计算机控制系统实验指导书(093031-2,093051-2)

《计算机控制技术》实验指导书（适用于09级自动化、测控技术与仪器专业）沈阳理工大学应用技术学院2011年10月目录实验一信号的采集及离散系统数学模型的建立…………1实验二离散系统稳定性研究……………………………………3实验三离散控制器的设计…………………………………………4实验四最少拍系统设计……………………………………………61实验一信号的采集及离散系统数学模型的建立一、实验目的1、熟悉Matlab的使用环境，学习Matlab软件的使用方法和编程方法；2、理解离散信号的含义；3、能够分清连续信号、离散模拟信号、数字信号的区别和联系；4、学习使用Matlab进行各类信号的采集及数学变换运算的方法。二、实验要求根据实际的计算机控制系统，能够辨认系统中各个环节所处理信号的类型，并绘出观察到的信号的波形。分析理想采样信号的特点，与采样周期有什么关系。观察零阶保持器和一阶保持器的输出信号波形。三、实验步骤1、编写MATLAB程序来产生下列基本脉冲序列：（1）单位脉冲序列，起点n0,终点nf,在ns处有一单位脉冲（n0nsnf）。（2）单位阶跃序列，起点n0,终点nf,在ns前为0，在ns后为1（n0nsnf）。（3）复指数序列。图1.1程序运行结果22、使用Matlab建立离散控制系统数学模型传递函数模型：num=[b1,b2,…bm]，den=[a1,a2,…an]，nnnmmmbsasabsbsbdennumsG121121)(（式1.1）零极点增益模型：z=[z1,z2,……zm]，p=[p1,p2……pn]，k=[k]，)())(()())(()(2121nmpspspszszszsksG（式1.2）建立如下系统模型，观察运行结果并记录。（1）传递函数模型；（2）零极点增益模型。65)3)(2()1()(22zzzzzzzzzG（式1.3）四、实验报告1、编写实验程序，并调试分析各种离散信号的特点；2、打印程序运行结果。3实验二离散系统稳定性研究一、实验目的1、掌握计算机控制系统动态过程的三个参数对系统暂态响应的影响；2、理解采样周期对系统稳定性的影响；3、掌握计算机控制系统稳态误差的影响因素。二、实验要求给定一个计算机控制系统，通过编程求出闭环系统的输出脉冲序列，观察并记录系统单位阶跃响应的调整时间，最大超调量与峰值时间。改变系统的采样周期，观察输出波形的变化情况。分别给系统加入三种输入信号：单位阶跃信号、单位斜坡信号、加速度信号，计算此时的稳态误差。三、实验步骤判断一个线性系统稳定性的一种最有效的方法是直接求出系统所有的极点，然后根据极点的分布情况来确定系统的稳定性。1、编写程序，判断连续系统的稳定性：1.num=[32142];2.den=[351221];3.[z,p]=tf2zp(num,den);4.ii=find(real(p)0);5.if(n10)6.disp('Unstable');7.disp(p(ii));8.else9.disp('Stable');10.end2、给定一计算机控制系统，通过编程求出闭环系统的输出脉冲序列。四、实验报告记录判稳结果，闭环系统的输出波形。4实验三离散控制器的设计一、实验目的1、掌握计算机控制系统连续域-离散化设计方法；2、理解数字PID位置式算法和增量式算法。二、实验要求1、设计增量式数字PID控制器，讨论控制器在三种方式控制情况下的输出。2、观察数字PID控制器的单位阶跃响应。3、了解数字PID控制器参数的三种整定方法。4、确定系统稳定运行时的P、I、D三个参数值。三、实验原理1-es+-R(z)C(z)E(z)Gp(s)-Ts数字PID图3.1PID控制系统结构图系统如图3.1所示，建立相应的数字PID系统。已知)2)(1(10)(sssGP，采样周期T=0.1s。图3.2数字PID控制系统仿真结构图（1）5图3.3数字PID控制系统仿真结构图（2）6实验四最少拍系统设计一、实验目的1、掌握最少拍数字控制器的一般设计方法；2、掌握无纹波系统设计的必要条件。二、实验要求针对三种典型输入函数设计一个最少拍无纹波系统、最少拍有纹波系统，满足无纹波系统的必要条件和附加条件，有纹波系统的性能要求，并画出数字控制器的输出波形以及系统的输出波形。三、实验原理已知)1(10)(sssGP，采样周期T=1s。广义被控对象脉冲传递函数：11111103.679(10.718)()()(1)(1)(10.3679)TsezzGzZGsZssszz，则G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故u=0，v=1，m=1。1、有纹波系统（1）单位阶跃信号：根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在Φe(z)的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，q=1，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设01)(zz，根据1)1(求得10，则1)(zz，11718.01)3679.01(2717.0)(1)()(1)(zzzzzGzD。图4.1单位阶跃信号作用（2）单位斜披信号：根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在Φe(z)的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，q=2，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设)()(1101zzz，根据1)1(，0)1('求得20，11，7则212)(zzz，)718.01)(1()5.01)(3679.01(5434.0)(1)()(1)(1111zzzzzzzGzD。图4.2单位速度信号作用（2）单位加速度信号：根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在Φe(z)的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，q=3，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设)()(231101zzzz，根据1)1(，0)1('，0)1(''求得30，11，12，则32133)(zzzz，321321321321121211718.0436.0282.111.05718.01154.18154.0718.0436.0282.11)1226.07012.03679.11(8154.0)718.01()1()3/11)(3679.01(8154.0)(1)()(1)(zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzGzD。图4.3单位加速度信号作用2、无纹波系统（1）单位阶跃信号：根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在Φe(z)的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，q=1，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设011)718.01()(zzz，根据1)1(求得582.00，则)718.01(582.0)(11zzz，2121418.0582.01)3679.03679.11(158.0)(1)()(1)(zzzzzzzGzD。8图4.4单位阶跃信号作用（无纹波系统）（2）单位斜坡信号：根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在Φe(z)的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，q=2，显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设))(718.01()(11011zzzz，根据1)1(，0)1('求得407.10，826.00，则)826.0407.1)(718.01()(111zzzz，321321111111593.0184.0407.11)304.0648.1751.2407.1(272.0)826.0407.1)(718.01(1)826.0407.1)(3679.11)(1(272.0)(1)()(1)(zzzzzzzzzzzzzzzGzD。图4.5单位速度信号作用（无纹波系统）四、实验步骤1.根据实验要求设计数字控制器对系统进行控制并仿真。2.观察并记录输出的结果，与理论计算值相比较。3.改变参数，观察不同参数下的仿真结果。