Simulink-仿真实验

1计算机控制系统实验报告（Simulink仿真实验）班级：姓名：学号：2实验一最少拍控制系统1.实验目的与要求（1）掌握最少拍有纹波、无纹波系统的设计方法；（2）学会对最少拍控制系统的分析方法；（3）了解输入信号对最少拍控制系统的影响及其改进措施。2.实验设备（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：Windows2000MATLAB6.0以上仿真软件。3.实验原理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，是系统输出值尽快地跟踪期望的变化。它的闭环Z传递函数具有形式：123123()......nnzzzzz在这里，n是可能情况下的最少正整数。这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在n个采样周期后变为零，从而意味着系统在n拍之内达到稳态。其控制原理如图1：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，设计控制器D(Z)。（2）采样周期T=1s。4.实验内容与步骤（1）按系统要求计算D(Z)为有纹波和无纹波控制器；（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输入信号，设计控制器，观察输入输出波形，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）比较有纹波和无纹波系统的区别，分析其原因。5.simulink原理图和输出波形31）有纹波的D(Z)的设计原理图及波形：图1.2有纹波D(Z)的控制原理图图1.3有纹波设计的系统输出波形图1.4有纹波设计的控制器输出波形42）无纹波的D(Z)的设计原理及波形：图1.5无纹波D(Z)的控制原理图图1.6有纹波设计的系统输出波形图1.7无纹波设计的控制器输出波形56思考与分析（1)最少拍受什么限制而使调整节拍增加？答：最少拍受输入R(Z)的阶数限制，阶数越高，调整时间越长，调整节拍也就会增加。（2）无纹波系统对控制器有何要求？答：被控对象G(S)有足够的积分环节；D(Z)必须包含G(Z)中的圆内圆外的全部零点N(Z)。（3）分析不同输入信号对最少拍控制系统的影响。答：输入信号阶数越高，调整时间越长。6实验二纯滞后控制实验（4）实验目的与要求（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。（5）实验设备（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：Windows2000MATLAB6.0以上仿真软件。（6）实验原理在一些工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能源的传输延时，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的路程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间（=L/v，v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。本实验采用达林算法进行被控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，大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传函()s，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即()1sSse，NT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，其中：采样周期t=1秒，期望传递函数=2秒，被控对象1.46()3.341sGSse；输入信号为单位阶跃信号。+_D(Z)1TSseG(s)RY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D(Z)控制器的设计，进行系统分析。（7）实验内容与步骤（1）按照纯滞后控制系统要求设计D(Z)；7（2）按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型；（3）作出系统在尤振铃和消除振铃的仿真波形，表明参数，打印结果（包括系统的输出和控制器的输出）。（8）simulink仿真原理图及其波形1）有振铃控制原理图及波形图2.2有振铃的D(Z)控制原理图图2.3系统输出波形8图2.4控制器的输出波形2）消除振铃后控制原理图及波形图2.5消除振铃后系统的控制原理图图2.6系统的输出波形9图2.7控制器的输出波形（9）思考与分析（1）纯滞后系统对阶跃信号有无超调？为什么？答：纯滞后系统对阶跃输入信号不但有较大的超调，而且还容易振荡。（2）纯滞后控制与PID控制有什么区别?消除振铃前后系统输出有什么不同？答：PID控制:比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。纯滞后控制:对给定的水位及温度对象设计相应的监控系统，可以对被控过程进行全面的监测及控制。试验结果表明，由于对象存在较大的纯滞后，采用单回路PID控制效果不佳。但常规单回路PID控制对一般对象控制效果较为理想，是生产过程中常用的一种控制方法。消除振铃后，系统能够更好地逼近输出结果，消除了抖动。