實驗一引入PI控制器消除控制系統(tǒng)干擾

1、實驗一：引入 PI 控制器消除控制系統(tǒng)干擾自動控制原理實驗是 自動控制原理 理論課的一個重要組成部分， 是電子信息工程專業(yè)課程體系中基礎(chǔ)的實驗課程。 主要目標(biāo)是訓(xùn)練學(xué)生最基本的實驗技能， 通過實驗， 加強學(xué)生的感性認(rèn)識，從而鞏固和加深自動控制原理課的課堂教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生實際工作技能，培養(yǎng)科學(xué)作風(fēng)，學(xué)習(xí)MATLABF的SIMULINK仿真軟件，培養(yǎng)學(xué)生對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模的分析、解決問題的能力。一、控制系統(tǒng)設(shè)計過程1. 根據(jù)對系統(tǒng)提出的技術(shù)要求, 確定控制系統(tǒng)的總體方案, 即確定系統(tǒng)的構(gòu)成并選用和計算系統(tǒng)各組成部件的主要特性（ 如執(zhí)行機構(gòu)、測量部件等） 。2. 在系統(tǒng)方案及各組成部件已知的條件下

2、 , 通過理論分析或?qū)嶒灧椒?, 建立系統(tǒng)不變部 分的數(shù)學(xué)模型, 并依條件進(jìn)行必要簡化 .3. 進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計, 主要是確定系統(tǒng)的靜態(tài)放大系數(shù)并進(jìn)行合理分配.4. 在靜態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行動態(tài)設(shè)計, 一般應(yīng)從檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性開始, 進(jìn)而選擇系統(tǒng)的校正方案及參數(shù).5. 進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真研究, 并進(jìn)一步修改和調(diào)整校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或形式, 在數(shù)學(xué)仿真研究時,除了研究線性模型時的系統(tǒng)特性外, 還應(yīng)考慮系統(tǒng)中可能有的非線性特性, 研究它們對系統(tǒng)性能的影響.數(shù)學(xué)仿真可利用MATLA歆件實現(xiàn)。6. 確定校正網(wǎng)絡(luò)的工程實現(xiàn)方法.超前校正裝置具有相位超前和幅值擴(kuò)張的特性, 能提供微分控制功能, 主要改善系統(tǒng)的動態(tài)

3、性能 , 滯后校正裝置具有相位滯后和幅值壓縮的特性, 能提供積分控制功能, 主要改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能, 也可用于改善系統(tǒng)的平穩(wěn)性, 但響應(yīng)的速度受到影響. 滯后 - 超前校正兼具有滯后校正和超前校正的特性, 可全面改善系統(tǒng)的性能.對于校正元件: 由于運算放大器性能高 （高輸入阻抗 , 輸出阻抗低, 高增益等 ）, 參數(shù)調(diào)整方便, 價格便宜, 故串聯(lián)校正幾乎全部采用有源校正裝置.二、MATLAB 簡介MATLAB 語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域） 最具影響力、也是最有活力的軟件。 它起源于矩陣運算， 并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計算機語言。 它提供了強大的科學(xué)運算、 靈活的程序設(shè)計流程、

4、 高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、 便捷的與其他程序和語言接口的功能。 MATLAB 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用MATLAB 產(chǎn)品家族是美國 MathWorks 公司開發(fā)的用于概念設(shè)計,算法開發(fā) ,建模仿真 ,實時實現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計開發(fā)思路，使得 MATLAB 在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間， 特別是在 MATLAB 的主要應(yīng)用方向 科學(xué) 計算、 建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設(shè)計工具， 全球現(xiàn)有 超過五十萬的企業(yè)用戶和上千萬的個人用戶， 廣泛的分布在航空航天， 金融財務(wù)， 機械化工， 電信，教育等各個行業(yè)。 在 MATLA

5、B 產(chǎn)品家族中， MATLAB 工具箱是整個體系的基座， 它是一個語言編程型（ M語言）開發(fā)平臺，提供了體系中其他工具所需要的集成環(huán)境（比如 M 語言的解釋器）。同時由于 MA TLAB 對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強大的數(shù)學(xué)計算能力。 MATLAB 產(chǎn)品體系的演化歷程中最重要的一個體系變更是引入了 Simulink ，用來對動態(tài)系 統(tǒng)建模仿真。 其框圖化的設(shè)計方式和良好的交互性， 對工程人員本身計算機操作與編程的熟 練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。 針對 控制邏輯的開發(fā)，協(xié)議棧的仿真等要求， MathWorks 公司在 Simulink

6、 平臺上還提供了用于 描述復(fù)雜事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為的建模仿真工具 Stateflow ，通過 Stateflow ，用戶可以 用圖形化的方式描述事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為，并無縫的結(jié)合到 Simulink 的動態(tài)系統(tǒng)仿真 中。 在這樣一個產(chǎn)品體系中，可以看到，由于MATLAB 及其豐富的 Toolbox 資源的支持，使得用戶可以方便的進(jìn)行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB 強大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標(biāo)。所得到的算法則可以在Simulink 環(huán)境中以模塊化的方式實現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進(jìn)行全系統(tǒng)的動態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動態(tài)驗證。從 MATLAB 的產(chǎn)品體系可以看到

7、，應(yīng)用 MATLAB 作為統(tǒng)一的集成開發(fā)平臺結(jié)合第三方軟硬件工具， 可以實現(xiàn)從算法開發(fā)到系統(tǒng)仿真優(yōu)化再到硬件實現(xiàn)的完整過程。 這一平臺在工業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用有：1、 控制器及控制對象的設(shè)計開發(fā) 快速控制原型及硬件在回路仿真 （比如結(jié)合dSPACE硬件仿真機系統(tǒng)） 2、信號處理系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā) 全系統(tǒng)仿真及快速原型驗證（比如結(jié)合 TIDSP ）3、通信系統(tǒng)設(shè)計開發(fā) Bit True 和 Cycle True 的算法驗證（比如結(jié)合RadioLab3G 和Candence） 4、機電液一體化設(shè)計開發(fā) 全系統(tǒng)聯(lián)合仿真（比如結(jié)合Easy5 和 Adams ）總之， MathWorks 致力于為工程師， 科研

8、工作者提供最好的語言， 最好的工具和環(huán)境，擴(kuò)大工程師的視野，提高生產(chǎn)率，增進(jìn)學(xué)習(xí)能力，進(jìn)行開創(chuàng)性的研究工作。今天，MATLAB已經(jīng)成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友。三、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)自動控制原理的目的是把它作為一種手段，分析研究一個自動控制系統(tǒng)的特性，看它能否滿足系統(tǒng)要求；同時，用來解決控制系統(tǒng)調(diào)試和使用中出現(xiàn)的問題，另一重要的目的是用它來幫助設(shè)計一個滿足用戶需要的控制系統(tǒng)。本設(shè)計性實驗-“引入PI控制器消除控制系統(tǒng)干擾”的實驗內(nèi)容涉及自動控制原理 基礎(chǔ)課程及 MATLABF白SIMULINK仿真軟件等相關(guān)課程知識。 在自動控制理論課程中，對控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖給出了較詳細(xì)的理論解釋，

9、在干擾的作用下，系統(tǒng)輸出會產(chǎn)生變化， 為消除干擾對其影響，引入PI控制器，調(diào)節(jié)動態(tài)參數(shù)，通過仿真軟件實現(xiàn)對干擾消除的直觀顯示。通過本設(shè)計性實驗使學(xué)生達(dá)到除自動控制原理外的SIMULINK仿真軟件應(yīng)用：1、熟悉SIMULINK的操作環(huán)境2、熟悉構(gòu)建系統(tǒng)模型的方法數(shù)學(xué)3、掌握SIMULINK中子系統(tǒng)模塊的建立與封裝技術(shù)4、對系統(tǒng)給出的數(shù)學(xué)模型能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真分析。四、實驗內(nèi)容及步驟構(gòu)建如圖所示含有干擾作用的系統(tǒng)模型提示：a.仿真前對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后選擇SIMULINK菜單中的Parameters命令來設(shè)置仿真參數(shù)(選仿真終止時間為3S),再選擇SIMULINK菜單中的Start命令

10、即可開始仿真。b.注意封裝子系統(tǒng)(1)選中所有模塊。選擇 Edit命令下的Select All菜單項可以選中所有的模塊。(2)建立子系統(tǒng)。選擇 Edit命令下的Create Subsystem 菜單項，則可以由選定的模塊和連接關(guān)系構(gòu)造出子系統(tǒng)（ 3）封裝子系統(tǒng)。選擇子系統(tǒng)模塊，再選擇 Edit 命令下的 Mask Subsystem 菜單項 ,將打開一個對話框， 單擊該對話框中的 Intialization 標(biāo)簽， 打開相應(yīng)的選項卡， 在該選項卡中輸入各個變量的提示Prompt 和變量名 Variable 。（ 4）子系統(tǒng)參數(shù)初始化。建立該子系統(tǒng)后，雙擊該圖標(biāo)，將打開一個對話框，在該對話框中填

11、寫默認(rèn)參數(shù)，然后將該子系統(tǒng)存盤備用。五、實驗報告要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)得到預(yù)定效果。首先，學(xué)生能自學(xué)與指定設(shè)計題目有關(guān)的資料。其次，學(xué)生針對實驗課題提出的任務(wù)和要求，進(jìn)行設(shè)計和構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖，最后寫出總結(jié)報告。對于設(shè)計中出現(xiàn)的普遍問題教師要進(jìn)行講授， 在實驗效果和學(xué)生成績的評定方面著重審視其對實驗思路和方法的分析體會上， 學(xué)生的實驗報告根據(jù)實驗項目內(nèi)容可簡可繁， 要求在實驗報告中寫出過程中碰到什么疑難和故障,又是怎樣發(fā)現(xiàn)并采取什么措施解決的，還有什么不足之處， 對此自己有什么見解。 通過這一環(huán)節(jié)增加實驗教學(xué)的科研氛圍和培養(yǎng)學(xué)生敢于創(chuàng)新的意識，使學(xué)生開闊眼界，拓寬思路。六、 ：實驗考核要求（ 1 ）儀

12、器使用：能否正確使用 TKKL-1 自動控制原理實驗箱，儀器的接線是否正確，熟練程度如何，基本的測試方法是否掌握等；（ 2 ）軟件使用：Matlab 仿真軟件使用是否熟練；（ 3 ）電路連線：實驗線路能否合理布局并正確連接；（ 4 ）實驗?zāi)芰Γ簩嶒炛谐霈F(xiàn)的問題及簡單的故障能否分析排除，能否在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗任務(wù)；（ 5 ）結(jié)果記錄：看學(xué)生能否正確記錄實驗結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)是否正確，圖形是否整潔，標(biāo)注是否清楚（如幅值、頻率、時間）等。實驗二控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬一、實驗?zāi)康?、熟悉超低頻掃描示波器的使用方法。2、掌握用運放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子模擬電路。3、測量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。4、通

13、過本實驗了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對輸出動態(tài)性能的影響。二、實驗儀器1、控制理論電子模擬實驗箱一臺2、超低頻慢掃描示波器一臺3、萬用表一只三、實驗原理以運算放大器為核心元件，由不同的輸入R-C網(wǎng)絡(luò)和反饋R-C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制系統(tǒng)的各種典型環(huán)節(jié)。四、實驗內(nèi)容1、畫出比例、慣性、積分、微分環(huán)節(jié)的電子模擬電路圖。2、觀察并記錄下列典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)波形。1)Gi(S)=1、G2(S)=2比例環(huán)節(jié)2)Gi(S)=1/S、G2(S)=1/(0.5S)積分環(huán)節(jié)3)G1(S)=S微分環(huán)節(jié)4)G(S)=1/(S+1)、G(s)=1/(0.5S+1)慣性環(huán)節(jié)五、實驗報告要求1、畫出四種典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖、并注明參數(shù)

14、。2、測量并記錄各種典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)，并注明時間坐標(biāo)軸。3、分析實驗結(jié)果、寫出心得體會。六、實驗思考題1、用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在哪兩個假設(shè)條件下近似推導(dǎo)出的？2、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可近似地視為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下，又可以視為比例環(huán)節(jié)？3、如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)GND微分環(huán)節(jié)GND慣性環(huán)節(jié)實驗三一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及參數(shù)測定、實驗?zāi)康?、觀察一階系統(tǒng)在階躍和斜坡輸入信號下的瞬態(tài)響應(yīng)。2、根據(jù)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線確定一階系統(tǒng)的常數(shù)。、實驗儀器1、控制理論電子模擬實驗箱一臺2、慢掃描示波器一臺3、

15、萬用表一只三、實驗原理1TS 1圖2-1為一階系統(tǒng)的方框圖。他的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:(s)3=qh=qR(S) 1 G(S) 1 1/TS實驗線路圖如圖2-2所示，其中R1=R2= R,時間常數(shù)T= RC。111,當(dāng)r(t) =1,即R(S) =1/S ,則其輸出為：C(S) = '1一，對上式S(TS 1) S S 1/Tt取拉氏反變換，得到： C(t)=1e3,它的階躍響應(yīng)曲線如圖2-2所示。當(dāng)t=T時,C(t) = 1 e,=0.632。這表示當(dāng)C(t)上升到穩(wěn)定值的63.2%時，對應(yīng)的時間就是一階系統(tǒng)的時間常數(shù)T,根據(jù)這個原理，由圖 2-2可測得一階系統(tǒng)的時間常數(shù)To當(dāng) r(t)=

16、t, R(S) =1/S2,系統(tǒng)的輸出為：c(S)=T+1一，對上 S2(TS 1) S2 S S 1/T_t_tt式取拉氏反變換，得到：C(t) =tT(1e斤)，由于 e(t) = t -(t -T(1-e5 )=T(1-e),所以當(dāng)t-*30時，e(g) = ess=T。這表明一階系統(tǒng)能跟蹤斜坡信號輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在，其誤差的大小為系統(tǒng)的時間常數(shù)Toecc圖2-1圖2-2圖2-3四、實驗內(nèi)容T為1S和0.1S時的響應(yīng)曲線,1、根據(jù)圖2-1所示的內(nèi)容，設(shè)計相應(yīng)的模擬試驗線路圖。2、當(dāng)r(t)=-1V時，觀察并記錄一階系統(tǒng)的時間常數(shù)并注明時間坐標(biāo)軸。4、當(dāng)r(t) =t時，觀察并記錄一階

17、系統(tǒng)的時間常數(shù)T為1S和0.1S時的響應(yīng)曲線。五、實驗報告要求1、根據(jù)實驗，畫出一階系統(tǒng)的時間常數(shù)T為1S和0.1S時的單位階躍響應(yīng)曲線，并由實測的曲線觀察得時間常數(shù) T。2、觀察并記錄一階系統(tǒng)時間常數(shù)T為1S和0.1S時的斜坡響應(yīng)曲線，并由實測的曲線觀察得穩(wěn)態(tài)誤差ess,這一誤差值與有終值定理求得的誤差值是否相等？分析誤差原因。六、實驗思考題1、一階系統(tǒng)為什么對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為T?2、一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)能否由其單位階躍響應(yīng)求得？試作出說明。七、注意事項1、觀察單位階躍響應(yīng)用示波器的任意一個通道即可。2、r(t)=斜坡信號由函數(shù)信號發(fā)生器的三角波上升段模

18、擬，觀察時，用示波器的CH1 通道觀察斜坡信號，用 CH2通道觀察一階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)。實驗四PID控制器的動態(tài)特性、實驗?zāi)康?、熟悉PI、PD、PID三種控制器的結(jié)構(gòu)形式。2、通過實驗，深入了解PI、PD、PID三種控制器的階躍響應(yīng)特性和相關(guān)參數(shù)對它們性 能的影響。、實驗儀器1、控制理論電子模擬實驗箱一臺2、超低頻慢掃描示波器一臺3、萬用表一只 三、實驗原理Pk PD、PID三種控制器是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的有源校正裝置。其中 PD為超前 校正裝置，它適用于穩(wěn)態(tài)性能已滿足要求，而動態(tài)性能較差的場合。PI為滯后校正裝置，它能改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PID是一種滯后一超前校正系統(tǒng)，它兼有 PI和PD兩者的優(yōu)點。圖3-1<1 Vo圖3-2圖3-3圖3-1為PD控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為:G(S) =Kp(TdS+1),其中 Kp = R/R, Td =RC圖3-2為PI控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為：1G(S) = -Kp(1 + -)，其中 Kp = R / R , Td = R2c I D S圖3-3為PI控制器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為：1G= -Kp”話+3 其中 Kp"1 + R2C2)/RC2，C' +