20122014计算机控制技术实验考试范例供参考

计算机控制技术实验考试内容大全实验一、数字滤波实验目的：1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。实验仪器：计算机、matlab软件、自动控制试验台实验内容：1．利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；2．尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图1-1尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。3．实验电路的信号的产生把图1-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出，其参考值为：幅值1V，频率1Hz）输入到图1-2所示的两个输入端图1-2测试信号的产生电路图4.根据信号频谱，设计模拟低通滤波器设计一个“惯性环节”的模拟电路，如图5.1.1所示，其中10RKR，1TRC，实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝2uF，并在实验箱上搭建模拟电路。图2.1R2尖脉冲干扰正弦信号R1+R0-++R3R4-+Om图5.1.1贯性环节++R0R1-C1In5．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；6、附录1．测试信号的产生利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的参考电路，如图2.1所示：2．一阶惯性滤波器及其数字化一阶惯性滤波器的传递函数为：()1()()1FYsGsXss利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：()()(1)(1)TTykxkyk其中T为采样周期，为滤波时间常数。T和必须根据信号频谱来选择。答辩：模拟滤波和数字滤波的区别，优缺点？实验二、香农采样定理实验目的：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.学习使用Matlab进行各类数学变换运算的方法3.学习使用Matlab建立控制系统模型的方法实验仪器：计算机、matlab软件、自动控制试验台实验内容：对一个具有有限频谱的连续信号f(t)进行连续采样，当采样频率满足S2max时，采样信号f*(t)能无失真的复现原连续信号。作信号f(t)5e10t和f*(t)5e10kT的曲线，比较采样前后的差异。幅度曲线：T=0.05t=0:T:0.5f=5*exp(-10*t)subplot(2,1,1)plot(t,f)Gridsubplot(2,1,2)stem(t,f)Grid请改变采样周期T，观察不同的采样周期下的采样效果。幅频曲线：w=-50:1:50F=5./sqrt(100+w.^2)plot(w,F)Grid若|F(jmax)|0.1|F(0)|，选择合理的采样周期T并验加以证w=-400:20:400ws=200Ts=2*pi/wsF0=5/Ts*(1./sqrt(100+(w).^2))F1=5/Ts*(1./sqrt(100+(w-ws).^2))F2=5/Ts*(1./sqrt(100+(w+ws).^2))plot(w,F0,w,F1,w,F2)plot(w,F0,w,F1,w,F2)Grid请改变采样频率ws，观察何时出现频谱混叠？答辩：阐述香浓采样定理实验三、离散控制系统仿真一、实验目的1.学习使用Matlab的命令对控制系统进行仿真的方法2.学习使用Matlab中的Simulink工具箱进行系统仿真的方法实验仪器：计算机、matlab软件、自动控制试验台实验内容：建立如图所示二阶系统控制模型并进行系统仿真。二阶系统闭环传递函数为G(s)将上述系统离散化并仿真，观察仿真结果。答辩：采样周期Ts会影响离散系统稳定性，根据控制理论，Ts越大则系统的稳定性越差（参见例4-13），从定性分析，采样周期越短，离散控制系统越接近连续系统；从定量分析，控制系统中引入采样开关和保持器相当于引入了纯时滞，因此，系统的稳定性必然变差。纯时滞的大小等于采样周期的一半，采样周期小，引入的纯时滞小，对稳定性的影响也小。实验四、D(s)离散化方法的研究一、实验目的1．学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。2．熟悉常用的从连续化途径（先按连续系统设计再离散化）设计数字控制器的方法。3．学习并掌握将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)的方法。实验仪器：计算机、matlab软件、自动控制试验台实验内容：1．按连续系统串联校正及其动态性能实验系统被控对象的传递函数为550()0.2(0.51)(2)Gsssss（4－1）具有串联校正控制器()Gs的线性连续系统的结构方块图如图3.1所示按以下要求设计期望系统的开环对数幅频特性：（1）超调量20%pM（2）调节时间（过渡过程时间）1sts（3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数）25%vK校正装置设计：（1）（静态速度误差系数）25%vK2001()0.1101(1)ssssseLimsEsLimsKksse(t)r(t)图3.1D(s)u(t)G(s)y(t).25.0lim)()(lim100vssvsKsDsGk;k取1。（2）调节时间nswt5.3，sntw5.3（3）超调量%%21/e，22)(ln/lns=-log(0.2)/((log(0.2))^2+pi^2)^(0.5)联立（2）、（3），求出nw,分别为0.4559,7.6771带入公式：242412arctan，求出r=atan(2*s/((1+4*s^4)^(0.5)-2*s^2)^(0.5))=0.8403=48°24241ncww，求出wc=7.6771/((1+4*s^4)^(0.5)-2*s^2)^(0.5)=9.3986从期望系统的开环对数幅频特性中，减去上述二阶被控对象的对数幅频特性，可以得到串联校正控制器的对数幅频特性，由此得到其传递函数（此部分参照自动控制原理实验串联校正部分）0.51()0.051sDss（4－2）已知()Gs和()Ds后，参阅图3.1所示系统结构，设计系统被控对象的模拟电路如图4.2所示。c(t)图3.2200k200kr(t)200k+-+R1+++100kC-+R4R3R2500k1u-200k++-1u2．计算机闭环控制系统的混合仿真实验系统被控对象的传递函数见式（3－1），它可以用图3.3所示电路来模拟。图中电路可利用实验箱U9、U11等单元组成。其中Om端连实验箱U3单元O1，In端连实验箱U3单元I1，以便利用该单元的数据处理功能与上位机的虚拟仪器功能观测和记录系统动态过程，用于对比分析。计算机控制系统的方框图如图3.4所示，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分由上位机和数据处理系统完成。图4.4中，Z.0.H为零阶保持器，其传递函数为1Tses（以后实验中均同此义）。答辩：如何将()Ds的离散化，零阶保持器法（1）保持器等价201201110(9)()[()]1TsTTeezDzZDssez2020()(1)10()(9)(1)TTukeukekeek实验五系统PID控制器设计及其参数整定一、实验目的（1）掌握PID控制规律及控制器实现。（2）对给定系统合理地设计PID控制器。（3）掌握对给定控制系统进行PID控制器参数在线实验工程整定的方法。实验仪器：计算机、matlab软件、自动控制试验台实验内容：图3.3++Om100k500k1u-200k++-1uIn图3.4R(t)e(t)D(z)Z.0.HG(s)y(t)Ziegler-Niehols——临界比例度法临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，用系统的等幅振荡曲线来整定控制器的参数。先使系统（闭环）只受纯比例作用，将积分时间调到最大，微分时间调到最小（Td=0），而将比例增益K的值调到较小值，然后逐渐增大K值，直到系统出现等幅振荡的临界稳定状态，此时比例增益的K作为临界比例Km，等幅振荡周期为临界周期Tm，临界比例度为δk=x100%。根据表6-5中的经验值课整定PID控制器的参数。表5-5临界比例度法PID控制器参数整定控制器类型KpTiTdP0.5Km∞0PI0.45KmTm/120PID0.6Km0.5Tm0.125Tm【范例5-3】已知被控对象传递函数为G(s)=，试用临界比例度法整定PID控制器参数，绘制系统的单位响应曲线，并与反应曲线法比较。【解】1）先求出控制对象的等幅振荡曲线，确定Km和Tm。k=10;z=[];p=[-1,-3,-5];Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);forKm=0:0.1:10000Gc=Km;syso=feedback(Gc*G,1);p=roots(syso.den{1});pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm=-0.001);n=length(pro);ifn=1breakend;endstep(syso,0:0.001:3);Km答辩：P、PI、PID三种控制效果有何不同1）比较P、PI和PID三种控制器对系统的校正效果，总结它们的优缺点及应用场合。P控制器对系统的校正效果：Kp越大，系统的稳态性能越好，但是不能消除静差；PI控制器对系统的校正效果：由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；PID控制器对系统的校正效果：用PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。Km=19.2000图5-6控制系统等副振荡曲线程序运行后可得Km=19.2，临界稳定状态的等幅振荡曲线如图5-6所示。从图中测得两峰值之间的间隔周期即为临界周期Tm=2.07-0.757=1.313s2）整定Kp、Ti、Td，并分析结果。k=10;z=[];p=[-1,-3,-5];Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);Km=19.2;Tm=1.313;Kp=0.6*Km;Ti=0.5*Tm;Td=0.125*Tm;Kp,Ti,Td,s=tf('s');Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);sys=feedback(Gc*G,1);step(sys)Kp=11.5200Ti=0.6565Td=0.1641程序运行后可得到Kp=11.5200，Ti=0.6565，Td=0.1641PID控制器校正后响应曲线如图5-7所示，可测出系统动态性能参数，tr=0.302s，tp=0.793s，ts=3.51s，Mp=47.1%。图5-7PID控制器校正后响应曲线最少拍控制系统设计一、实验目的学习使用Matlab设计最少拍控制算法二、实验器材x86系列兼容型计算机，Matlab软件实验内容：1.数字PID系统设计建立所示的数字PID系统控制模型并进行系统仿真，已知GP(s)，采样周期T=0.1s。10(s1)(s2)2.最少拍系统仿真建立所示的数字PID系统控制模型并进行系统仿真，已知GP(s)10，采样周期T=1s。s(s1)1eTsK3.679z1(10.718z1)广义被控对象脉冲传递函数：G(z)ZG(s)Z，则ss(s1)(1z1)(10.3679z1)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。a.有纹波系统单位阶跃信号：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(z)z10，根据(1)1求得1，则(z)z1，D(z)1(z)0.2717(10.3679z1)0。10.718z1G(z)1(z)单位斜披信号：根据