最少拍控制系统

最少拍控制系统

(Simulink ) ( 1)掌握最少拍有纹波、无纹波系统的设计方法；( 2)学会

对最小拍控制系统的分析方法。

( 3)了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。(1)硬件环境

微型计算机一台，Pentium4 以上各类微机 (2) 软件平台

操作系统：Windows 2000

MATLIB6.0 仿真软件最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特

定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。

它的闭环

z 传递函数具有形式

12N (z)zz ? z12N在这里，是可能情况下的最小正整数。这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采N

样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。其控制原理如图1-

1：

,(z)

G(z)

Y(z)R(z)

TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s) h00TT+Y(s)R(s)_

G(s)

图1-1 最少拍系统控制原理图

(1)输入信号为单位阶跃输入，

1

2.1(2) 被控对象为：G(s),02s(s ，1.252)

( 3)采样周期=1s。T

要求：设计控制器; D(z)

(1)按系统要求计算为有纹波控制器和无纹波控制器；D(z)

(2)按照系统原理图，在simulink 下构造系统结构图模型；取输入信号为单位阶跃信号

和单位速度信号，设计控制器，观察输入输出波型，标明参数，打印结果；

(3)观察系统输出波形在采样点以外的波形。

( 4)比较有纹波与无纹波系统的区别，分析其原因。(1)最少拍受什么限

制而使调整节拍增加？

(2)无纹波系统对控制器有何要求？

(3)分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响。

(Simulink )

(1) 掌握应用大林算法进行纯滞后系统D(z) 的设计；(2) 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。

(1)硬件环境

微型计算机一台，Pentium4 以上各类微机

(2)软件平台

操作系统：Windows 2000 以上；

仿真软件工具：MATLIB5.3以上。

在一些工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多

被控制对

象具有纯滞后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为L 的路

,,L/v, v, 程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间(是蒸汽的速度)。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这一类系统，采用一般的2

随动系统设计方法是不行的，而用PID 控制往往效果也欠佳。

本实验采用大林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即,(s)

,,se,(s), ,,,NT

,s ，1 该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制原理如图2-1,

,1.46se 其中：采样周期,G(s),=0.9 秒，期望传递函数=0.5 秒，被控对象；

输入T03.34s ，1 信号为单位阶跃信号。

,(z)

G(z)

Y(z)R(z)

TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s)0 h0TT+Y(s)R(s)_

G(s)

图2-1 纯滞后系统控制原理图应用大林算法进行纯滞后系统设计D（z）控制器，进行系统分析。

（1）按照纯滞后控制系统要求设计D（z）；

（2）按照系统原理图，在simulink 下构造系统结构图模型；（3）分别做出系统有振铃和消除振铃的仿真波形图，标明参数，打印结果（包括系统的输

出和控制器的输出）。

（1）纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？

（2）纯滞后控制与PID 控制有什么本质区别？消除振铃前后系统输出有什么不同？

3

1）了解二位式温度控制系统的结构与组成。

2）掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。

1）TKGK-1型过程控制实验装置：

位式控制器GK-05 、变频器GK-07-2

2）万用表一只

3）计算机系统

1 ）温度传感器温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而

变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关系式为

Rt = RtO[1+ a （t -to）]

式中: Rt ——温度为t（如室温20?）时的电阻值；

RtO――温度为t0（通常为0?）时的电阻值；

a――电阻的温度系数。

4 可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻 值的变化， 就可达到温度测量的目的。本装置使用的是铂电阻元件 PT1O0并通过温度变 送器（测量电桥或分压采样电路或者 AI 人工智能工业调节器）将电阻值的变化转

换为电压信号

2）二位式温度控制系统

本实验的被控对象是电热丝，被控制量是复合水箱中内套的水温 T ,温度变送 器把被控制量T 转变为反馈电压Vi ，它与二位调节器设定的上限输入 Vmax 和下限 输入Vmin 比较，从而决定二位调节器的输出信号；调节器的输出电压 V0（5V ）作 为执行元件的控制信号。V0与Vmin 和Vmax 的关系如图3-1所示，图3-2为位式

图与、关系图 图3-2位式控制系统的方块图 0

由图3-1可见，V0与Vi 的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图 3-2 所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种 极限工作状态，故

称这种控制器为两位调节器。该系统的工作原理是： 当被控制的水温T 减小

到小于设定下限值时，即 Vi?Vmin 时，调节器的输出为V0（5V ）,执行元件（固 态继电器）接通，使电

热丝接通220V 电源加热（如图3-3所示）。随着水温T 的升高，Vi 也不断增 大，当增大到

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控制系统的方块图。