计算机控制实验指导书0710

四、实验报告
1、画出被控对象模拟电路图
2、计算G(S)，A，B，C。
3、计算离散化模拟参数G，H，并与计算机计算结果比较。
4、计算希望的系统单位阶跃响应指标中的超调量σp%和调节时间Ts并与实时控制结果比较。
五、状态观测器软件流程图
（yk为当前系统输出，yk1为上一次系统输出，xk1为上一次的观测阵）
随机配备的SAC-CCT软件包设计了计算机控制技术的九个实验，所有的计算机控制技术实验都是在这套装置上进行的。
安全使用说明（使用前请您务必了解）
为有效、安全地使用实验箱，请遵守以下规定。
1.您在将实验箱盖打开后，请用箱体两边的支撑脚将箱盖撑住，避免在进行试验过程中箱盖突然下落将您的手砸伤或损坏仪器设备。
2
(1)实验模拟电路如图3—3
(2)系统闭环结构图见图3—4
(3)数字滤波器的递推公式
模拟滤波器的传递函数：GL(S) = ( T1S + 1 )/( T2S + 1 )
利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：UK=q0UK-1+q1eK+q2eK-1
其中：q0=( T-2T2)/( T+2T2)q1=q2=( T-2T2)/( T+2T2)
7.在进行炉温控制实验时，应避免炉温超过70℃长时间运等，政治路线则将降低炉体使用寿命；而且还要小心以免将手烫伤。
8.电机条应避免直流电机长时间高速旋转。
9.实验中大部分实验设备如数据通道接口板、数据通讯线、实验平台、直流电机条、温控炉等设备都是精密装置，实验中务必注意正确使用和妥加爱护。
实验一
一、实验目的
五、
（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）
一、实验目的
1、研究现代控制理论中用状态反馈配置极点的方法。
2、研究状态观测器的设计方法。
二、实验内容
1、被控对象模拟电路图示于图2—1。
2、系统数学模型
（1）被控对象传递函数为：Gp(S) = Y(S)/U(S) = 100/( S2+ 3.9285 S + 103.57 )
（3）数字滤波器的递推公式
模拟滤波器的传递函数：GL(S) = ( T1S + 1 )/( T2S + 1 )
利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：UK=q0UK-1+q1eK+q2eK-1
其中：q0=( T-2T2)/( T+2T2)q1=q2=( T-2T1)/( T+2T2)
T=采样周期T1=超前时间常数T2=滞后时间常数且T1>T2
计算机控制技术实验所使用的设备由计算机，串行数据通道接口板、实验平台、运放电路板和打印机（任选）组成。
其中计算机在实验中起控制信号产生、输出、测量、人机界面、显示实验波形、打印图像的作用。实验平台配以运放电路板接插阻容元件，可以用来模拟多种特性的被控对象。数据通道接口板插于实验平台的总线扩展槽中，它起模拟信号与数字信号的转换作用，可以用计算机控制产生不同的信号（阶跃、三角、正弦等）。打印机可以把实验的波形打印下来，可根据需要连接，CCT3系统连接方法见下图。
4、希望的系统极点（参考值）：S1,2=-7.35±j7.5
它对应在“Z”平面上应为Z1,2=0.712±j0.22
5、观察器极点参考值：Z1,2=0.1±j0。
三、实验步聚
1、将模拟电路在运放电路板上连接好。
2、启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“状态反馈与状态观测器”。
二、炉温控制的基本原理
1、炉稳控制系统结构图示于图5-1。
图中：Gc(S) = Kp (1 + Ki/S + KdS )Gh(S) = ( 1－e-TS)／S
Gp(S) = 1／( T S + 1 ) )
2、画出闭环系统的阶跃响应曲线，并求出超调量和响应时间。
4、分析大林时间常数对系统稳定性的影响。
ek为误差，ek1为上一次的误差，
uk是控制量，uk1是上一次控制量，ukn1是上N+1次的控制量。
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控制器参数的整定方法。
2、启动计算机，运行“计算控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“数字PID控制”实验。
3、在命令菜单中选择“参数设置”，进入参数显示窗口，设置采样周期（单位为ms），采样点数，输出电压及Kp、Ki、Kd各参数。
4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。
5、改变参数Kp、Ki、Kd的值，重复步聚。
6、取满意的Kp、Ki、Kd观察稳态误差。
（2）被控对象状态方程。
式中：
3、带有状态观测器的状态反馈系统方框图示于图2—2
图中
K—1×2维状态反馈系统矩阵，由计算机算出。
L—2×1维观测器的反馈矩阵，由计算机算出。
Kr—为使Y(t)跟踪R(t)乘的比例系数，它由计算机自动地递推算出。
由图2-2可得：XK=GXK-1+ HUK-1+ L(YK-1-CXK-1)
三、实验步聚
1、将模拟电路在运放电路板上连接好。
2、启动计算机，运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“大林算法”。
3、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期、采样点数，输出电压和大林时间常数。
4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。
四、实验报告
1、分析开环系统的阶跃响应曲线。
3、选择“参数设置”命令，设置标定电压和采样周期。
4、选择“矩阵设置”命令，输入系统矩阵（A，B，C）的值。
5、选择“极点设置”命令，输入系统的希望极点和观测器极点。
6、选择“阶跃响应”命令，计算机给出阶跃信号，对系统的输出进行采样并显示输出波形。
7、选择“状态跟踪”命令，计算机将状态观测器加入系统，对系统的输出进行采样并显示波形。
1、研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2、研究采样周期T对系统特性的影响。
3、研究1型系统及2型系统的稳态误差。
二、实验内容
1、系统结构图示于图1—1。
图中：Gc(S) = Kp (1+Ki / S + KdS )Gh(S) = ( 1－e-TS)／S
Gp1(S) = 5／( ( 0.5 S + 1) (0.1 S + 1 )Gp2(S) = 1／( 0.1 S ( 0.1 S + 1 ) )
7、连接图1—3所示模拟电路，重复上述步聚。
8、记录波形及数据。（保存结果、打印图象）。
9、实验结束，单击“退出实验”
四、实验报告
1、画出实验的模拟电路图。
2、当被控对象为Gp1（s）时，取过渡过程为最满意时的Kp、Ki、Kd，画出校正后的波特图，查出相位稳定裕量γ和穿超频率ωc。
3、总结一种有效选择Kp、Ki、Kd的方法，以最快的速度获得满意的参数。
T=采样周期T1=超前时间常数T2=滞后时间常数且T1>T2
三、实验步聚
1、将模拟电路在运放电路板上连接好。
2、启动计算机，运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单“数字滤波器”
3、在实验内容菜单上选择“超前校正”，进入超前校正实验。
4、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期（单位为ms）、采样点数、输出电压、超前时间常数和滞后时间常数。
式中T为大林时间常数
3、大林算法的数字控制器：
D(Z) = (1-eτT) (1-eτT1Z1)/( K(1-eτT1) (1-eτTZ1-(1-eτT) ZN1) )
设K1=eτT，K2= eτT1，T1= 0.2，K = 2，T为大林时间常数，得
(K-KK2)UK= (1-K1)eK-(1-K1) K2eK-1+ (K-K K2)K1UK-1+ (K-K K2)(1-K1)UK-N-1
其中：
T1=0.2
2）纯延时环节的构成与传递函数
传递函数：G(S) =eNS
式中：τ为采样周期，N为纯延时个数(正整数)
由于纯时环节不易用电路实现，在软件中由计算机实现。
3）被控对象的开环传函为：G(S) =-2eNS/( T1S + 1)
2、大林算法的闭环传递函数：G0(S) =eNS/( T S + 1)
2、开环系1(S)，图1—3对应Gp2(S)。
3、被控对象Gp1(S)为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统为“1型”系统，被控对象Gp2(S)为“1型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“2型”系统。
4、当r(t)=1(t)时研究其过渡过程。
6、PID递推算法：如果PID调节器输入信号为e(t)，其输出信号为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。
三、实验步聚
1、连接运放电路板的电源线（±12，GND），并将图1—2所示模拟电路连好，输入端和输出端分别接DAO、INO。
（xk是当前观测阵，u1是当前控制量）
实验三
一、实验目的
1、研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。
2、熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。
3、掌握数字滤波器的设计方法。
4、了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。
二、实验内容
1
（1）实验模拟电路如图3-1
（2）串联超前校正的系统闭环结构图见图3—2
5、PI调节及PID调节器的增益。
a)G(S) = Kp(1+Ki/S) = KpKi ((1/Ki)S+1)/S = K( Ti S + 1)/S