计算机控制实验指导书2016

《计算机控制技术》实验指导书

凤俊翔

适用专业：自动化

电气工程及其自动化

测控技术与仪器

江苏科技大学电子信息学院

2016.10

前言

计算机控制技术是自动化、电气工程及其自动化和测控技术与仪器专业的一门必修课程。本课程的作用是使学生掌握计算机控制技术的基本理论、基本原理、基本方法和计算机控制系统的实现。它要求学生通过课堂教学和实验后，掌握计算机控制系统的基本概念、工作原理和计算机控制系统设计的基本方法，并具有计算机控制系统的初步分析能力。

计算机控制技术实验课程是整个课程教学的重要组成部分，既是对理论知识的实践应用，也是对理论课程的补充、延伸和深化。

本实验课程的主要目的是通过与课堂教学的密切配合，巩固和扩充课堂讲授的理论知识，加深对课堂教学内容的理解；训练科学实验的基本技能和工程实践的基本方法，养成严谨的科学态度和工作作风，培养应用所学理论知识独立分析、解决实际问题的能力和实际动手能力。

本实验课程共有三个实验项目，为设计性实验，实验有难、易不同的要求，为学生留有独立思考和发挥的空间。

本实验指导书对每个实验项目的目的、内容、步骤、运行、预习要求、思考题及实验报告都有明确说明。学生应认真按照实验指导书的要求做好每一个实验。

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 (4)

实验二：最小拍控制系统 (6)

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)

实验一：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)(0s G 如下式：)

2)(1(10

)(0++=s s s G ，

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s t s 10≤； 超调量%10%≤σ； 静态误差05.0≤ss e 。 四．实验原理图

G (z

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 ⑴ 位置式：

)2()1()2()()()1()(-+-+-+++-=k e K k e K K k e K K K k u k u D D P D I P ⑵ 增量式：

)

2()1()2()()()

1()()(-+-+-++=--=?k e K k e K K k e K K K k u k u k u D D P D I P

其中：P K 为比例系数，I K 为积分系数，D K 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。

⑴ 记录选择的PID 参数； ⑵ 记录输出的仿真数据； ⑶ 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

(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。

实验二：最小拍控制系统

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。 二．实验器材

PC 机 三．实验内容

1．必做内容

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；

2．选做内容

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；

3．被控对象

设被控对象为二阶惯性环节，其传递函数)(0s G 如下式：)

1(10

)(0+=

s s s G ，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。 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

)(z G ，并化成相应的差分方程；

2．确定希望的数字控制器)(z D ：

⑴ 单位阶跃信号：)

()1()(1

1

z G z z z D ---=

G (z

⑵ 单位速度信号：)()1()

5.01(2)(2

111z G z z z z D -----= ⑶ 单位加速度信号： )

()1()

33()(3

1211z G z z z z z D -----+-= 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： ⑴ 记录调整的最小拍控制参数； ⑵ 记录输出的仿真数据；

⑶ 记录仿真图形曲线，标明拍数 六．预习要求

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。 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。

实验三：基于Smith 预估器的纯滞后控制系统设计

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。 二．实验器材

PC 机 三．实验内容

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：

1011()()()1Ts s s

e e H s G s G s e s T s

ττ----==?+

控制系统框图为：

T

取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为

00.2934()0.7066

G z z =-， 2s

e -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； 2．复习MATLAB 和C++的编程、调试方法； 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？ 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。

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/Math Operations子库中。

离散PID控制器：在SimPowerSystems/Extra Library/DiscreteControl Blocks子库中。

离散传递函数Discrete Transfer Fcn：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Start Simulation 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。

实验四：船舶自动舵控制器设计

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