計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書申曉寧南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：題目一 帶擾動(dòng)時(shí)滯對(duì)象的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)：設(shè)計(jì)性所屬課程名稱：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)時(shí)：1周一.課程設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試一個(gè)由工業(yè)控制機(jī)控制的時(shí)滯對(duì)象輸出端具有干擾信號(hào)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程學(xué)習(xí)電壓的采樣方法，A/D和D/A變換方法和接口的使用方法，以及數(shù)字濾波的方法。通過(guò)實(shí)踐過(guò)程掌握常規(guī)及改進(jìn)PID控制方法，熟悉利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本課程設(shè)計(jì)是本門課程課堂教學(xué)的延伸和發(fā)展，是理論知識(shí)與工程實(shí)踐之間的銜接。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電路

2、與應(yīng)用程序，進(jìn)一步鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)專業(yè)課程知識(shí)，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐技能；培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生初步具有設(shè)計(jì)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件的能力。同時(shí)，通過(guò)資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與報(bào)告撰寫的一系列過(guò)程，使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。從而，在專業(yè)知識(shí)與研究方法方面為日后的畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。二. 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容某系統(tǒng)的被控對(duì)象含有純滯后環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)為：該系統(tǒng)的輸入信號(hào)為帶有干擾的方波信號(hào)（方波幅值2V，頻率4Hz,干擾自行設(shè)計(jì)硬件電路產(chǎn)生），采樣周期1s。請(qǐng)完成以下任務(wù)：1） 分別采用普通PID算

3、法和微分先行PID算法進(jìn)行控制，并在兩種方法中均采用抗積分飽和的方法。給出兩種方法下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，以及控制量u的變化曲線圖，詳細(xì)地比較和分析所得結(jié)果。2） 在1)中采用微分先行PID算法的基礎(chǔ)上，在對(duì)象的輸出端施加一組噪聲信號(hào)（自行設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生），在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)低通濾波器，請(qǐng)分別給出有無(wú)濾波器時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖，并詳細(xì)地比較和分析所得結(jié)果。說(shuō)明：上述任務(wù)中的微分增益系數(shù)和濾波時(shí)間常數(shù)，以及、的取值需通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到。三.預(yù)習(xí)與參考計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、VBScript、Matlab四. 實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）要求設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)曲線：穩(wěn)定，上升時(shí)間短，無(wú)靜差，超調(diào)小，抗干擾能力

4、強(qiáng)。1、每組1-2位同學(xué)，每個(gè)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)并制作出實(shí)際電路，組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2、根據(jù)設(shè)備情況以及被控對(duì)象，采用相應(yīng)的控制算法和濾波器算法，編制程序框圖和源程序，并進(jìn)行實(shí)際操作和調(diào)試通過(guò)，獲得滿意的控制效果。五.實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）儀器設(shè)備和材料清單THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件部分包括直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)通用單元電路、USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元，上位機(jī)軟件包括虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。六.設(shè)計(jì)步驟（1）總體方案設(shè)計(jì)：構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，確定系統(tǒng)各組成模塊的功能和相互關(guān)系。 （2）詳

5、細(xì)設(shè)計(jì)：硬件部分：選擇硬件型號(hào)，設(shè)計(jì)具體的噪聲發(fā)生電路、被控對(duì)象的模擬電路等。給出系統(tǒng)各個(gè)組成部分的接口電路。 軟件部分：依據(jù)采用的控制算法及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)，繪制程序流程圖，并編寫相應(yīng)的程序代碼。程序的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)給出文字注釋。（3）調(diào)試：首先在Matlab軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析（選做，simulink仿真環(huán)境或純M文件編程均可）；編譯軟件，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，整定PID控制器參數(shù)和濾波器參數(shù)，獲得滿意的控制效果。（4）獨(dú)立撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。七設(shè)計(jì)要點(diǎn) （1）噪聲信號(hào)的發(fā)生電路設(shè)計(jì)； （2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到，與普通PID算法相比，微分先行PID

6、算法的優(yōu)點(diǎn)及其適用場(chǎng)合； （3）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出使用數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)。八課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周，將其分為三個(gè)階段。第一階段：閱讀研究實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書與任務(wù)書，復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，收集文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。此階段約占總時(shí)間的20%。第二階段：對(duì)裝置、器件、芯片作好選型，細(xì)劃與設(shè)計(jì)、繪出各部分接口電路圖，完成主要程序框圖繪制和具體程序的編寫。約占總時(shí)間的60%。第三階段：整理、匯總、撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。約占總時(shí)間的20%。九考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定1、 考核方式由平時(shí)檢查、提問(wèn)抽查、答辯與課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書質(zhì)量等幾方面結(jié)合起來(lái)考慮：學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)態(tài)度的認(rèn)真性，課堂

7、知識(shí)理解掌握的深入程度，畫圖軟件應(yīng)用的熟練程度，設(shè)計(jì)方案的正確性或合理性，圖文的質(zhì)量效果，是否獨(dú)立完成，是否具有獨(dú)立分析解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神等。2、 考核成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)計(jì)：每個(gè)同學(xué)根據(jù)題目，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)報(bào)告書。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：考核檢查。線路圖及程序占40%，系統(tǒng)性能指標(biāo)占20%，答辯占20%，設(shè)計(jì)期間（包括前面實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告）綜合表現(xiàn)占20%。十課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求每位同學(xué)根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，根據(jù)給定的格式，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整篇課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求不少于3000字。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書內(nèi)容詳見(jiàn)文檔“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書內(nèi)容”。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)給出詳細(xì)的比較和分析，應(yīng)深入分析結(jié)果產(chǎn)生

8、的原因，相應(yīng)控制方法的適用場(chǎng)合等。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：題目二 基于卡爾曼濾波器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)：設(shè)計(jì)性所屬課程名稱：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)時(shí)：1周一.課程設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試一個(gè)由工業(yè)控制機(jī)控制，控制器輸出端和對(duì)象輸出端均具有干擾信號(hào)，基于卡爾曼濾波器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)過(guò)程學(xué)習(xí)電壓的采樣方法，A/D和D/A變換方法和接口的使用方法，以及數(shù)字濾波的方法。通過(guò)實(shí)踐過(guò)程掌握常規(guī)及改進(jìn)PID控制方法，熟悉利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本課程設(shè)計(jì)是本門課程課堂教學(xué)的延伸和發(fā)展，是理論知識(shí)與工程實(shí)踐之間的銜接。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)與理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電

9、路與應(yīng)用程序，進(jìn)一步鞏固與綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)專業(yè)課程知識(shí)，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐技能；培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生初步具有設(shè)計(jì)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件的能力。同時(shí)，通過(guò)資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與報(bào)告撰寫的一系列過(guò)程，使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。從而，在專業(yè)知識(shí)與研究方法方面為日后的畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。二. 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容某系統(tǒng)的被控對(duì)象為二階傳遞函數(shù)：該系統(tǒng)的輸入為單位階躍信號(hào)，采樣周期1ms。請(qǐng)完成以下任務(wù)：1）在控制器的輸出端施加控制干擾信號(hào)，在被控對(duì)象的輸出端施加測(cè)量干擾信號(hào)（上述兩種干擾信號(hào)均自行設(shè)計(jì)電

10、路產(chǎn)生）。2）采用不完全微分PID算法進(jìn)行控制，并在算法法中采用抗積分飽和的方法。3）在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波，濾波器的參數(shù)，。給出加入濾波器前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖，以及控制量u的變化曲線圖，詳細(xì)地比較和分析所得結(jié)果。說(shuō)明：上述任務(wù)中的不完全微分PID算法中的慣性時(shí)間常數(shù)，以及、的取值需通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到。三.預(yù)習(xí)與參考計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、VBScript、Matlab四. 實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）要求設(shè)計(jì)指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)曲線：穩(wěn)定，上升時(shí)間短，無(wú)靜差，超調(diào)小，抗干擾能力強(qiáng)。1、每組1-2位同學(xué)，每個(gè)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)并制作出實(shí)際電路，組成一個(gè)完

11、整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2、根據(jù)設(shè)備情況以及被控對(duì)象，采用相應(yīng)的控制算法和濾波器算法，編制程序框圖和源程序，并進(jìn)行實(shí)際操作和調(diào)試通過(guò)，獲得滿意的控制效果。五.實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）儀器設(shè)備和材料清單THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件部分包括直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)通用單元電路、USB數(shù)據(jù)采集卡及接口單元，上位機(jī)軟件包括虛擬示波器、VBScript腳本編程器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。六.設(shè)計(jì)步驟（1）總體方案設(shè)計(jì)：構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，確定系統(tǒng)各組成模塊的功能和相互關(guān)系。 （2）詳細(xì)設(shè)計(jì)：硬件部分：選擇硬件型號(hào)，設(shè)計(jì)具體的噪聲發(fā)生電路、被控對(duì)象的模擬電路等。給出系統(tǒng)各個(gè)組成部分

12、的接口電路。 軟件部分：依據(jù)采用的控制算法及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)，繪制程序流程圖，并編寫相應(yīng)的程序代碼。程序的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)給出文字注釋。（3）調(diào)試：首先在Matlab軟件中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析（選做，simulink仿真環(huán)境或純M文件編程均可）；編譯軟件，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，整定PID控制器參數(shù)和濾波器參數(shù)，獲得滿意的控制效果。（4）獨(dú)立撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。七設(shè)計(jì)要點(diǎn) （1）噪聲信號(hào)的發(fā)生電路設(shè)計(jì)； （2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到，與普通PID算法相比， 不完全微分PID算法的優(yōu)點(diǎn)及其適用場(chǎng)合； （3）在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)卡爾曼數(shù)字濾波器的方法。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

13、，得出使用卡爾曼數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)。八課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周，將其分為三個(gè)階段。第一階段：閱讀研究實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書與任務(wù)書，復(fù)習(xí)有關(guān)知識(shí)，收集文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖。此階段約占總時(shí)間的20%。第二階段：對(duì)裝置、器件、芯片作好選型，細(xì)劃與設(shè)計(jì)、繪出各部分接口電路圖，完成主要程序框圖繪制和具體程序的編寫。約占總時(shí)間的60%。第三階段：整理、匯總、撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。約占總時(shí)間的20%。九考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定3、 考核方式由平時(shí)檢查、提問(wèn)抽查、答辯與課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書質(zhì)量等幾方面結(jié)合起來(lái)考慮：學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)態(tài)度的認(rèn)真性，課堂知識(shí)理解掌握的深入程度，畫圖軟件應(yīng)用的熟練程度，設(shè)計(jì)方案的正確性或合理性，圖文的質(zhì)量效果，是否獨(dú)立完成，是否具有獨(dú)立分析解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神等。4、 考核成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)理論設(shè)計(jì)：每個(gè)同學(xué)根據(jù)題目，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)報(bào)