最小拍控制系统设计

计算机过程控制系统课程设计最小拍控制系统设计学校：武昌理工学院院系：信息工程学院自动化系班级：姓名：学号：时间：目录1. 课程设计任务书 (3)1.1设计准备 (3)1.2设计题目 (3)1.3设计任务 (3)1.4设计技术参数 (3)1.5设计内容 (4)1.6应完成的技术文件 (4)1.7设计时间 (4)1.8参考资料 (4)2．课程设计说明书 (5)2.1综述 (5)2.2 被控对象稳定且不包含纯滞后环节的最少拍控制器设计 (5)3. 设计计算书 (8)3.1 广义脉冲传递函数的求取 (8)3.2最小拍控制器的设计 (9)3.2.1单位阶跃信号 (9)3.2.2单位速度信号 (9)4最小拍控制的simulink仿真模型 (10)4.1单位阶跃信号的simulink仿真模型 (10)4.2单位速度信号的simulink仿真模型 (12)4.3仿真模型结果分析 (13)1. 课程设计任务书1.1设计准备本课程设计涉及：自动控制原理，计算机控制系统1.2设计题目最小拍控制系统设计1.3设计任务采用零阶保持器的单位反馈离散系统，被控对象为2()(1)(2)p G s s s =++，如下图所示，其中0()H s 为零阶保持器，()p G s 为被控对象，()D z 即为待设计的最少拍控制器。

设计实现最小拍控制的simulink 仿真模型，要求按照单位阶跃输入和单位速度输入设计最小拍控制器，观察其输出曲线，分析最小拍控制器设计的特点。

最少拍系统框图1.4设计技术参数1) 采样周期T 设置为1s 。

2) 零阶保持器01()Tse H s s-=。

3) 本文所指最少拍系统设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。

4) 广义被控对象的脉冲传递函数在z 平面单位圆上及单位圆外没有极点，且不含有纯滞后环节。

1.5设计内容1)编写课程设计说明书。

最少拍控制系统课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握最少拍控制系统的原理、设计和应用，培养学生分析和解决自动控制问题的能力。

具体目标如下：1.知识目标：–掌握最少拍控制系统的概念、原理和特点。

–了解最少拍控制系统的设计方法和步骤。

–熟悉最少拍控制系统的应用领域和实际工程中的应用。

2.技能目标：–能够运用最少拍控制理论分析和解决自动控制问题。

–具备使用最少拍控制系统设计和优化控制器的能力。

–能够进行最少拍控制系统的仿真和实验操作。

3.情感态度价值观目标：–培养学生的创新意识和团队合作精神，提高学生解决实际问题的能力。

–增强学生对自动控制领域的兴趣和好奇心，激发学生进一步学习的动力。

–培养学生的工程责任感和职业道德，使学生在设计和应用最少拍控制系统时能够考虑到安全、环保和社会影响。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括最少拍控制系统的原理、设计和应用。

具体内容如下：1.最少拍控制系统原理：–介绍最少拍控制系统的概念和基本原理。

–分析最少拍控制系统的优势和特点，与其他控制系统的比较。

–讲解最少拍控制系统的数学模型和控制器设计方法。

2.最少拍控制系统设计：–介绍最少拍控制系统的设计步骤和流程。

–讲解最少拍控制系统的控制器参数选择和调整方法。

–分析最少拍控制系统在实际工程中的应用和案例。

3.最少拍控制系统应用：–介绍最少拍控制系统在各个领域的应用，如工业自动化、机器人、交通运输等。

–分析最少拍控制系统在实际工程中的优势和局限性。

–探讨最少拍控制系统的发展趋势和未来挑战。

三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法相结合的方式。

具体方法如下：1.讲授法：教师通过讲解最少拍控制系统的原理、设计和应用，引导学生理解和掌握相关知识。

2.讨论法：学生进行小组讨论，鼓励学生提出问题、分享观点，培养学生的思考和沟通能力。

3.案例分析法：通过分析实际工程中的最少拍控制系统案例，使学生能够将理论知识应用于实际问题。

最小拍控制系统及直流电机闭环调速控制系统设计和实现实验报告班级：xx姓名：xx学号：xx时间：第16周周日9-12节指导老师：xx老师最小拍控制系统一．实验目的1.掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。

2.掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。

二．实验设备PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块三．实验原理典型的最小拍控制系统如图4.1-1所示，其中 D(Z)为数字调节器，G(Z) 为包括零阶保持器在内的广义对象的Z 传递函数，Φ (Z)为闭环Z 传递函数，C(Z) 为输出信号的Z 传递函数，R(Z) 为输入信号的Z 传递函数。

1．最小拍有纹波系统设计。

图4.1-2是一个典型的最小拍控制系统。

针对阶跃输入，其有纹波系统控制算法可设计为：2．最小拍无纹波系统设计。

有纹波系统虽然在采样点上的误差为零，但不能保证采样点之间的误差值也为零，因此存在纹波现象。

无纹波系统设计只要使U(Z) 是Z-1的有限多项式，则可以保证系统输出无纹波。

即：式中 Pi 、Z i――分别是G(Z) 的极点和零点。

为了使U(Z) 为有限多项式，只要Φ (Z)的零点包含G(Z) 的全部零点即可，这也是最小拍无纹波设计和有纹波设计的唯一不同点。

如图4.1-2所示，针对单位斜波输入，无纹波系统控制算法可设计为：3．实验接线图。

图4.1-2所示的方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部 1 ＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7 号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX 的I/O 管脚P1.0 ，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

4．数字控制的实现。

图4.1-4是数字控制器实现的参考程序流程图。

四．实验步骤1. 参考流程图4.1-4编写程序，检查无误后编译、链接。

实验六 最小拍控制系统一、实验目的1．掌握最少拍有纹波系统和最少拍无纹波系统的计算机控制脉冲传函数D （Z ）的设计方法。

2．了解最少拍设计的饱和非线性条件及改进设计。

二、实验仪器与设备1．TDN —ACS 实验教学系统一台 2．PC 微机一台 3．电阻电容若干三、实验原理（一）最小拍有纹波系统1．原理见图6—1。

R 为输入，C 为输出，计算机对误差E 定时采样按D （Z ）计算输出控 制量U 。

图中K=5。

图6—1针对阶跃输入进行计算机控制算法D （Z ）设计。

2．D（Z）算法采样周期T=1S ，（Z ）为计算机输入，U （Z ）为输出，有：32133221101)()()(−−−++++++==Z P ZP Z P Z K Z K Z K K Z E Z U Z D式中K i 与P i 取值范围：–0.9999~+0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD 码。

最低字节存符号，00H 为正，01H 为负。

中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。

例有系数0.1234，则内存为：地址 内容2F00H 00H 2F01H 12H 2F02H 34H程序运行时转换为二进制模2定点小数。

注意，D （Z ）中缺项相当于系数为零， 应在相应内存三字节全存入00H 。

系数存储安排如表6—1表6—12F00H 2F0CH 2F01H 2F0DH 2F02H 2F0EH K 0P 12F03H 2F0FH 2F04H 2F10H 2F05H 2F11H K 1P 22F06H 2F12H 2F07H 2F13H 2F08H 2F14HK 2P 3 2F09H2F0AH 2F0BHK 3将D （Z ）式写成差分方程，则有：3322113322110−−−−−−−−−+++=K K K K K E K K U P U P U P E K E K E K E K U式中E K ~ E K-3，误差输入；U K ~ U K-3 ，计算机输出。

一、在最少拍设计时,()z Φ及()e z Φ的选取应遵循下述原则:1）()e z Φ的分子中必须包含1(1)m z --因式（保证系统稳态误差为零）。

注意：1()(()1)m e Φz z F z -=-，式中：()F z 为不含1(1)z --因子的待定的1z -的有限项多项式。

一般取12()1...F z az bz --=+++为有限项多项式。

2）以1z -为变量的()z Φ展开式的项数应尽量少（保证瞬态过程在有限拍内结束，保证随动系统为最少拍系统）.3）()c G z 应是物理可实现的有理多项式，其零点数不能大于极点数(即()z Φ的分母与分子阶次之差应大于、等于()G z 的分母与分子的阶次之差）。

一般已知的()G z 这条都满足。

4)()e z Φ的零点必须包含()G z 中位于单位圆上及单位圆外的极点（保证闭环系统稳定）。

5）()z Φ的零点必须包含()G z 中位于单位圆上及单位圆外的零点（保证控制器稳定）。

6）()z Φ中必须包含()G z 中的纯延迟环节（保证控制器是物理可实现的)。

注意：前3条一定需要，后三条不一定需要。

二．最少拍系统设计实例情况1:假定()G z 无延迟,且不含不稳定零点和不稳定极点（即不含单位圆上和单位圆外的零极点（1,1i i p z ==除外）），且()G z 的分母多项式最多比分子多项式高一次。

在上述条件下构造()Φz 和时,只需考虑设计原则中的前三条即可，故取1()(1)()m e Φz z F z -=-，()1F z =.下面就再这样的假设条件下,讨论最少拍系统在不同典型输入作用下，数字控制器脉冲传递函数()c G z 的确定方法。

比如:单位阶跃输入：-——-—-——-—-—最少拍设计开始——---—-——-———-————- 当()1()r t t =时，有[]11()1()1R z Z t z-==-,则取()1F z = 111()(1)()1()1()m e e z z F z z z z z---Φ=-=-Φ=-Φ= 所以，数字控制器脉冲传递函数为：11()()()()(1)()c e z z G z G z z z G z --Φ==Φ- ———--—-—-———最少拍设计到此结束——-———-——注意：几拍?看误差脉冲序列和输出脉冲序列的Z 变换。

计算机控制系统最小拍控制课程设计
计算机控制系统最小拍控制课程设计可以包括以下内容：
1. 课程介绍和基础知识讲解：介绍计算机控制系统最小拍控制的概念、基本原理和应用领域，讲解相关的基础知识，如性能指标、拍控制算法等。

2. 拍控制算法设计：讲解常用的拍控制算法，如PID算法、经典滑模控制算法等，介绍其原理和应用，以及控制参数的选取方法。

3. 拍控制系统建模与仿真：介绍拍控制系统的建模方法，如状态空间法、传递函数法等，讲解系统的稳定性分析和性能评估方法。

通过仿真软件或实验平台进行系统仿真，验证控制算法的有效性。

4. 实时拍控制系统设计：介绍实时拍控制系统的硬件平台选择与设计，如微处理器、嵌入式系统等，讲解实时操作系统的基本原理和应用。

通过案例分析或小组项目，设计并实现一个实时拍控制系统。

5. 系统性能优化：介绍拍控制系统的性能优化方法，如模型预测控制、自适应控制等，讲解参数整定和鲁棒性设计方法。

通过案例分析或小组项目，使用优化方法对实时拍控制系统进行改进和优化。

6. 实验和实践训练：组织实际的实验和项目，让学生通过实践
理解和掌握拍控制技术的应用和实施过程。

可以通过实验箱、传感器、执行器等硬件设备，进行实际的系统控制和调试。

7. 课程评估和考核：通过作业、实验报告、小组项目等方式进行课程评估和考核，评估学生对拍控制理论和应用的理解和掌握程度。