计算机控制系统性能分析
计算机控制系统性能分析
南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。
二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。
放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。
计算机系统组成及主要性能指标
计算机系统组成及主要性能指标一、计算机系统的组成计算机是一个完整的系统.是山若「个既相互独立又相互联系的部分组成.亦即是由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统和软件系统相互依籁、不可分俐.其中硬件系统是山电子部件和机电装牲所组成的计算机实体.丛本功能是接受计算机程序.并在程序的控制下完成数据愉人、数据处理和愉出结果等任务.软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和齐种程序.从本功能足保证计算机硬件的功能得以充分发挥.并为川户提供一个宽松的工作环境。
i l'算饥的硬件和软件二者缺一不可.否U不能正常工作。
二、计算机的主要性能指标计算机的技术性能指标标志打计算机的性能优劣和应川范l祠的广度.在实际应川中，比较常见的计算机评价指标主要有以下几种:川位，宇竹、字及字长①位:.位，指一个二进制位，是计算机中所表示的址从本的、址小的效据单元.灿计算机中信息存储的从小单位。
O字节:.字节“衍相邻的8个二进制位.址计算机中通用的从本单元。
(1)字和字长:是计算机内部进行数据传递处理的鉴本单位.通常它与计算机内部的寄存器、运算装代、总线宽度相一致“字长”适衍计算机在交换、加工和存放信息时的鼓从本的长度。
(2)速度:计算机中的速度折标可以川主叔及运算速度等进行综合评价.其中主孩也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的倾华，常以兆赫兹(MHz)为单位.址决定计算机速度的T(要衍标之一。
主孩越高，计算机速度越快。
运算速度常以征秒百万折令数为单位.这个指标较主预更能直观地反映计界机的速度。
(3)存储系统容员:是指所能访问的存储单元数。
存储系统主要包括主存(也称内存》和辅存(也称外存》。
存储容址通常以字节(I”为单位.由于存储容址一般都很大.所以实用单位常川T.叮笋节(KB)、兆字节(MB)或占字j5((;13)表示。
I KB=1024B.I MB=1024KB.I(;B=1024M1B.(4)可轶性:指计算机在规定时间和条件下正常I:作不发生故障的概率.常以平均无故WII.fPi1(MTBF)表示。
计算机控制系统：计算机控制系统数学描述与性能分析习题与答案
一、多选题1、系统暂态主能指标包括（）A.调节时间B.上升时间C.阻尼比D.峰值时间正确答案：A、B、D2、减小或消除系统的稳态误差方法有（）A.采用串级控制抑制内回路扰动。
B.在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节。
C.增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益。
D.采用反馈补偿法。
正确答案：A、B、C3、系统常规的性能指标有（）A.稳定性指标B.暂态指标C.系统的抗干扰指标D.稳态指标正确答案：A、B、C、D4、判断连续系统稳定的频率域方法有（）A.劳斯判据B.根轨迹方法C.奈奎斯特判据D.波特图法正确答案：C、D二、判断题1、稳态误差与系统的结构和参考输入无关。
（）正确答案：×2、一个系统稳定是指该系统在平衡状态下，受到外部扰动作用而偏离平衡状态，当扰动消失后，经过一段时间，系统不能够回到原来的平衡状态。
（）正确答案：×3、线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性决定的，而与系统外部输入信号的有无和强弱有关。
（）正确答案：×三、填空题1、系统的类型的作用：系统的类型数将决定系统有无_______。
正确答案：稳态误差2、已知闭环系统的特征方程45z3−117z2+119z−39=0，该系统_______。
（不稳定/稳定）正确答案：不稳定3、_______指系统过渡过程结束到达稳态以后，系统参考输入与系统输出之间的偏差。
正确答案：稳态误差4、已知闭环系统的特征方程z3−1.001z2+0.3356z+0.00535=0，该系统_______。
（不稳定/稳定）正确答案：稳定。
计算机控制实验报告初稿
G（s）=Gc（s）·Gp2（s）
=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）
为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<10
7．PID递推算法如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：
Gs=tf([5],[1,1,0]);
Gz=c2d(Gs,0.1,'zoh');//求解广义对象的脉冲传递函数
Transfer function:
0.02419 z + 0.02339
----------------------
z^2 - 1.905 z + 0.9048
Sampling time: 0.1
G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数
rlocus(G);//绘制系统根轨迹
将图片放大得到
Z平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。
放大图片分析：
[k,poles]=rlocfind(G)
Select a point in the graphics window
selected_point =
0.9905 + 0.1385i
k =
193.6417
poles =
0.9902 + 0.1385i
0.9902 - 0.1385i
得到0<K<193
(2)假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的 的取值范围；
解：
G1=tf([1],[1 1 0]);
控制系统分析方法
系统稳定及最小相位系统的判别方法
1、间接判别（工程方法） 劳斯判据：劳斯表中第一列各值严格为正，则系统稳定， 如果劳斯表第一列中出现小于零的数值，系统不稳定。
胡尔维茨判据：当且仅当由系统分母多项式构成的胡尔 维茨矩阵为正定矩阵时，系统稳定。
2、直接判别 MATLAB提供了直接求取系统所有零极点的函数，因此 可以直接根据零极点的分布情况对系统的稳定性及是否 为最小相位系统进行判断。
幅值裕度是在相角为-180度处使开环增益为1的增益量，如在-180度相频 处的开环增益为g，则幅值裕度为1/g；若用分贝值表示幅值裕度，则等于： -20*log10(g)。类似地，相角裕度是当开环增益为1.0时，相应的相角与180 度角的和。
margin(mag,phase,w)：由bode指令得到的幅值mag（不是以dB为单位） 、 相角phase及角频率w矢量绘制出带有裕量及相应频率显示的bode图。
➢ 控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分 析、频域分析及根轨迹分析。
控制系统的稳定性分析
系统稳定及最小相位系统判据
对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半 平面，则系统是稳定的。
对于离散时间系统，如果系统全部极点都位于Z平面 的单位圆内，则系统是稳定的。
若连续时间系统的全部零极点都位于S左半平面；或 若离散时间系统的全部零极点都位于Z平面单位圆内， 则系统是最小相位系统。
控制系统的分析方法
➢ 早期的控制系统分析过程复杂而耗时，如想得到 一个系统的冲激响应曲线，首先需要编写一个求 解微分方程的子程序，然后将已经获得的系统模 型输入计算机，通过计算机的运算获得冲激响应 的响应数据，然后再编写一个绘图程序，将数据 绘制成可供工程分析的响应曲线。
计算机系统中的性能分析与性能调优
计算机系统中的性能分析与性能调优计算机系统中的性能分析与性能调优是提高计算机系统效率和性能的重要手段。
通过精确的性能分析，我们可以识别计算机系统中的瓶颈，并根据分析结果进行有针对性的性能调优，从而提高系统的运行效率。
本文将详细介绍计算机系统中的性能分析与性能调优的步骤和方法。
1. 性能分析的步骤：1.1 确定性能指标：性能指标是评估计算机系统性能的关键参数，包括响应时间、吞吐量、并发性等。
首先，我们需要明确关注的性能指标，根据实际需求和系统特点进行选择。
1.2 收集性能数据：通过监控工具收集计算机系统的性能数据，包括CPU利用率、内存占用、磁盘IO等。
可以使用系统自带的监控工具，如Windows的性能监视器，或者第三方工具，如Zabbix、Grafana等。
1.3 分析性能数据：对收集到的性能数据进行分析，找出系统的瓶颈。
可以通过绘制折线图、柱状图等可视化方式直观地展示系统的性能情况，并通过对比不同时间段的性能数据，找出性能问题的根源。
1.4 确定改进方案：根据性能分析的结果，确定性能改进的方向和方法。
可以根据系统中的瓶颈，调整硬件配置、优化代码、调整系统参数等。
2. 性能调优的方法：2.1 硬件调优：- 升级硬件配置：如果系统瓶颈是由于硬件性能不足导致的，可以考虑升级硬件配置，如增加内存、更换更快的硬盘等。
- 平衡硬件利用率：通过合理划分计算机资源，避免资源利用不均衡。
可以根据实际需求合理分配CPU核心、内存、磁盘和网络带宽等资源。
2.2 软件调优：- 优化代码：通过改进程序的算法和逻辑，减少不必要的计算和IO操作，优化代码执行效率。
可以通过减少循环嵌套、缓存计算结果等方式来提高代码性能。
- 调整系统参数：根据系统实际情况，调整操作系统的参数，以更好地适应系统负载和性能需求。
例如，调整TCP连接数、文件缓存大小等。
- 并发控制：在多线程或分布式环境下，合理控制并发资源的竞争和访问频率，避免资源争抢导致的性能下降。
计算机控制技术
智能家居控制系统
总结词
智能家居控制系统是计算机控制技术在家庭生活中的应用，通过智能设备、传 感器和执行器等硬件，实现对家居环境的智能化管理和控制。
详细描述
智能家居控制系统利用计算机技术实现对家居设备的监测、控制和智能化管理 ，提高居住舒适度和便利性。常见的智能家居控制系统包括智能照明、智能安 防、智能环境监测等。
器人等领域。
反馈控制原理
01
反馈控制原理是通过比较实际输出与期望输出的差 值来调整系统参数，以达到控制目标。
02
反馈控制原理具有较好的抗干扰能力和适应性，能 够自动调节系统参数，提高控制精度。
03
反馈控制原理是计算机控制系统的核心原理，广泛 应用于各种控制领域。
计算机控制系统的
04
设计方法
连续系统设计方法
THANKS.
交通控制系统
总结词
交通控制系统是计算机控制技术在交通管理中的应用，通过交通信号灯、传感器 和执行器等硬件，实现对交通流量的智能化管理和控制。
详细描述
交通控制系统利用计算机技术实现对交通信号灯的控制、车流量的监测和交通拥 堵的缓解，提高道路通行效率和交通安全。常见的交通控制系统包括智能交通信 号灯、交通监控系统等。
计算机控制技术
汇报人： 202X-12-23
目 录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的性能分析 • 计算机控制系统的应用实例
计算机控制技术概
01
述
定义与特点
定义
计算机控制技术是指利用计算机对工 业生产过程进行自动控制的技术。
交通领域
计算机控制技术在交通领域的 应用包括自动驾驶、交通信号
计算机控制系统特性分析
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
3、采用修正劳斯判据判断系统的稳定性
例4.1 应用劳斯判据,讨论下图4.6所示系统的稳定性，其中 K=1，T=1s。
闭环脉冲传递函数为
Φ ( z) =
系统特征方程为 解：系统开环脉冲传递函数为
1 1 G ( z ) = Z [ H 0 ( s)Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ 2 ] s s ( s + 1) 0.368 z + 0.264 = 2 z − 1.368 z + 0.368
系统判断稳定过程 1、系统分析 求出系统开环传递函数G(Z) 求出系统闭环传递函数 Φ( z) 求出系统特征方程
2、采用双线性变换 z = 1+ w 或 z = 1 + (T / 2) w 转 换到w 1 − (T / 2) w 1− w 域
w( z ) = an z n + an −1 z n −1 + an − 2 z n −2 + ..... + a1 z1 + a0 = 0 an wn + an−1w n−1 + an−2 wn −2 + ..... + a1w + a0 = 0
2
a1 > 0
w( z ) = a3 z 3 + a2 z 2 + a1 z + a0 = 0
计算机控制技术第3章 计算机控制系统分析
第3章 计算机控制系统分析 y(t) 1.6 1.4
a b
1.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t
第3章 计算机控制系统分析
(2) 现将图中的保持器去掉，k=1，T=τ=1；则
G (z)
W (z)
0 . 632 z (1 z
由此可见，离散系统的时间响应是它各个 极点时间响应的线性叠加。
第3章 计算机控制系统分析
设系统有一个位于zi的单极点，则在单位脉冲 作用下，当zi位于Z平面不同位置时，它所对应的 脉冲响应序列如图所示。
jIm j -1 0 -j 1 Re
第3章 计算机控制系统分析
极点在单位圆外的正实轴上，对应的暂态响应 分量y(kT)单调发散。 极点在单位圆与正实轴的交点，对应的暂态响 应y(kT)是等幅的。
第3章 计算机控制系统分析
离散系统的稳定性分析
jω [S] 0
1 对应关系
jIm j -1 0 [Z]
1
Re
2 直接稳定判断
δ
j
3 W变换，Routh稳定性判断
j
ω
0
[W]
δ
第3章 计算机控制系统分析
离散系统的过渡响应分析
一个控制系统在外信号作用下从原有稳定 状态变化到新的稳定状态的整个动态过程称之为 控制系统的过渡过程。 一般认为被控变量进入新稳态值附近±5% 或±3%的范围内就可以表明过渡过程已经结束。 通常，线性离散系统的动态特征是系统在单 位阶跃信号输入下的过渡过程特性(或者说系统 的动态响应特性)。如果已知线性离散系统在阶 跃输入下输出的Z变换Y(z)，那么，对Y(z)进行Z 反变换，就可获得动态响应y*(t)。将y*(t)连成光 滑曲线，就可得到系统的动态性能指标（即超调 量σ%与过渡过程时间ts）。
控制系统的计算机辅助分析
THANKS
感谢观看
状态空间法的基本概念
状态空间法是现代控制理论的基础，通过引入状态变量的概念，将系统的动态行为描述为一组状态方程。
状态空间法的优点
状态空间法能够全面描述系统的动态特性，包括稳定性、能控性、能观性等，为控制系统的分析和设计提供了统一的 数学框架。
状态空间法在计算机辅助分析中的应用
计算机辅助分析软件能够方便地处理状态空间法中的矩阵运算和图形化表示，使得控制系统的分析和设 计更加高效、准确。
动态规划在最优控制中的 应用
动态规划方法可用于求解离散时间系统和连 续时间系统的最优控制问题。在离散时间系 统中，通过构造状态转移方程和性能指标函 数，将最优控制问题转化为多阶段决策问题 ；在连续时间系统中，则需将问题离散化后
应用动态规划方法求解。
06
现代控制理论在计算机辅 助分析中的应用
状态空间法在现代控制理论中的地位和作用
经典控制理论回顾
01
传递函数
描述线性定常系统动态特性的数学模型，是系统输出量与输入量的拉普
拉斯变换之比。传递函数反映了系统的固有特性，与输入信号无关。
02
频率响应
系统在正弦信号作用下，输出信号的幅值和相位随输入信号频率变化的
关系。频率响应反映了系统对不同频率信号的传递能力。
03
根轨迹法
通过分析系统特征方程的根随系统参数变化而变化的轨迹，来研究系统
04
非线性系统计算机辅助分 析方法
相平面法及其局限性
相平面法
相平面法是一种通过图形表示非线性系统动态行为的方法。在相平面上，系统的状态变量被表示为点，而状态变 量的变化则被表示为点的轨迹。通过观察和分析相平面上的轨迹，可以了解系统的稳定性、周期性和其他动态特 性。
计算机控制系统第1章课件
1.1.2 计算机控制系统的组成
1．计算机控制系统硬件
2．计算机控制系统软件
(1) 系统软件 (2) 应用软件
1.1.3 计算机控制系统的典型结构
1．操作指导控制系统
2．直接数字控制系统
3．计算机监督控制系统
4. 集散控制系统
5. 现场总线控制系统
6. 工业过程计算机集成制造系统
1.2 计算机控制系统性能 及其指标
1.2.1 计算机控制系统性能指标
计算机控制系统的性能分析和要求与连续 控征， 衡量系统优劣的指标通常用稳定裕量、动态指 标、稳态指标和综合指标等。
1.2.2 控制对象对控制性能的影响
1.3 计算机控制系统的发展 概况与趋势
1.3.1 计算机控制系统的发展概况
1.3.2 计算机控制系统的发展趋势
1.先进计算机控制系统得到大力推广与普及 2.智能控制系统得到深入研究与开发 3.大力加强企业综合自动化系统的研究、开
发与应用
第1章完
如今计算机控制系统已经广泛地用于工 业、国防和民用的各个领域。
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统一般概念
过程通道的主要任务是将生产过程中的各 种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能 接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计 算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量 的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行 自动控制。
计算机控制系统是当前自动控制系统的 主流方向。
计算机控制系统是利用计算机的硬件和 软件代替了自动控制系统的控制器，以自动 控制技术、计算机技术、检测技术、计算机 通信与网络技术为基础，利用计算机快速强 大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力， 使得计算机控制系统可以实现常规控制以外 更复杂、更全面的控制方案。
计算机控制系统实验报告.
“计算机控制系统”实验报告注意事项：1. 实验报告必须用学校规定的实验报告纸书写，截图与程序可以打印粘贴于实验报告纸上或附后；2. 下述实验报告中的截图、程序与实验分析仅供参考，每个人的实验报告内容以个人的具体实验为准；3. 某些实验中的参数设定与学号有关，见实验报告中的红色与蓝色字体文字，红色字体文字需用个人有关的学号替换，蓝色字体文字为对应的解释说明，写实验报告时需删除；4. 实验报告写好后，请学习委员收集整理交至机械楼422，同一个实验按学号排好序叠成一叠，即四个实验四大叠，不能一个同学的四个实验放一块。
实验一 离散系统性能分析一、实验目的1．了解离散系统的基本概念与基本研究方法；2．掌握离散系统的时域与频域数学模型； 3. 掌握离散系统的稳定性及动态性分析。
二、实验内容给定离散系统结构框图如图1.1所示，)(s G h 为零阶保持器，21)(s s s G o +=，采样周期为Ts=1，开环增益为K ，对该离散系统进行性能分析。
图1.1 离散系统结构框图三、实验步骤1. 建立离散系统的数学模型：利用tf 函数和c2d 函数分别建立连续系统及离散系统的传递函数。
2. 绘制系统的 根轨迹：利用rlocus 函数绘制离散系统的根轨迹图，找出根轨迹和单位圆的交点，如图1.2。
Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-1.5-1-0.500.51 1.5-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81图1.2 离散系统的根轨迹图从图中可以看出根轨迹与单位圆的交点处的开环增益为K=0和K=2，即，使闭环系统稳定的K 的范围是20<<K 。
绘制K=2时离散系统的幅频特性曲线和Nyquist 曲线，观察其稳定性。
利用margin 函数和dnyquist 函数绘制K=2时离散系统的幅频特性曲线Bode 图和Nyquist 曲线分别见图1.3和图1.4。
计算机控制系统实验控制系统构建实验总结
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3.4 计算机控制系统的稳态与暂态性能分析
教学模块3 计算机控制系统数学描述与性能分析教学单元4 计算机控制系统的稳态与暂态性能分析4.1 计算机控制系统稳态过程分析计算机控制系统的稳态指标用稳态误差来表示。
稳态误差指系统过渡过程结束到达稳态以后，系统参考输入与系统输出之间的偏差。
稳态误差是衡量计算机控制系统准确性的一项重要指标。
111()() ()lim(1)()lim(1)lim(1)1()()1()z z z d K R z R z e z E z z z D z W z W z →→→∞=-=-=-++()11()()1()()1()e d K E z W z R z D z W z W z ===++4.1.1 稳态误差与误差系数（1）位置误差系数对于单位阶跃输入，r (t )=1(t )，有()1z R z z =-1111 ()lim(1)lim 1()()11()()11 1(1)(1)1p z z d d d pz e z D z W z z D z W z D W K →→∞=-⋅=+-+==++11lim ()()lim ()(1)p d K K z z K D z W z W z W →→===位置误差系数()()()(1)()p d K D z W z z -→∞⇔=--（2）速度误差系数对于单位速度输入，r (t )=t ﹒1(t )，有速度误差系数2)1( -=z Tz R(z)21111 ()lim(1)lim 1()()(1)(1)[1()()]1 lim (1)()()v z z d dz dv Tz T e z D z W z z z D z W z T z D z W z K →→→∞=-⋅=+--+==-11(1)()()(1)() lim lim d K v z z z D z W z z W z K T T→→--==2()()()(1)()v d K D z W z z -→∞⇔=--（3）加速度误差系数对于加速度输入，加速度误差系数)(121)( 2t t t r ⋅=23(1) ()2(1)T z z R z z +=-2232111(1)()lim(1)lim 1()()2(1)(1)[1()()]a z z d dT z z T e z D z W z z z D z W z →→+∞=-⋅=+--+2211lim (1)()()z da T z D z W z K →==-222211(1)()()(1)() lim lim d K a z z z D z W z z W z K T T →→--==3()()()(1)()a d K D z W z z -→∞⇔=--4.1.2 系统类型与稳态误差系统的开环脉冲传递函数写成如下形式：0()()()()(1)K d r W z W z D z W z z ==-☐r =0，则系统为0型系统☐r =1，则系统为I 型系统☐r =2，则系统为II 型系统积分环节表4.1 三种类型系统的误差系数与稳态误差4.1.3 采样周期对稳态误差的影响系统的稳态误差与采样周期T之间没有必然的联系：（1）如果被控对象中包含与其类型相同的积分环节，则系统稳态误差只与系统的类型、放大系数和信号的形式有关，而与采样周期T无关；（2）如果被控对象中不包含足够多的积分环节，则稳态误差将与采样周期有关。
操作系统的系统性能分析和优化技巧
操作系统的系统性能分析和优化技巧第一章：引言操作系统（Operating System，OS）是计算机系统中最核心的软件之一，它负责管理和控制计算机硬件资源，同时提供各种服务和接口供应用程序使用。
操作系统的性能直接影响到计算机系统的响应速度、资源利用率和稳定性。
本文将介绍操作系统的系统性能分析和优化技巧。
第二章：系统性能分析工具系统性能分析工具是评估操作系统性能的重要利器，常用的性能分析工具包括性能监视器（Perfmon），操作系统自带的监控工具，第三方性能监控工具等。
这些工具可以帮助系统管理员查看各类性能指标，如CPU利用率、内存使用情况、磁盘IO等，并能生成相应的性能报告，从而帮助分析系统性能瓶颈。
第三章：CPU性能优化CPU是计算机系统中最重要的资源之一，它的性能优化对整个系统的性能至关重要。
在CPU性能优化中，可以使用一些技巧如任务调度算法优化、并行计算等，以提高CPU利用率和响应速度。
此外，还可以通过减少不必要的中断和上下文切换等方式来降低CPU的负载，提升系统整体性能。
第四章：内存性能优化内存管理是操作系统的核心功能之一，合理配置和利用内存资源可以显著提升系统性能。
在内存性能优化中，可以通过优化内存分配算法、使用高效的内存操作指令、减少内存碎片化等方式来提升内存的使用效率。
此外，还可以利用虚拟内存技术来充分利用硬盘空间作为内存的扩展，以解决内存不足的问题。
第五章：磁盘IO性能优化磁盘IO是操作系统中较为耗时的操作之一，合理优化磁盘IO性能对整个系统的性能有重要影响。
在磁盘IO性能优化中，可以通过优化文件读写算法、增加磁盘缓存、使用高速磁盘驱动器等方式来提高磁盘IO性能。
此外，还可以通过RAID技术的应用、分区策略的调整等手段来平衡磁盘IO负载，提升系统的整体性能。
第六章：网络性能优化网络性能是现代计算机系统中不可或缺的一部分，优化网络性能对于提升分布式系统的整体性能至关重要。
在网络性能优化中，可以通过合理规划网络架构、优化网络协议、调整网络带宽等方式来提升网络性能。
《计算机控制及网络技术》-第4章 计算机控制系统分析
d 2 z exp 1 2 s
d z 2 s
s域到z域的映射
由于左半平面的σ为负值，所以左半s平面对 应于 ｜z｜=eTσ<1 s平面的虚轴表示实部σ=0和虚部ω从-∞变到+∞， 映射到z平面上，表示｜z｜=eTσ=e0=1，即单位圆 上，和θ=Tω也从-∞变到+∞，即z在单位圆上逆时 针旋转无限多圈。简单地说，就是s平面的虚轴 在z平面的映射为一单位圆, 如图4.2所示。
第四章 计算机控制系统分析
计算机控制系统要想正常工作，首先要满足稳定性 条件，其次还要满足动态性能指标和稳态性能指标，这 样才能在实际生产中应用。对计算机控制系统的稳定性、 动态特性和稳态性能进行分析是研究计算机控制系统必 不可少的过程。
4.1 计算机控制系统的稳定性分析
4.2 计算机控制系统的动态过程 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统根轨迹
修尔—科恩稳定判据
该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的 途径。设离散控制系统的特征方程为
1 G( z ) 0
其中G(z)一般为两个多项式之比，用W(z)表示特征方程 的分子，即
W ( z ) a n z n a n1 z n1 a1 z a0 0
把系数写成如下所示的行列式形式
s域到z域的映射
将s平面映射到z平面，并找出离散系统稳定时其闭 环脉冲传递函数零、极点在z平面的分布规律，从而获得 离散系统的稳定判据。令
s j
则有
S平面内频率相差采样频率 整数倍的零点、极点都映 射到Z平面同一位置
z e e
Ts
T ( j )
e e e e
T
稳定性、静态性能和动态性能的分析
检验稳定性的方法
• 3.1.2 修正的劳斯判据（w变换与劳斯稳定判据的 结合）检验方法：
• 修正的劳斯判据，其基本思想！！ • • • 在Z平面内，劳斯判据是不能直接应用到判定系统的 稳定性中，如果将Z平面再复原到S平面，则系统方程中又 将出现超越函数。 所以我们想法再寻找一种新的变换，使Z平面的单位 圆内映射到一个新的平面的虚轴之左。此新的平面我们称 为W平面，在此平面上，我们就可直接应用劳斯稳定判据 了。
− 792 624
− 39 119 = −792 45 - 117
− 504
系统不稳定
离散系统的稳定性判据 (4)
例3 已知离散系统特征方程 ，判定系统稳定性。
D( z ) = 0.002 + 0 z 4 = 0 D(1) = 0.002 + 0.08 + 0.4 − 1.368 + 1 = 0.114 > 0 D( −1) = 0.002 − 0.08 + 0.4 + 1.368 + 1 = 2.69 > 0
n− j
(an > 0)
L L L L L L L L L L L L cn−2 c0 M z
n −1
zn an a0
an− a j bn− b
j
a n −1 a1 b n −1 b0
j
j−1
cn− c
j
j− 2
M
元素定义：
a0 bj = an
，
an − j b0 bn −1− j c0 ,cj = ,dj = aj bn −1 bj cn − 2
• 系统的特征根全部位于Z平面的单位圆中。 • 若系统只有一个闭环极点或者一对共轭复极点位于单位圆 上，系统处于临界稳定。如果有任何z平面单位圆外的闭 环极点或有任何多重单位圆上的闭环极点，那么线性时不 变离散时间闭环控制系统不稳定。 • 闭环零点不影响系统的绝对稳定性
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南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。
二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。
放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。
答：连续系统比离散系统稳定性好，加入采样开关以后，采样周期越大，离散系统系统稳定性越差，能使系统稳定的K 的范围越小。
2.时域特性分析 令20K(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标； G1=tf([20],[1 1 0]); step(feedback(G1,1));Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e024681012140.20.40.60.811.21.41.61.8由图数据：上升时间=0.254s 超调量=70.2％ 调节时间=7.82s 峰值时间=0.702s(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标； 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 ResponseTime (sec)A m p l i t u d e02004006008001000120014000.20.40.60.811.21.41.61.8上升时间=24.7*T=0.247s 超调量=72.8％调节时间=857*T=8.57s 峰值时间=71*T=0.71s(3) 分析其时域性能指标的差异及产生原因。
由于采样开关和零阶保持器的存在，使得离散系统的时域响应与连续系统相比发生变化，稳定性相对降低，动态性能相对变差。
3.频域特性分析(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，绘制其频率特性响应；G1=tf([1],[1 1 0]); bode(G1)M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，绘制其频率特性响应；； w=logspace(-1,10);dbode([1],[1 1 0],0.01,w)-10-5510M a g n i t u d e (d B )101010101010-9.0597-7.5497-6.0398-4.5298-3.0199-1.50990P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)(2) 讨论上述两种情况下频率特性响应的区别和联系。
G1=tf([1],[1 1 0]); bode(G1) hold onw=logspace(-1,10);dbode([1],[1 1 0],0.01,w) 频率特性对比:-400-300-200-1000100M a g n i t u d e (d B)101010101010-9.0597-7.5497-6.0398-4.5298-3.0199-1.5099P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)1、频率特性是w 的周期函数，当wT 沿着单位圆每转一周时，频率特性周期性重复一次，这是连续系统没有的。
2、幅频特性是w 的偶函数，相频特性是w 的奇函数，连续系统也有这个特性。
3、离散环节频率特性形状与连续系统频率特性形状有较大差别，特别是当采样周期较大以及频率较高时，由于混叠，使频率特性形状有较大变化，主要表现有: 高频时会出现多个峰值； 可能出现正相位；仅在较小的采样周期或低频段与连续系统频率特性相接近。
南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：数字PID控制所在专业：自动化学生姓名：王站班级学号：B11050107任课教师: 程艳云2013 /2014 学年第二学期实验二数字PID控制一、实验目的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I型系统及系统的稳定误差。
二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。
图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）Gh（s）=（1－e-TS）/sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。
图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图2 3．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。
4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。
5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。
采用PID调节器相同。
6．“II型”系统要注意稳定性。
对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<107．PID递推算法如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：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--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。
检查无误后接通电源。
2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。
如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
4.在实验项目的下拉列表中选择实验三[数字PID控制], 鼠标单击鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。
5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。
6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。
若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与其相对应的性能指标σp、ts的数值。
7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。
8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。
电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。
检查无误后接通电源。
9.重复4-7步骤。
10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的σp、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：1 0.02 0 31％0.840 如图9如图10 1 0.02 1 22.4％0.738图1图2图3 图4 图5图6 图7 图8图9图10五、实验报告1．画出所做实验的模拟电路图。
答:所做实验的模拟电路图如图3-2和图3-3所示.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Bode 图，查出相稳定裕量γ和穿越频率ωc。
答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））根据MATLAB指令：G=tf（[5 5 0.1],[0.05 0.6 1 0]）;bode(G)由伯德图可以得到：相稳定裕量γ=96deg ，穿越频率ωc=100rad/s3． 总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd 方法，以最快的速度获得满意的参数。