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计算机控制工程实验一 实验目的 试验目的：1了解计算机控制系统的基本构成结构和掌握计算机控制系统的原理；熟悉计算机控制系统的设计过程。
2掌握控制器的设计方法；能够利用最小拍有纹波，最小拍无纹波，大林算法，数字PID 四种方法设计数字控制器。
并体会四种算法设计的不同。
比较不同控制器的设计方法的区别，在编程和仿真的过程中，学习MATLAB 软件的使用，通过Matlab 工具仿真控制效果，掌握不同控制器的特点；3 通过本实验积累在具体控制工程中分析与解决具体问题的能力，并熟悉设计控制系统的过程。
4 对仿真结果进行分析，体会不同的设计思想，加深对计算机控制系统设计的理解 二 实验任务 实验对象结构：D(z)是待设计的数字控制器，G(s)是被控对象的连续传递函数，G h (s)是零阶保持器，T 为采样周期G(s)有两种：传函G 1：()Se s G S S s G Tsh --=+=1)(,)2(2传函G 2：()Se s G S e s G Tsh S ---=+=1)(,22 T=0.5 试分别设计控制算法(D(z))使输出Y(t)能够跟踪v(t)参考输入，v （t ）有三种：1单位阶跃 2单位速度3随动信号：设输入信号包含上升、平顶和下降阶段或改用加速度信号设计4种控制器：1数字PID2大林算法3最小拍（最速跟踪） 4最小拍无纹波三 数字控制器的设计、实验设计与仿真结果 1 有纹波的最小拍控制器（1）传函G 1的最小有纹波控制器设计广义对象的Z 传递函数为：故输入阶跃信号时被控对象为G 1(s)的控制器设计对单位阶跃信号，1=q 所以，因为， 且)('1z F 的首项为1，所以有，)('1z F =1， 即则数字控制器为： 输入阶跃信号时被控对象为G 1(s)的控制器设计：)368.01)(1()717.01(184.0)2(21)(1111-------+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⋅-=z z z z s s s e Z z G Ts 11111=-===---j z N M d ，，，)()('1z F z z -=φ)()1()('11z F z z e --=φ01)(deg '1=-+=-m d z F )1()(1--=z z e φ1)(1)(-=-=z z z e φφ)717.01()368.01(43.5)()()(1)(11--+-=⋅=z z z z z G z D eφφ输入阶跃信号时被控对象为G 1(s)的仿真结果：输入速度信号时被控对象为G 1(s)的控制器设计对单位速度信号，2=q 所以，因为， 且)('1z F 的首项为1，所以有，)('1z F =1， 即则数字控制器为：输入速度信号时被控对象为G 1(s)的控制器设计:)()('1z F z z -=φ)()1()('121z F z z e --=φ01)(deg '1=-+=-m d z F 21)1()(--=z z e φ212)(1)(---=-=z z z z e φφ)717.01)(1()368.01)(5.01(86.10)()()(1)(1111----+---=⋅=z z z z z z z G z D e φφ输入速度信号时被控对象为G 1(s)的仿真结果：输入随动信号时被控对象为G 1(s)的控制器设计设计的随动信号是有单位速度信号叠加而成的，最高阶次为2，设计的控制器与单位速度信号相同。
《计算机控制系统》作业参考答案作业一第一章1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。
答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。
图1.3-2 典型的数字控制系统1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。
答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。
②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。
③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。
④分布式计算机控制系统。
以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。
1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。
与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：(1)控制规律灵活，可以在线修改。
(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.(3)抗干扰能力强，稳定性好。
第1篇一、实验目的1. 掌握系统控制的基本原理和方法。
2. 熟悉最少拍控制系统的分析方法。
3. 了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。
4. 培养实验操作能力和数据分析能力。
二、实验原理最少拍控制系统是一种直接数字设计方法，其目的是使闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。
其闭环传递函数具有形式：\[ G(s) = \frac{1}{(z-1)^N} \]其中，N是可能情况下的最小正整数。
这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。
三、实验设备1. 硬件环境：- 微型计算机一台，Pentium 4以上各类微机2. 软件平台：- 操作系统：Windows 2000- 仿真软件：MATLAB6.0四、实验内容与步骤1. 计算控制器：- 按照系统要求计算最少拍有纹波控制器。
2. 构造系统结构图模型：- 在Simulink下构造系统结构图模型。
- 取输入信号为单位阶跃信号和单位速度信号。
3. 设计控制器：- 设计控制器，观察输入输出波型，标明参数，打印结果。
4. 观察系统输出波形：- 观察系统输出波形在采样点以外的波形。
五、实验结果与分析1. 单位阶跃输入下的最少拍有纹波控制系统：- 通过仿真，可以得到单位阶跃输入下的最少拍有纹波控制系统的输出波形，如图1-2所示。
- 从图中可以看出，系统在3个采样周期内达到稳态，且稳态误差较小。
2. 单位速度输入下的最少拍有纹波控制系统：- 通过仿真，可以得到单位速度输入下的最少拍有纹波控制系统的输出波形。
- 从图中可以看出，系统在3个采样周期内达到稳态，且稳态误差较小。
3. 输入信号对系统的影响：- 通过改变输入信号，可以观察到输入信号对系统输出波形的影响。
- 例如，当输入信号为单位阶跃信号时，系统输出波形呈现出明显的纹波现象；而当输入信号为单位速度信号时，系统输出波形则较为平滑。
计算机控制系统实验报告学院机电工程学院专业电气工程及其自动化姓名__________________学号__________________实验一已知闭环Z 传递函数321() 1.40.070.26W z z z z =+-- （1） 判定系统的稳定性。
一、实验目的1、掌握离散系统稳定的充要条件；2、掌握稳定的物理意义；a. 有界输入得到有界输出；b. 李雅普诺夫稳定判据；3、熟悉matlab 以及simulink 的基本应用。
二、实验设备计算机、matlab2012a 软件三、实验理论分析判断系统的稳定性，可以通过分析闭环传递函数的极点分布情况判定。
如果系统极点都在z 平面内单位圆内，则系统稳定，否者，系统不稳定。
另外，也可以通过matlab 软件仿真系统在阶跃函数下的输出波形，来判定系统是否稳定。
四、实验内容及步骤 1、实验内容：（1）计算系统的极点分布，据此判断系统的稳定性；（2）给出系统在特定输入作用的输出波形，并据此判断系统的稳定性。
2、实验步骤：（1）用MATLAB 求出系统闭环传递函数的极点分布，算法及结果如下： >> a=1;>> b=[1 1.4 -0.07 -0.26]; >> G=tf(a,b); >> G1=zpk(G) G1 =1----------------------- (s+1.3) (s+0.5) (s-0.4)（2）用simulink 模块仿真单位阶跃信号下系统输出，结构框图及输出波形分别如下图a 和b 。
图a图b（3）根据李雅普诺夫判据验证系统抗干扰的能力，结构框图及系统输出如下图c，d所示。
图C图 D五、实验数据分析(1) 由matlab 计算的系统闭环传递函数极点分布为-1.3、-0.5、0.4，由于存在z 平面内单位圆外的极点z=-1.3，所以该系统不稳定。
(2) 由simulink 仿真的系统单位阶跃信号作用下输出结果，以及李雅普诺夫判据可得，该系统输出不稳定，即该系统不稳定。
.《计算机控制技术》实验报告班级：学号：姓名：信息工程学院2016-2017-2实验1：D/A转换实验实验名称：D/A转换实验一．实验目的学习D/A转换器原理及接口方式，并掌握TLC7528芯片的使用。
二．实验原理TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。
会将数字信号转换成模拟信号。
三．实验容本实验输入信号：8位数字信号本实验输出信号：锯齿波模拟信号本实验数/模转换器：TLC7528输出电路预期实验结果：在虚拟示波器中显示数字信号转换成功的锯齿波模拟信号的波形图。
四．实验结果及分析记录实验结果如下：结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。
D/A就是将数字量转化为模拟量，然后通过虚拟示波器显示出来，表现为电压的变化。
1.实验2：采样与保持实验实验名称：信号采样与保持一．实验目的1.熟悉信号的采样与保持过程2.学习和掌握采样定理3.学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号二．实验原理香农(采样) 定理：若对于一个具有有限频谱(|W|<Wmax)的连续信号f (t)进行采样，当采样频率满足Ws≥2Wmax 时，则采样函数f*(t) 能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。
Wmax 为信号的最高频率，Ws 为采样频率。
三．实验容本实验输入信号：正弦波模拟信号本实验输出信号：正弦波数字信号本实验采样信号：方波预期实验结果：1.在模拟示波器中成功显示采样与保持的正弦波信号。
2.成功在模拟示波器中还原输入的正弦波信号。
四．实验结果及分析记录实验结果如下：零阶保持增大采样周期失真3.直线采值二次曲线结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。
实验3：数字滤波实验实验名称：数字滤波一．实验目的1.学习和掌握一阶惯性滤波2.学习和掌握四点加权滤波二．实验原理一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。
由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：三．实验容本实验输入信号：正弦信号干扰信号本实验输出信号：正弦波模拟量本实验采样信号：周期为5ms的方波本实验被控对象：预期实验结果：输入为带有毛刺的正弦波，经过滤波后，输出为正弦波信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：5.结果分析：不同采样周期对实验结果的影响，使用理论分析这一结果。
《计算机控制系统》硬件部分实验指导书机电工程系杨大志付伶郭天石四川理工学院2007年10月目录实验一数/模转换与模/数转换 (1)实验二采样与保持 (4)实验三积分分离PID控制 (8)实验四最小拍控制系统 (12)实验五大林算法 (17)附录一TDN-AC/ACS+系统使用说明 (21)附录二实验程序流程图 (29)注：实验一、二为基础性实验，实验三、四、五为综合性实验。
实验一数/模转换与模/数转换一、实验目的1、熟悉模/数转换的电路工作原理2、熟悉数/模转换的电路工作原理3、掌握模/数转化的量化特性4、熟悉多路数/模转换电路的工作原理二、实验设备1、计算机控制实验装置一台2、计算机一台3、万用表三、实验原理图1-1如图1-1示，8088CPU的OPCLK与ADC0809单元电路的CLOCK相连作为ADC0809的时钟信号。
ADC0809芯片输入选通地址码A、B、C为“1”状态（接+5V），选通输入通道IN7。
通过电位器W141给A/D转换器输入-5~+5V模拟电压。
8253的2#口用于5ms定时输出OUT2信号启动A/D转换器，由8255口A为输入方式。
A/D转换的数据通过A口采入计算机，送到显示器上显示，并由数据总线送到0832的输入端。
选用8088的地址输入信号IOY0为片选信号（CS），XIOW信号为写入信号（WR），D/A转换器的口地址为00H。
调节W141即可改变输入电压，可在调试窗口中看到ADC对应输出的数字量，同时这个数字量也是DAC的输入数码。
四、实验线路实验线路如图1-1，图1-2，图1-3所示。
图中大部分线已接好，只需接入“ ”的线，并把电源部分用短路块短接有“短路”标志的地方即可。
图1-2五、实验内容和步骤1、单路模/数与转换实验（1）按图1-1接线，接好后仔细检查，确定无误后方可接通实验箱的电源。
（2）打开实验箱电源，双击图标执行计控实验程序ACS2002，选择默认串口1，使通讯成功。
微机控制技术实验报告课程设计报告课题：最少拍控制算法研究专业班级：自动化1401 姓名：学号：指导老师：朱琳琳全文结束》》年5月21日目录1、实验目的32、控制任务及要求33、控制算法理论分析34、硬件设计55、软件设计5无纹波5有纹波76、结果分析97、课程设计体会101、实验目的本次课程设计的目的是让同学们掌握微型计算机控制系统设计的一般步骤，掌握系统总体控制方案的设计方法、控制算法的设计、硬件设计的方法。
学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。
复习单片机及其他控制器在实际生活中的应用，进一步加深对专业知识的认识和理解，使自己的设计水平、对所学知识的应用能力以及分析问题解决问题的能力得到全面提高。
2、控制任务及要求1、设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍有纹波控制和无纹波控制。
对象特性G（s）＝采用零阶保持器H0（s），采样周期T＝0、1,试设计单位阶跃，单位速度输入时的有限拍调节器。
2、用Protel、Altium Designer等软件绘制原理图。
3、分别编写有纹波控制的算法程序和无纹波控制的算法程序。
4、绘制最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线，并分析。
3、控制算法理论分析在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。
最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。
它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。
显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z平面的坐标原点处。
1最少拍控制算法计算机控制系统的方框图为：图7-1 最少拍计算机控制原理方框图根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：(1)(2)由(1)、(2)解得：随动系统的调节时间也就是系统误差达到零或为一恒值所需的时间，由Z变换定义可知：有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当时，恒为零或恒为一常量。
《计算机控制系统》考试试卷（A）卷考试形式：闭卷考试时间： 120 分钟满分： 100 分。
题号一二三四五总分得分评阅人注意：1、所有答题都须写在此试卷纸密封线右边，写在其它纸上一律无效。
2、密封线左边请勿答题，密封线外不得有姓名及相关标记。
得分一、填空题（共10空，每空2分，共20分）1.计算机控制系统就是利用来实现生产过程。
2.最少拍设计，是指系统在典型输入信号作用下经过，使系统输出的为零。
3.已知时间函数T，则该函数的星号拉式变换为，其z变换为。
4.的z反变换为。
5.已知时间函数的z变换，则其初值为，终值为。
6.已知数字控制器为，设采样周期为T，则按低增益零极点匹配法设计，数字控制器D(z)为。
敛的，位于负实轴上的极点对应的暂态响应也是单调一致收敛的。
（）（2）大林算法的设计目标是使闭环传递函数相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联，并且期望纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完全相同。
（）（3）离散控制系统能够通过状态反馈实现任意极点配置的前提条件是系统是能观。
（）（4）零阶保持器是一个低通滤波器，高频信号通过零阶保持器不能完全滤除，同时产生相位超前。
（）（5）模拟控制器稳定，则采用脉冲响应不变法离散近似后的数字控制器也可保证稳定。
（）（6）离散控制系统中的振铃现象是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。
（）（7，则零初始条件下，其低频增益为0.75。
（）（8）最少拍设计是采用z变换进行的，在采样点处和采样点间均是闭环反馈控制。
（）（9）离散闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点的幅值要小于1。
（）（10）对于采样后的离散系统如果能观，则原连续系统一定也是能观的。
（）得分三、简述题（共3小题，每小题5分，共15分）1.z变换有哪几种基本定理？2.简述一下计算机控制中的采样及采样过程，并说明采样信号与数字信号的联系与区。
3.简述一下计算机控制系统中的数字控制器的直接设计法，并说明有什么特点。
实验二 最少拍计算机控制系统的设计一、实验目的：1．学习并掌握有纹波最少拍控制器的设计和Simulink 实现方法；2．理解最少拍控制系统对三种典型输入的适应性及输出采样点间的纹波； 二、实验工具：MATLAB 软件（6.5 版本）。
三、实验内容： 1．实验原理最少拍设计，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）使系统输出的系统稳态误差为零。
因此，最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统，它实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统调节时间最短或尽可能短，即对闭环Z 传递函数要求快速性和准确性。
下面以一个具体实例介绍最少拍系统的设计和仿真。
考虑图1所示的采样数字控制系统，被控对象的脉冲传递函数为0210G ()(1)s s s =+图0 最少拍采样数字控制系统设采样周期T=1s ，首先求取广义被控对象的脉冲传递函数： 广义被控对象21112111111110()[](1)11(1)10[](1)110.36793.679(10.718)(1)(10.3679)Ts e G z Z s s s z z z z z z z z z -----------=+=-⨯-+---+=--我们知道，最少拍系统是按照指定的输入形式设计的，输入形式不同，数字控制器也不同。
因此，对三种不同的输入信号分别进行考虑： ① 单位阶跃信号：计算可得到最少拍数字控制器为1111()()1()0.2712(10.3679))()()(1())10.718e z z z z z z D z G z z z ----Φ=Φ=-Φ-==-Φ+检验误差序列：()(1())()1E z z R z =-Φ=由误差的变换函数得知，所设计的系统当k>1后，e （k ）=0就是说，一拍以后，系统输出等于输入，设计正确。
② 单位速度信号：原理同上，我们可以得到：1111()0.5434(10.5)(10.3679)()()(1())(1)(10.718)z z z D z G z z z z ----Φ--==-Φ-+ 检验误差：1()(1())()E z z R z z -=-Φ=从E(z)看出，按单位速度输入设计的系统，当k 大于等于2之后，即二拍之后，误差e （k ）=0，满足题目要求。
微型计算机控制技术课程设计报告班级：自动化901ABC一、课题名称大林算法控制系统设计二、课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。
《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。
计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。
通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。
三、课程设计内容e s G(s)已知被控对象的传递函数为：s 1采样周期为T=0.5s ，用大林算法设计数字控制器D(z) ，并分析是否会产生振铃现象。
四、课程设计要求1、用大林算法设计数字控制器D(z) ；2、在Simulink仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制；3、绘制并分析数字控制器的振铃现象；4、对振铃现象进行消除;5、得出仿真结果并进行仿真分析;6、程序清单及简要说明;7、成设计说明书（列出参考文献，以及仿真结果及分析）。
五、大林算法控制系统方案设计在控制系统应用中，纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。
工业过程中如钢铁，热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。
对这类系统，控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。
由于纯延迟的存在，使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。
即使调节机构接受控制信号后立即动作，也要经过纯延时间t 后才到达被控量，使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。
当t>=0.5 T（T 为对象的时间常数）时，实践证明用PID 控制很难获得良好的控制品质。
计算机控制实验报告 姓名： 学号： 班级： 实验一 最少拍控制系统一、实验目的（1）学会对最小拍控制系统的分析方法。
（2）了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。
2．实验设备（1）硬件环境微型计算机一台， Pentium4以上各类微机 （2） 软件平台 操作系统：Windows 2000 仿真软件3．实验原理最少拍控制是一种直接数字设计方法。
所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。
它的闭环z 传递函数具有形式N N z z z z ---+++=Φφφφ 2211)(在这里，N 是可能情况下的最小正整数。
这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在N 个采样周期后变为零，从而意味着系统在N 拍之内到达稳态。
其控制原理如图1：图7—1 最少拍系统控制原理图(1)输入信号分别为单位阶跃输入和单位速度输入信号，设计控制器)(z D ; (2)采样周期T =1s 。
4.实验内容与步骤(1) 按系统要求计算)(z D 为有纹波控制器；(2)按照系统原理图，在simulin 下构造系统结构图模型；取输入信号为单位阶跃信号和单位速度信号，设计控制器，观察输入输出波型，标明参数，打印结果；（3）观察系统输出波形在采样点以外的波形。
5. 实验结果Zero -Pole2.1s (s+1.252)2Zero -Order HoldStepScope 1ScopesignalsignalDiscrete Zero -Pole(z-1)(z-0.286)(z+0.2)(z+0.735)图1-2 单位阶跃输入下最少拍有纹波控制系统仿真结构模型6. 思考与分析（1）最少拍受什么限制而使调整节拍增加答：最少拍控制系统设计出来的闭环系统，在有限拍后进入稳态，这时闭环系统输出在采样时间精确的跟踪输入信号。
如单位阶跃信号在一拍后，单位速度在两拍后，单位加速度信号则在三拍后。
