《物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)》-彭力 控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)手冊(cè) 實(shí)驗(yàn)1-7 采樣與保持仿真實(shí)驗(yàn)-振鈴的消除仿真實(shí)驗(yàn)

控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)手冊(cè)實(shí)驗(yàn)一：采樣與保持仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、了解數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的零階保持器作用。2、驗(yàn)證零階保持器在控制系統(tǒng)中的作用。3、驗(yàn)證采樣周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。4、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB及其仿真環(huán)境SIMULINK的使用。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理－×50.5S11－×50.5S11eTSS10S其中零階保持器描述回路的采樣功能和D/A轉(zhuǎn)換器的保持功能。四、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖五、仿真實(shí)驗(yàn)記錄采樣周期T(ms)R、C波形記錄10203040六、思考題1、在微機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期T的選擇應(yīng)注意哪些方面？2、若模擬量在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)變化較大，是否要加保持器？為什么？3、D/A轉(zhuǎn)換器為什么會(huì)具有零階保持器的作用？4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬量輸出通道中若無零階保持器會(huì)出現(xiàn)什么問題？5、系統(tǒng)的平滑性與什么有關(guān)？實(shí)驗(yàn)二：微分與平滑仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、了解微分對(duì)采樣噪音的靈敏響應(yīng)。2、了解平滑算法抑制噪音的作用。3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)MATLAB及其仿真環(huán)境SIMULINK的使用。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理如圖微分加在正反饋輸入端，計(jì)算機(jī)用D(Z)式進(jìn)行微分運(yùn)算。R為階躍輸入信號(hào)，CRR+×C+D(Z)1eTSS20.02S1四、D(Z)設(shè)計(jì)1、未平滑時(shí)的D(Z)用一階差分代替微分運(yùn)算：D(Z)Y(Z)X(Z)

TD(1Z1)T式中TD為微分時(shí)間常數(shù)，T為計(jì)算機(jī)采樣周期。2、平滑后的D(Z)微分平滑運(yùn)算原理如圖：xk-3k-2 xk-3k-2 xxk-1T0.5T0.5TTx xt取Y*(K)為四個(gè)點(diǎn)的微分均值，有Y*(K)TD(XKX

XKX

XXK2XXK2)4TTD(X6T

1.5K3X

K

3X

K2

0.5XK3)

1.5 D(Z)Y(Z)X(Z)

TD(13Z13Z2Z3)6T五、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖六、仿真實(shí)驗(yàn)記錄參數(shù)設(shè)置R、C波形記錄未平滑T=0.02sTD=0.01sD(Z)=平滑T=0.02sTD=0.01sD(Z)=未平滑T=0.04sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.04sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.02sTD=0.02sD(Z)=平滑T=0.04sTD=0.01sD(Z)=思考題1、微分噪音與采樣噪音和采樣周期T有什么關(guān)系？與微分時(shí)間常數(shù)有什么關(guān)系？2、平滑后系統(tǒng)輸出有無改善是否一定需要平滑？實(shí)驗(yàn)三：積分分離PID控制仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、學(xué)會(huì)PID三個(gè)系數(shù)的選取。2、了解積分分離值的模擬實(shí)驗(yàn)選取。3、掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理R+×E+++-S(0.3S1)(0.25SR+×E+++-S(0.3S1)(0.25SPID++1eTS50C四、PID算法tpPID控制規(guī)律為：tp

IU(t)KI

[e(t)1

e(t)dtT

de(t)]0 D T其中：e(t)為控制器輸入；U(t)為控制器輸出。對(duì)上式進(jìn)行零初始條件下的拉氏變換，T得PID控制器的傳遞函數(shù)：D(S)U(S)KE(S) 五、整定調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)開環(huán)增益

1TIS

TDS)KPKpu（：T0.167Tu，Kp＝0.27/Kpu，TI＝0.4Tu，TD＝0.22Tu六、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖七、自定義函數(shù)設(shè)計(jì)（functiony=jffl(x)EI=5(或2)ifabs(x)<=EIy=xelsey=0end55msEIKPKIKP/TIKDKPTDMptsⅠ用臨界比例帶法整定參數(shù)50.585.750.030.61.1Ⅱ用Ⅰ欄PID參數(shù)，EI修改2Ⅲ較佳的PID參數(shù)5Ⅳ用Ⅲ欄PID參數(shù)，EI修改2（）九、思考題１、當(dāng)積分分離值EI取得最大時(shí)，還是積分分離式控制嗎？若取最小呢？２、試分析比例控制、微分控制、積分控制在系統(tǒng)中的作用。實(shí)驗(yàn)四：最小拍有紋波系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.掌握最小拍有紋波系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制脈沖傳函D(Z)的設(shè)計(jì)方法。2.了解該系統(tǒng)對(duì)三種典型輸入的適應(yīng)性。3.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理如圖RCE

D(Z)計(jì)算輸出控制量U。RR+×C－5S(S1)1eTSSD(Z)四、D(Z)設(shè)計(jì)

D(Z)(S)GZZeZDZ

5S(S

；T＝１s；R(t)＝１t2.5；五、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖六、仿真波形記錄輸入函數(shù)R、C波形記錄階躍輸入斜坡輸入拋物線輸入七、思考題1.系統(tǒng)對(duì)三種典型輸入適應(yīng)性如何？2.設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否相符？為什么？3.最小拍系統(tǒng)受什么限制而使調(diào)整節(jié)拍增加？實(shí)驗(yàn)五：最小拍無紋波系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、掌握最小拍無紋波系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制脈沖傳函

D(Z)的設(shè)計(jì)方法。2、掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理如圖RD(ZU。RR+×C－5S(S1)1eTSSD(Z)D(Z)四、D(Z)設(shè)計(jì)(S)GZZeZDZ

5S(S

；T＝１s；Rt＝t；五、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖六、仿真波形記錄輸入函數(shù)R、C波形記錄階躍輸入斜坡輸入拋物線輸入七、思考題最小拍無紋波系統(tǒng)輸出是否無波紋？為什么？實(shí)驗(yàn)六：大林算法控制仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.DZ

設(shè)計(jì)。2.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理如圖延時(shí)一拍由采樣保持器滯后一拍輸入模擬量實(shí)現(xiàn)。－×10eTS－×10eTSS1D(Z)1eTSSDZ設(shè)計(jì)

D(Z)已知：

(S)

10eTSS1

, T,；eTS大林設(shè)計(jì)目標(biāo)定為：

(S)TS五、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖六、仿真波形記錄輸入函數(shù)R、C、Uh波形記錄階躍輸入斜坡輸入七、思考題1.大林算法控制系統(tǒng)對(duì)階躍輸入有無超調(diào)？為什么？2.大林算法與PID算法有什么本質(zhì)區(qū)別？實(shí)驗(yàn)七：振鈴的消除仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.了解控制器產(chǎn)生振鈴的原因。2.掌握大林算法消除振鈴的方法。3.掌握SIMULINK的仿真方法。二、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB5.3。三、實(shí)驗(yàn)原理如圖延時(shí)一拍由采樣保持器滯后一拍輸入模擬量實(shí)現(xiàn)。RR+×C－10eTSS11eTSSD(Z)D(Z)四、設(shè)計(jì)消除振鈴后的DZ已知：

(S)

10eTSS1

,T0.2s,R(t)2.5(t)；eTS大林設(shè)計(jì)目標(biāo)定為：

(S)TS五、SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖六、仿真波形記錄輸入函數(shù)R、C、Uh波形記錄階躍輸入斜坡輸入七、思考題1.振鈴產(chǎn)生的原因是什么？2.為什么要消除振鈴？3.消除振鈴前后系統(tǒng)輸出有什么不同？為什么？附錄一MATLAB下的仿真工具SIMULINK使用說明控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語言――MATLAB是國(guó)際控制界應(yīng)用最廣泛的語言和工具。SIMULINKMath1990SMUNSIMULINK一、SIMULINK仿真步驟：（一）建立控制系統(tǒng)模型框圖1.打開模型編輯窗口在MATLAB菜單上選擇File/New/Model，打開一個(gè)空白模型編輯窗口。2.打開模型圖元窗口SimulikLibraryBrowserSimulinkDiscrete（Functions&、math（、Nonlinear（、Signals&Systems（、Sinks（、Sources（。3.選擇、安排圖元FcnConstantTransterFcnIntegratorGainTransportDelay等；Discrete/DiscreteTransterFcnZeroOrderHold等；Nonlinear/Saturation、DeadZone；math/Sum、Gan等；Signals&Systems/Mux；Sinks/ScopeGraphScope4.連接（oratRoaeBlokoat/pBock（二）設(shè)置參數(shù)1.模塊參數(shù)設(shè)置epenalau（nalaueequencPaNueaorenonaoSapenea（oerouputiUpperoutputlimit）等。2.仿真控制參數(shù)設(shè)置（Simulation/Parameters）2/34/5Runge-KuttaLinSim1在編輯系統(tǒng)框圖和設(shè)置參數(shù)過程中隨時(shí)都可在MATLAB菜單中選擇File/Save或Saveas...進(jìn)行保存，以備后用。（三）運(yùn)行Si