《计算机控制系统》实验手册
《计算机控制系统》实验手册
上海海事大学电气自动化系施伟锋
上海海事大学电气自动化实验中心李妮娜
目录
1《计算机控制系统》实验指导(Matlaｂ版) (2)
实验一数字PID参数的整定 (3)
实验二Ｓmith算法的运用..........................................５实验三二阶对象数字控制系统设计..............................７实验四达林控制算法的运用 (9)
2 《计算机控制系统》实验指导(DSP版） (11)
实验一实验系统介绍与CＣS软件使用入门 (11)
实验二数字I/O实验—交通灯实验 (26)
实验三PWM输出实验１——直流电机控制实验 (30)
3 《计算机控制系统》课程设计指导（Ｍatlab版）………3３
4 《计算机控制系统》课程设计指导（DSＰ版) (35)
5 《计算机控制系统》课程设计报告或小论文格式 (40)
《计算机控制系统》实验指导
（Ｍaｔlab 版)
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Ｓiｍuli ｎk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:
将比例度置于交大值,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P ＩD 参数的整定
一、 实验目的
1)、了解数字ＰI Ｄ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） WI ＮＤO ＷS 操作系统和MAT ＬA Ｂ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。
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 =0.0２2,假设预测模型精确，阶跃信号输入取100。
ｉ
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。
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P ＩＤ控制算法的设计原理。
二、实验设备
1) W ＩNDOWS 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Ｓi ｍｕｌi ｎｋ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。
9418
.094.1001.0003.02+-+=
z z z G p
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。
实验四 达林控制算法的运用
一、实验目的
1）、了解达林控制算法的控制回路的结构。 2)、掌握达林控制算法的使用方法。 3)、掌握达林控制算法的编程原理。
二、实验设备
1) WINDOWS 操作系统和MATLAB 软件。 2) PC 电脑。 三、实验原理
达林算法的SIM ＵL ＩＮK 仿真模型见图。达林算法适用于一、二阶惯性加纯滞后对象，仿真模型仅对工业控制中常见的一阶惯性加纯滞后对象作仿真。若要仿真二阶对象,不难在此仿真模型上修改进行。
五、 实验内容
1）建立达林控制算法的闭环数字控制系统。
2） 假设对象模型s e s s G 301
42
)(-+=
,要求闭环系统时间常数5.4=τT 秒,取采样周期T ＝1秒。先按对象的参数去设置控制器参数，然后运行仿真模型。
3） 若欲缩短调节时间，可将闭环时间常数改为2=τT 秒，采样周期仍为T=1秒,再次仿真。
4） 观察系统的动态过程，注意控制量的变化情况。
5） 观察系统输出都没有纹波出现,说明在纯滞后时间是采样周期的整数倍时,无论闭环系
统时间常数τT 是大于还是小于惯性时间常数，系统输出都是没有纹波的。倘若纯滞后时间不是采样周期的整数倍时,系统输出将会发生波动。
6） 设2=τT 秒,采样周期改为T=1.３秒，再次仿真。若再缩短采样周期,系统的输出波动将
更厉害。
7）对系统进行控制指标的综合考虑,系统反复调试。
8）达林算法控制器的Ｓ函数程序darlincｏn.ｍ清单如下:
functiｏn ［sｙｓ,x０,str,ts] = dahliｎcon(t，ｘ，u,ｆlag,Ttａｏ,T1,Ｋ,Tａo,T)
glｏbal umax ｋ１k2k３uｋek_１N
ｓｗitch flag，
caｓe 0，%Initｉalｉｚatｉon
sizes = ｓimｓizｅs;
sizes.NumConｔSｔates =0；ｓｉｚｅｓ．NumDiscStatｅｓ= 0;
sizeｓ.NｕｍOｕtｐuts ＝1;sｉzes.NumＩnputs ＝１；
sizes．ＤirFeeｄthrougｈ=1；sizes．ＮumSaｍpｌeTimes = 1;
syｓ= sｉmsizes(sizes)；stｒ= ［];
ts= [Ｔ０];
umax ＝50;N=floｏr(Ｔao／T)
uｋ=zeros(N+2,1）; eｋ_1＝0; k1=exp（-T／Ttao）；
k２=ｅxp（-T/Ｔ1)；k3＝(１-ｋ1)／K/(1-k2);
cａsｅ3, ％Outputs
ek=u;
uk(1)=k３*(eｋ-ｋ2*ek_1)+k１*uｋ(2）+（1-k1）＊uk(N+2);
if uk(1)＞uｍaｘuk(１）＝umax;enｄ
ｉf ｕk（１)<-umaｘuk（1)=-uｍａx；end
eｋ_１=ｅk；uk(２：N+2）=ｕk（1:N+1);
sys=［uｋ(1)];
caｓｅ{1,2，4，９}, %Uｎｈanｄｌed flags
syｓ=[];
othｅｒwise % Uｎexpeｃted flaｇｓ
ｅrｒor([＇Unｈaｎdｌed fｌag = ',num2str(ｆlag)]）;
enｄ
程序中的斜体部分就是有关的达林算法实现所用的变量和语句。
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。?
《计算机控制系统》实验指导书
(ＤSP 版）
实验一实验系统介绍与CＣS软件使用入门
一、实验系统介绍
1、系统概述与实验箱原理框图
SＥＥD-DTK(DSP Teacｈｉng Ｋit）是一套可以满足大学本科、研究生和教师科研工作的综合实验设备。SＥＥD-DTK是北京合众达电子技术有限责任公司在总结以往产品的基础上，以独特的多ＤＳＰ结构、强大的DＳＰ主板功能、丰富的外围实验电路、精心设计的实验程序、精湛的产品工艺形成的高性能产品。
我校所购买的ＳEEＤ-DTK2812实验箱(原理框图如下所示)，它由SＥED-DＥＣ２812板卡以及SＥED－DTK_MBoard构成;其中主控板是我公司生产的SEED-ＤＥＣ2812,母板是我公司生产的SEED-DTK＿MBoard板卡。此外，该款实验箱还可配置DSK板卡、图像处理卡等多种子卡。
２、实验箱整体配置与特点
2.1 实验箱整体配置
SＥED－DTK2８1２实验箱由以下几部分构成:
1.SEEＤ-DEC２81２实验箱DSP基本系统
◆高性能DSP：TＭＳ32０F281２,主频150MHz
◆外扩ＳRAM,最大容量为51２K×16位,基本配置为2５６K×16位
◆512字节的EＥPROM+RTC实时时钟
◆１6路ＡD输入
◆4路DA输出
◆１２路PＷM输出,6路捕捉输入
◆双路UＲAT接口,接口标准为RS232/RS４2２/RS48５,可配置
◆符合USＢ2．0标准的高速Host端接口
◆１路CAN总线接口,符合CAN2.０协议
2.SEＥＤ-Mｂｏaｒd 实验箱人机接口模块
◆处理器为 TMS３20C5402
◆SRAM:64K×16－位（可扩展至2５6K×16位)
◆Ｆlash:2５6K×16-位（用于存放二级标准汉字库及驻留实验程序)
◆提供手动复位
◆1路RS23２接口
◆4路12位1０μS建立时间±1０V输出Ｄ/A
◆17键薄膜键盘
◆240*128大屏幕液晶显示
◆交通灯演示模块
以上只介绍实验箱所用到资源,如想使用其他资源请参考各个模块的用户手册。
2.2 实验箱特点
模块化的产品结构:
SEEＤ－DEC2812
实验箱的DSP基本系统
可替换其它系列的DSP SEEＤ-ＤEＣxxxx产品
SEEＤ－Mｂoａrd
人机接口模块、处理器为TＭＳ３20C5402 DＳＰSEＥＤ-DTＫ_PWＭＤRV
电机驱动模块
实验箱特点：
◆独具匠心设计的双DＳＰ结构,可以完成DＳP间的通讯实验
◆各模块丰富的资源，最大化满足实验要求
◆全数字化实验过程，包括高精度信号发生器
◆丰富多彩的实验,可以满足多种专业的教学要求
◆内容详实的实验手册和实验报告
◆公开的底层函数，提供实验可扩展性
精湛的产品设计和加工工艺，体现出的专业产品制造
二、ＣCS软件使用入门
１、ＤSP驱动程序的配置
(1) 双击桌面上的Sｅtup CCS 2（２００0)。“Ｃlear”原有的设备驱动程
序配置。
(２）根据ＤSＰ的型号选择相应的TI原装驱动程序,根据DＳP的型号选择相应的TI驱动程序,本实验箱采用ＳEED_DEC2812,故选择F2812 XDS510 Emulａtor。单击Ｉmport a Conｆｉguraｔiｏn Fiｌe。
（3) 进入下图所示界面，选择F２812 ＸDS510 Emｕlatｏｒ后，单击Imp ｏrt后，点击Cｌｏse命令。
(４) 点中Ｆ２812 XDＳ5１0 Emulaｔor驱动后，鼠标右键,在弹出的菜单中点击Pｒoperties；
(5) 在弹出的对话框中点击▼，添加Auto＿ｇeｎｅｒatｅ boarｄ dat ａ fiｌe witｈｅxtra coｎｆiguｒe
（6）点击Brｏｗse，弹出一对话框。
(7）在上一步操作中弹出的对话框中，选中CCS中drivers目录下的ｓeedusb２.cfg文件，同时打开;
(8）点击图标nexｔ
(9）Ｉ/O Ｐorｔ为0ｘ240，点击图标Neｘt;
(1０) 根据系统ＣPＵ的个数选择Add Single的相应次数,然后点击ｎext。
(1１）点击图标Finish
（１2) 第十三步:关掉CCS sｅtup。（1３) 第十四步：保存设置；
(1４) 第十五步:启动CCＳ;
(15）第十六步:出现CＣＳ调试界面;
2、CCS使用入门实验
2.１、实验目的：
(1)熟悉ＣCS集成开发环境，掌握工程的生成方法;
(2)熟悉ＳEEＤ-ＤEＣ２81２实验环境;
（３）掌握CＣS集成开发环境的调试方法。２．2、实验内容:
(１)DSＰ源文件的建立;
(2）DSP程序工程文件的建立;
(3）学习使用CCS集成开发工具的调试工具。2．3、实验准备:
(1）将DSP仿真器与计算机连接好;
(2)将DＳＰ仿真器的ＪＴAG插头与SEED-ＤＥC281２单元的Ｊ１相连接;
（3)启动计算机，当计算机启动后，打开SEED-DTＫ281２的电源。观察SEED-DTK_MBoard单元的＋５V,+3．3V，＋１5V,－15V的电源指示灯灯及SＥED-D ＥＣ２812的电源指示灯D２是否均亮；若有不亮,请断开电源，检查电源。2.４、实验步骤：
（1)创建源文件
1.双击图标进入CCS环境。
2.打开CCS 选择Fｉlｅ→Ｎew →SourｃｅＦｉle 命令
3.编写源代码并保存
4.保存源程序名为ｍath.c，选择Ｆilｅ→Savｅ