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《计算机控制系统》的实验的指导书.doc

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《计算机控制系统》实验指导书

（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 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 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。

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,按下图进行数字PID控制系统设计，例如：对象的传递函数为：s225 s

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

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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：

0.003z0.001

p 2

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。

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

SIMULINK 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

G 0 (s)

e 3 s ，要求闭环系统时间常数 T

4.5 秒，取采样周期 T=1

4s 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 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 T 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 T

2 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 k1 k2 k3 uk ek_1 N 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 = [T 0];

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);

case 3,% Outputs

ek=u;

uk(1)=k3*(ek-k2*ek_1)+k1*uk(2)+(1-k1)*uk(N+2);

if uk(1)>umax uk(1)=umax; end

if uk(1)<-umax uk(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》课程设计指导书

（ Matlab版）

一、设计的内容与安排

1.课程设计题目的选择

根据课程的要求和本人的学习情况，选择大纲推荐的题目。任课教师可以

推荐一定的设计题目，学生也可以自主提出符合《计算机控制系统》要求的适合设计的题目，但是学生提出的题目必须经过任课教师的确认才能立为设计题目。

2.课程设计内容及要求

（1）设计题目；

①单回路数字系统 PID 控制设计；

②串接数字系统PID 控制设计；

③ 二阶纯滯后系统的大林算法控制设计；

④二阶纯滯后系统的Smith 算法控制设计；

⑤ 其它数字控制方法。

（ 2）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；动态过渡过程的时间在 3～ 5 倍的被控对象时间常数值。

3.课程设计题目的确定程序

1）学生在深入学习《计算机控制系统》课程后，可以在老师的指导下选题，也可以自主选题。

2）学生要提出选题依据。

3）设计题目必须经老师确认后，才是有效设计题目。

4）课程设计题目必须在一周内完成。

5）提交设计报告或小论文。

二、设计的质量与创新

1.的新颖性和独到之处；

2.计的难度和总体工作量根据以下四点来定；

算法难度，对象的复杂性，控制回路的复杂性，系统的大小。

3.自动控制系统的静态和动态质量指标；

4.完成的时间与独立完成情况。

三、课程设计步骤

1.开机并运行 MATLAB 文件。

2.运行 Simulink 工具箱等进行系统设计。

3.结合数字系统功能模块和 m 文件编程进行系统编程

4.运行完成的软件，进行反复调试。

5.记录运行结果并分析。

注： PID 控制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。

四、课程设计的成绩评定

以提交设计报告或小论文为评分依据。

递交报告格式

题目三号黑体

班级，学号（小四）

作者姓名（小四）

1 前言（小四黑）

前言叙述论题的背景，内容包括为什么要做这件事，目前了解到的资料中别人是如何做

与本问题相关的研究的。

2研究的原理

描述或推导所用理论的原理，作者对运用的原理有何改进。

全文书写规范，无错别字，语句通顺，有哲理。在 2000 字左右， A4 纸 3 张左右，插图不能太大。

3原理的应用仿真

采用什么被控对象，对对象的模型的来源与结构进行描述。系统仿真的实现，遇到的问题，采用什么方法解决；仿真的结果。

4结论

5参考文献（ 5 篇以上）

按“作者，文献名，出处（期刊名、书名），出版时间”顺序排列。

自动控制原理实验报告

《自动控制原理》实验报告姓名：学号：专业：班级：时段：成绩：工学院自动化系

实验一典型环节的MATLAB 仿真一、实验目的 1．熟悉MATLAB 桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK 功能模块的使用方法。 2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。 3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验原理 1．比例环节的传递函数为 K R K R R R Z Z s G 200,1002)(211 212==-=-=- = 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。三、实验内容按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK 仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。 ① 比例环节1)(1=s G 和2)(1=s G ； ② 惯性环节11)(1+= s s G 和1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节s s G =)(1 ⑤ 比例+微分环节（PD ）2)(1+=s s G 和1)(2+=s s G ⑥ 比例+积分环节（PI ）s s G 11)(1+=和s s G 211)(2+= 四、实验结果及分析图1-3 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形

① 仿真模型及波形图1)(1=s G 和2)(1=s G ② 仿真模型及波形图11)(1+= s s G 和1 5.01)(2+=s s G 11)(1+= s s G 1 5.01 )(2+=s s G ③ 积分环节s s G 1)(1= ④ 微分环节

实验指导书

苯甲酸红外光谱的测绘—溴化钾压片法制样一、实验目的 1、了解红外光谱仪的基本组成和工作原理。 2、熟悉红外光谱仪的主要应用领域。 3、掌握红外光谱分析时粉末样品的制备及红外透射光谱测试方法。 4、熟悉化合物不同基团的红外吸收频率范围．学会用标准数据库进行图谱检索及化合物结构鉴定的基本方法。二、实验原理红外光谱分析是研究分子振动和转动信息的分子光谱。当化合物受到红外光照射，化合物中某个化学键的振动或转动频率与红外光频率相当时，就会吸收光能，并引起分子永久偶极矩的变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应频率的透射光强度减弱。分子中不同的化学键振动频率不同，会吸收不同频率的红外光，检测并记录透过光强度与波数(1/cm)或波长的关系曲线，就可得到红外光谱。红外光谱反映了分子化学键的特征吸收频率，可用于化合物的结构分析和定量测定。根据实验技术和应用的不同，我们将红外光划分为三个区域：近红外区(0.75~2.5μm；13158~40001/cm)，中红外区(2.5~25μm；4000~4001/cm)和远红外区(25~1000μm；400~101/cm)。分子振动伴随转动大多在中红外区，一般的红外光谱都在此波数区间进行检测。傅立叶变换红外光谱仪主要由红外光源、迈克尔逊干涉仪、检测器、计算机和记录系统五部分组成。红外光经迈克尔逊干涉仪照射样品后，再经检测器将检测到的信号以干涉图的形式送往计算机，进行傅立叶变换的数学处理，最后得到红外光谱图。

傅立叶变换红外光谱法具有灵敏度高、波数准确、重复性好的优点，可以广泛应用于有机化学、金属有机化学、高分子化学、催化、材料科学、生物学、物理、环境科学、煤结构研究、橡胶工业、石油工业（石油勘探、润滑油、石油分析等）、矿物鉴定、商检、质检、海关、汽车、珠宝、国防科学、农业、食品、生物医学、生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、法庭科学（司法鉴定、物证检验等）、气象科学、染织工业、日用化工、原子能科学技术、产品质量监控（远距离光信号光谱测量：实时监控、遥感监测等）等众多方面。三、仪器和试剂 1、Nicolet 5700 FT-IR红外光谱仪（美国尼高力公司） 2、压片机（日本岛津公司） 3、压片模具（日本岛津公司） 4、玛瑙研钵（日本岛津公司） 5、KBr粉末（光谱纯，美国尼高力公司） 6、苯甲酸（分析纯）四、实验步骤 1、样品的制备（溴化钾压片法）

水力学(流体力学)实验指导书汇总

水力学（流体力学）实验指导书编著：刘凡河北工程大学

目录 1、静水压强实验--------------------------------------------------------3-5页 2 平面静水总压力实验-------------------------------------------- - 6-9页 3、文丘里流量计实验------------------------------------------------10-12页 4、雷诺实验------------------------------------------------------------12-14页 5、管道沿程水头损失实验-----------------------------------------15-16页 6、局部管道水头损失实验----------------------------------------17-19页 7、流线演示实验-----------------------------------------------------20-21页 8、伯努利实验---------------------------------------------------------20-21页 9、涡流系列演示实验------------------------------------------------22-24页

实验一静水压强实验一、实验目的 1、加深对水静力学基本方程物理意义的理解，验证静止液体中，不同点对于同一基准面的测压管水头为常数（即z+ p C g ρ=）。 2、学习利用U 形管测量液体（油）的密度。 3、建立液体表面压强0p >a p ，0p