《计算机控制系统》实验报告
学校：上海海事大学
学院：物流工程学院
专业：电气工程及其自动化
姓名：***
学号：************
一、实验课程教学目的与任务
通过实验设计或计算机仿真设计，使学生了解和掌握数字PID控制算法的特点、了解系统PID参数整定和数字控制系统的直接设计的基本方法，了解不同的控制算法对被控对象的控制特性，加深对计算机控制系统理论的认识，掌握计算机控制系统的整定技术，对系统整体设计有一个初步的了解。
根据各个实验项目，完成实验报告（用实验报告专用纸）。
二、实验要求
学生在熟悉PC机的基础上，熟悉MATLAB软件的操作，熟悉Simulink工具箱的软件编程。通过编程完成系统的设计与仿真实验，逐步学习控制系统的设计，学习控制系统方案的评估与系统指标评估的方法。
计算机控制系统主要技术指标和要求：
根据被控对象的特性，从自动控制系统的静态和动态质量指标要求出发对调节器进行系统设计，整体上要求系统必须有良好的稳定性、准确性和快速性。一般要求系统在振荡2～3次左右进入稳定；系统静差小于3%～5%的稳定值（或系统的静态误差足够小）；系统超调量小于30％～50％的稳定值；动态过渡过程时间在3～5倍的被控对象时间常数值。
系统整定的一般原则：
将比例度置于较大值，使系统稳定运行。根据要求，逐渐减小比例度，使系统的衰减比趋向于4：1或10：1。若要改善系统的静态特性，要使系统的静差为零，加入积分环节，积分时间由大向小进行调节。若要改善系统的动态特性，增加系统的灵敏度，克服被控对象的惯性，可以加入微分环节，微分时间由小到大进行调节。PID控制的三个特性参数在调节时会产生相互的影响，整定时必需综合考虑。系统的整定过程是一个反复进行的过程，需反复进行。
实验一、数字PID 参数的整定
一、 实验目的
1）、了解数字PID 控制回路的结构。 2）、掌握数字PID 控制算法的控制原理。 3）、掌握数字PID 控制算法的整定原理。
二、 实验设备
1) WINDOWS 操作系统和MATLAB 软件。 2) PC 电脑。 三、 实验原理
在过程控制中，广义被控对象采用一阶对象，设计相应的数字控制器，使系统达到稳定，并满足一定的动态和静态指标。
例如：对象的传递函数为：s
s 25133
2
,按下图进行数字PID 控制系统设计，并确定数字PID 控制器的参数。 四、实验内容
1） 建立闭环数字控制系统。 2） 选择PID 数字调节器。
3） 将PID 三参数置于适当值，使系统稳定运行。 4） 整定比例度。 5） 整定积分时间。 6） 整定微分时间。
7） 对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。
五. 实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
六.实验结果分析
1.控制器PID程序：
function [u]=shiyan1f(u1,u2)
persistent errori error_1
if u1==0
errori=0;
error_1=0;
end
ts=0.001;
kp=2;
ki=0;
kd=0;
error=u2;
errord=(error-error_1)/ts;
errori=errori+error*ts;
u=kp*error+kd*errord+ki*errori;
error_1=error;
2.仿真模型：
3.Kp=2,Ki=0,Kd=0时波形如图1
调节Kp的值，
4.Kp=2,Ki=1,Kd=0时波形如图2
图 1 Kp=2,Ki=0,Kd=0时阶跃响应
图 2 Kp=2,Ki=1,Kd=0时阶跃响应5.Kp=2,Ki=1,Kd=10时波形如图3
6.结论
(1) 比例系数KP的作用与对系统性能的影响
对稳态特性的影响：在系统稳定的情况下，稳态误差与KP成反比关系，加大比例作用系数KP，可以减小稳态误差，提高控制精度，反之减小控制精度。但是，加大KP不能完全消除稳态误差。
对动态特性的影响：比例作用系数KP加大，会使系统的动作灵敏、响应速度加快。KP偏大，振荡次数变多，调节时间加长；当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的响应缓慢。
(2) 积分时间常数TI的作用与对系统性能的影响
对稳态特性的影响：积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度；但若TI太大，积分作用太弱，将不能减小稳态误差。
对动态持性的影响：积分时间常数TI偏小，积分作用强，由于积分具有迟后的特性，系统振荡次数较多；TI太大，对系统性能的影响减小。当时间常数TI合适时，动态过渡过程的性能比较理想。
(3) 微分时间常数TD的作用与对系统性能的影响
微分控制的作用反映偏差信号的变化率与一定的趋势，通过微分控制能够预先控制偏差，产生超前的校正作用，可用于改善系统动态特性。如减少超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度等。仅当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长。当TD偏小时，同样超调量和调节时间也都较大。只有TD取得合适，系统动态过程的调节才能得到比较满意的效果。
实验二、Smith算法的运用
一、实验目的
1）、了解Smith算法控制回路的结构。
2）、掌握Smith算法的控制原理。
3）、掌握Smith控制算法的设计原理。
二、实验设备
1) WINDOWS操作系统和MATLAB软件。
2) PC电脑。
三、实验原理
按下图进行Smith算法控制回路的设计，在过程控制中，广义被控对象采用一阶加纯迟后对象，设计相应的Smith控制控制器，使系统达到稳定，并满足一定的动态和静态指标。
四、实验内容
1）运行MATLAB文件。
2）运用Simulink按下图进行图形化编程。
3）采用Smith控制方法，在PID控制中（选用PI控制），取k p＝40，k i＝0.022，假设预测模型精确，阶跃信号输入取100。
4）观测Simulink仿真程序运行的结果。（仿真结果表明，Smith控制方法具有很好控制效果。）
5）进行系统整定；当参数适当值时，使系统稳定运行。
6）对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。
五.实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
六.结果与分析
1.开环系统模型及波形
2.实际预估器并联于控制器的系统模型
此时scope波形
3.补偿预估器并联于被控对象的系统模型
此时输出波形scope5
4.未加预估器的PID控制系统
由此可以发现Smith预估控制可以讲对象的迟延特性消除，再利用PID控制即可实现较为理想的控制。
实验三、二阶对象数字控制系统设计
一、实验目的
1）、了解二阶对象数字控制回路的结构。 2）、掌握二阶对象数字PID 算法的控制原理。 3）、掌握二阶对象数字PID 控制算法的设计原理。 二、实验设备
1) WINDOWS 操作系统和MATLAB 软件。 2) PC 电脑。 三、实验原理
按下图二阶对象数字控制回路的设计，在过程控制中，广义被控对象采用二阶对象，设计相应的PID 控制控制器，使系统达到稳定，并满足一定的动态和静态指标。广义被
控对象采用的传递函数为：
运用Simulink 按下图进行图形化编程。设计相应的数字控制器，使系统达
到稳定，并满足一定的动态和静态指标。
四、 实验内容
1） 建立闭环数字控制系统。 2） 选择PID 数字调节器。
3） 进行PID 三参数整定；当三参数适当值时，使系统稳定运行。 4） 整定比例度。 5） 整定积分时间。 6） 整定微分时间。
7） 对系统进行控制指标的综合考虑，系统反复调试。
五. 实验要求
1. 完成编程并检查是否有语法错误。
9418
.094.1001
.0003.02+-+=
z z z G p
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
六.实验结果与分析
1.程序
function [u]=chap4_7f1(u1,u2,u3) global s
persistent errori error_1
ts=0.001;
if u3==0
errori=0;
error_1=0;
end
s=2 %Selecting Signal Type if s==1 %Step Signal
kp=0.5;
ki=0.5;
kd=0.28;
elseif s==2 %Sine Signal
kp=40;
ki=0.28;
kd=0.0;
elseif s==3 %Square Wave Signal kp=0;
ki=0.0;
kd=0.28;
end
error=u2;
errord=(error-error_1)/ts;
errori=errori+error*ts;
u=kp*error+kd*errord+ki*errori;
error_1=error;
2.模型
调节的过程中首先使得积分和微分系数为0，首先调节比例系数Kp，再调节Ki由大到小调节，消除静差，最后调节Kd，减小调节时间，最后得到最优的控制器参数。
当输入信号为正弦信号时，
（1）无控制器时
（2）有PID控制器时，kp=40;ki=0.28;kd=0.0
微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。Kd=0，此时系统可以实现很
好的无静差跟随,。
当输入信号为方波信号时，
（1）无控制器时系统的超调量特别大，输出波形滞后
（2）有PID控制器时，kp=0;，ki=0.0，kd=0.28：
当输入信号为正弦信号时
（1）有控制器时kp=1.5,ki=1.3;kd=0.4;
（2）无控制器时，系统的超调量特别大，输出波形滞后
结论
1.比例控制：就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在静差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。
2.微分控制：它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。
3.积分控制：实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有
关，而且还与偏差持续的时间有关。