID控制器的參數對系統穩定性及過渡過程的影響。2 .研究采樣周期T對系統特性的影響。3 .研究I型系統及系統的穩定誤差。、實驗儀器1. EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2. PC計算機一臺三、實驗內容1.系統結構圖如3-1圖。13欠0迎下載圖中GcGhGp1Gp2圖3-1系統結構圖(s) =Kp (1+Ki/s+Kds )(s) = (1 e-TS) /s(s) =

11、5/ (0.5s+1 ) (0.1s+1 )(s) =1/ (s (0.1s+1 )2.開環系統(被控制對象)的模擬電路圖如圖 3-2和圖3-3,其中圖3-2對應GP1(s),圖 3-3 對應 Gp2 (s)。c luf 100KUI uir/LiC Infg iur n 1 口也圖3-2開環系統結構圖1圖3-3開環系統結構圖23.被控對象GP1 (s)為“0型”系統,采用 PI控制或PID控制，可系統變為系統，被控對象 Gp2 (s)為“I型”系統，采用 PI控制或PID控制可使系統變成I型”II型”系統。4 .當r (t) =1 (t)時(實際是方波)，研究其過渡過程。5 . PI調節器及

12、PID調節器的增益Gc(s) =Kp (1+K1/s )=KpK1(1/k1 ) s+1)/s精品文檔=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=(1/K1)不難看出PI調節器的增益 K=KpKi,因此在改變Ki時，同時改變了閉環增益 K,如果不 想改變K,則應相應改變 Kp。采用PID調節器相同。6. “II型”系統要注意穩定性。對于 Gp2 (s),若采用PI調節器控制，其開環傳遞函 數為G(s) =Gc (s) Gp2 ( s)=K(Tis+1 ) /s 1/s (0.1s+1 )為使用環系統穩定，應滿足 Ti>0.1 ,即K1<107. PID遞推算法 如果PID調

13、節器輸入信號為e (t),其輸送信號為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、實驗步驟1 .連接被測量典型環節的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。2 .啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。3 .測試計算機與實驗箱的通信是否正常，通信正常繼續。如通信不正常查找原因使

14、通信正常后才可以繼續進行實驗。4 .在實驗項目的下拉列表中選擇實驗三數字PID控制,鼠標單擊鼠標單擊 ”按鈕，彈出實驗課題參數設置窗口。5 .輸入參數 Kp, Ki, Kd(參考值 Kp=1, Ki=0.02, kd=1 )。6 .參數設置完成點擊確認后觀察響應曲線。若不滿意，改變 Kp, Ki, Kd 的數值和與其相對應的性能指標p、ts的數值。7 .取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩態誤差。8 .斷開電源，連接被測量典型環節的模擬電路(圖3-3)。電路的輸入U1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 上。檢查無誤后接

15、通電源。9. 重復4-7步驟。10.計算Kp, Ki, Kd取不同的數值時對應的p、ts的數值，測量系統的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中：僉結果參數8 %Ts階躍響應曲線KpKiKd10000.623如圖110.02113.8 %0.654如圖210.1063.1 %5.8如圖310.05035.2 %1.392如圖410.02015.9 %0.821如圖510.02211.6 %0.696如圖6.累僉結果 參數8 %Ts階躍響應曲線KPKiKd10000.623如圖110.05095.3 %1.715如圖710.03063.1 %1.569如圖815攵'迎下載精品文檔10.02

16、031%0.840如圖910.02122.4 %0.738如圖1017欠0迎下載孫I 口4 口口口豺2000Ldbc-0eg羊g口口匚-50 0口93r?RQ口 T?邛8I精品文檔19°迎下載LOCOga:力4MCliOQ?10CIONE。才KD中口mum與口口口3 口白口OLIC _| 匚工。恥ingcT口匚-5DOOM心口7000;口 口匚上口口|二7 口總壓口門口ioao0| lDQOSDOu_SUGjnac.H 匚FlIKj ： DilM 怔：D TOO135?='-Kf - 1 ciooKL £ 13：；日 xd - O.OEC.小,: H - v 1,

17、日的電壓1 loamVF* ： 18 胖* 19TfU客艙三霜庇，”由r ¥ Lnv 日的電三；com mV 聿同二旬U FEM Kp - L ：OD Kl r D-CPffD Ki! 0.41 DOe&cta-lDQI>-JDQ&災酷三_Hr? K IH1F- "BY Si? j4 !. EE mV串 rr s piQfi * 1!?- milauizn48 日加二: 口口00$084DOO150301C0CK精品文檔1&°迎下載64"DC1一口。*oao*nac金口口口nnrDIDDOir>&0iTeno9

18、1D00川口口+300R 口"-U3DCiiinr.版口;TiJCC="1口 4 口口 口和三 HCrfE - 3C Kim V irtv 目為ms ： -ora mV J* ： !<ju. r i-)mi Kp： >BDa KJ ； 0上3 & ： as 口"fcZ _腫*1中7X irrw ¥ jjiiV 后加皚士!»a mVt laau * in Ku呼2口0n .： otosci nd s r .nDfgi ll-力.VisnvB ¥. 4 - loot mV 甲rr 口 lh . gratiKp -1 口

19、口口 KL = D4ED Ket - d m DO4 口門匚DI gi守嶼 10*53 'idood呻MOS-dQ-L- insoao0E35f岐AJul ,精品文檔6613-3EOQ圖9圖10五、實驗報告1 .畫出所做實驗的模擬電路圖。答：所做實驗的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3所示.2 .當被控對象為 Gp1 (s)時取過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩定裕量和穿越頻率c。答：取 kp=1 , ki=0.01 , kd=1Gc (s) =1+0.02/s+sGp1 (s) =5/ (0.5s+1 ) (0.1s+1 )根據 MATLAB旨令:

20、G=tf (5 5 0.1,0.05 0.6 1 0);bode(G)60-2045-90Bode Diagram402000-45103102101100101Frequency (rad/sec)210103由伯德圖可以得到：相穩定裕量二96deg ,穿越頻率 c=100rad/s3 .總結一種有效的選擇Kp, Ki, Kd 方法，以最快的速度獲得滿意的參數。答：根據給定的參考值kp,ki,kd ,運用控制變量法，每次保證其中兩個值不變，改變另外的一個值，然后畫出階躍響應曲線，通過對比每次得到的曲線，找出較為理想的曲線，即可獲得較為滿意的參數kp,ki,kd 。六、預習要求1 .熟悉PID

21、控制器系統的組成。2 .熟悉PID控制器的參數對系統穩定性的影響。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23攵'迎下載精品文檔初始化控制步數、采樣點數Pointuk= pek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)判斷uk是否超上下限輸出ukek1=ek ek2= ek2+ek畫被控對象第J點輸出inputfJ+125欠0迎下載南京郵電大學自動化學院實驗報告課程名稱:計算機控制系統實驗名稱:最小拍控制系統所在專業:目動化學生姓名:班級學號:B11050107程艷云任課教師:2013 /2014 學年第

22、二 學期實驗三：最小拍控制系統、實驗目的：1 .建立計算機最小拍控制系統的一般概念；2 .掌握有紋波最小拍控制器的設計方法3 .觀察無紋波最小拍控制器的設計方法；4 . 了解最小拍控制器的優缺點；5 .掌握最小拍控制系統的改進方法。、實驗內容：圖1采樣周期為T=0.1s1 .針對圖一所示的計算機控制系統，考慮輸入為單位速度信號時，進行計算機控 制算法D(Z)設計，編程實現最小拍有紋波系統；第一步：求廣義脈沖傳遞函數Gs=tf(5,1,1,0);Gz=c2d(Gs,0.1,'zoh');求解廣義對象的脈沖傳遞函數Transfer function:0.02419 z + 0.02

23、339 zA2 - 1.905 z + 0.9048Sampling time: 0.1第二步：確定閉環脈沖傳遞函數(z)由廣義對象的閉環脈沖傳遞函數得延遲因子為z 1,則(z)應包含該延遲因子num,den=c2dm(5,1,1,0,0.1,'zoh')精品文檔num =0 0.0242 0.0234den =1.0000 -1.9048 0.9048tf2zpk(num)ans =-0.9672由此可得：G(z)沒有單位圓上或圓外的零點tf2zpk(den)ans =1.00000.9048由此可得：G(z)包含一個單位圓上極點根據物理可實現條件和穩定性條件，(z) z 1

24、 Fi(z)根據零穩態誤差條件和穩定性條件，e(z) 1(z) (1 z 1)2F2(z)根據 e(z)= 1(z)F1 (z) 2 z 1F2(z) 1所以 e(z) (1 z1)2Qez=tf(1 -2 1,1,0,0,0.1);Qz=1-QezTransfer function:2 z - 1zA2Sampling time: 0.1Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)Transfer function:2 zA5 - 4.81 zA4 + 3.715 zA3 - 0.9048 zA20.02419 zA5 - 0.02498 zA4 - 0.0226 *3 + 0.02339 zA2Sa

25、mpling 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);2. 討論紋波的生成原因，編程實現最小拍無紋波系統；紋波產生原因：控制信號u(t) 的變化引起輸出的波動無紋波最少拍系統的設計滿足有紋波最少拍系統的三個條件，還必須(z)應包括G(z)的全部零點。根據物理可實現條件和穩定性條件以及無紋波條件，(z) z 1(1 0.9672Z 1)F1(z)根據零穩態誤差條件和穩定性條件，e(z)1(

26、z) (1 z 1)2F2(z)根據 e(z) = 1一(z)F1(z) (1.2666 0.7583z 1)F1(z) (1 0.7334z 1)0e(z) 1 1.2666z 1 0.4668z 2 0.7334z 3Qez=tf(1 -1.2666 -0.4668 0.7334,1,0,0,0,0.1);Qz=1-QezTransfer function:1.267 zA2 + 0.4668 z - 0.7334zA3Sampling time: 0.1設計最小拍無紋波系統控制器Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)Transfer function:1.267 zA7 - 1.946 zA

27、6 - 0.4765 zA5 + 1.819 zA4 - 0.6636 zA30.02419 zA7 - 0.007241 zA6 - 0.04092 zA5 + 0.006818 zA4 + 0.01716 zA3Sampling 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);00.20.40.60.811.21.41.61.823.討論最小拍系統的特點，采取慣性因子法對最小拍控制器加以改進

28、，并研究 慣性因子對系統性能的影響。最小拍系統的特點：系統對應于典型的輸入信號具有最快的響應速度，被控量在最短的時間達到設定值。局限性：1）僅適應與一種類型的輸入信號2）系統參數變化引起系統極點位置產生偏移，系統動態性能明顯變壞。3）采樣周期的限制。29歡迎下載 。精品文檔慣性因子法：基本思想：犧牲有限拍的性質為代價，換取系統對不同輸入類型性能皆能獲得比較滿意 的控制效果。方法：引進慣性因子，改進系統的閉環脈沖傳遞函數，使系統對多種信號的輸入信號都 有滿意的響應。定義*1(z)1 中(z) -一(-)11 z相當于增加單位圓內實軸上的極點。#欠0迎下載精品文檔南京郵電大學自動化學院實驗報告31

29、迎下載課程名稱:計算機控制系統實驗名稱:爐溫控制實驗目動化所在專業:學生姓名:班級學號:B11050107程艷云任課教師:2013 /2014 學年第 二 學期精品文檔實驗四 爐溫控制實驗一、實驗目的1 . 了解溫度控制系統的特點。2 .研究采樣周期 T對系統特性的影響。3 .研究大時間常數系統PID控制器的參數的整定方法。二、實驗儀器1. EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2. PC計算機一臺3. 爐溫控制實驗對象一臺三、爐溫控制的基本原理1 .系統結構圖示于圖71。35欠0迎下載Gp (S)Y(t)-r-圖71系統結構圖圖中 Gc (s) =Kp (1+Ki/s+Kds )Gh

30、(s) = (1e-TS) /sGp (s) =1/ (Ts+1)2 .系統的基本工作原理整個爐溫控制系統由兩大部分組成，第一部分由計算機和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運算、產生控制可控硅的觸發脈沖，第二部分由傳感器信號放大，同步脈 沖形成，以及觸發脈沖放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導通角即改變 電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓的可在0140V內變化。可控硅的導通角為 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通與閉合的占空比時間，如果爐溫溫度低于設定值則可控硅導通，系統加熱，否則

31、系統停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。第二部分電路原理圖見附錄一。3 . PID遞推算法：如果PID調節器輸入信號為 e (t),其輸送信號為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、實驗內容：1 .設定爐子的溫度在一恒定值。2 .調整P、I、D各參數觀察對其有何影響。 五、實驗步驟1 .啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。2 .測試計算機與實驗箱的通信是否正常，通信正常繼續。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以繼續進行實驗。3 . 20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫控制對象，檢查無誤后，接通實驗箱和爐溫控 制的電源。開環控制4 .在實驗項目的下拉列表中選擇實驗七七、爐溫控制,鼠標單擊.按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區顯示實驗結果。測量系統響應時間Ts和超調量 p。5.重復步驟4,改變參數設置，觀測波形的變化，記入下表：“'&