《计算机控制技术》
实 验 指 导 书
凤俊翔
适用专业： 自动化
电气工程及其自动化 测控技术与仪器 江苏科技大学电子信息学院
2016.10
1
前 言
计算机控制技术是自动化、电气工程及其自动化和测控技术与仪器专业的一门必修课程。本课程的作用是使学生掌握计算机控制技术的基本理论、基本原理、基本方法和计算机控制系统的实现。它要求学生通过课堂教学和实验后，掌握计算机控制系统的基本概念、工作原理和计算机控制系统设计的基本方法，并具有计算机控制系统的初步分析能力。
计算机控制技术实验课程是整个课程教学的重要组成部分，既是对理论知识的实践应用，也是对理论课程的补充、延伸和深化。
本实验课程的主要目的是通过与课堂教学的密切配合，巩固和扩充课堂讲授的理论知识，加深对课堂教学内容的理解；训练科学实验的基本技能和工程实践的基本方法，养成严谨的科学态度和工作作风，培养应用所学理论知识独立分析、解决实际问题的能力和实际动手能力。
本实验课程共有三个实验项目，为设计性实验，实验有难、易不同的要求，为学生留有独立思考和发挥的空间。
本实验指导书对每个实验项目的目的、内容、步骤、运行、预习要求、思考题及实验报告都有明确说明。学生应认真按照实验指导书的要求做好每一个实验。
本实验指导书适合自动化专业、电气工程及其自动化专业、测控技术与仪器专业和电子信息工程专业的学生使用。
2
目 录
实验一：数字PID控制 ................................................................................... 4 实验二：最小拍控制系统 ............................................................................... 6 实验三：基于Smith预估器的纯滞后控制系统设计 ...................................... 实验四：船舶自动舵控制器设计 ................................................................. 11 附录 学生实验报告基本内容要求 ............................................................. 42
3
实验一：数字PID控制
实验学时：3 实验类型：设计 实验要求：必修 一．实验目的
1．了解数字PID的一般原理；
2．掌握数字PID的编程方法及PID参数的调整。 二．实验器材
PC机
三．实验内容及要求
1．必做内容
针对具体的被控对象，设计PID控制器，其算法采用位置式或增量式算法。设计、编制程序进行仿真分析，给出仿真结果，并讨论比例、积分、微分的作用；
2．选做内容
采用一到二种改进型算法设计PID控制器，例如：积分分离PID算法、不完全微分PID算法和微分先行PID算法，设计、编制程序进行仿真分析，给出仿真结果；
3．被控对象
设被控对象为二阶惯性环节，其传递函数G0(s)如下式：G0(s)?且采样周期T＝0.1s，输入为单位阶跃信号；
4．性能指标要求
调整时间ts?10s； 超调量?%?10%； 静态误差ess?0.05。 四．实验原理图
10，
(s?1)(s?2)G(z) r(t) e(t) T e*(t) PID控制器 u*(t) T y(t) ZOH G0(s) 图1 PID闭环控制系统
4
五．实验步骤：
1．将零阶保持器和给定的控制对象构成广义控制对象，写出其z传递函数，并转化成相应的差分方程；
2．PID控制算法采用位置式算法或者增量式算法 ⑴ 位置式：
u(k)?u(k?1)?(KP?KI?KD)e(k)?(KP?2KD)e(k?1)?KDe(k?2) ⑵ 增量式：
?u(k)?u(k)?u(k?1)?(KP?KI?KD)e(k)?(KP?2KD)e(k?1)?KDe(k?2)
其中：KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数；
3．通过试凑法选择合适的PID参数，使得系统达到给定的性能指标。并讨论比例、积分和微分对系统产生的作用。
⑴ 记录选择的PID参数； ⑵ 记录输出的仿真数据； ⑶ 记录仿真图形曲线。
提示: (1) 调整PID参数时，先将I、D参数保持不变，改变P参数，通过曲线图的变化得出P与超调量及调整时间的关系，再固定P、D参数,分析I对超调量及调整时间的影响，以此方法，观察D对超调量及调整时间的影响。 P I D 调整时间 超调量 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 不变 分别记录P、I、D三参数对应的仿真曲线 (2) 试凑法选择合适的PID参数，使得系统达到给定的性能指标。记录仿真曲线及参数。
六．预习要求
1．复习数字PID控制算法的基本原理；
2．复习MATLAB和VC、C++的编程、调试方法；
3．用MATLAB或C++设计、编写数字PID控制算法源程序和仿真图形曲线输出的源程序。
七．实验报告
1．写出程序清单并进行注释； 2．分析调试、运行结果。
5
计算机控制实验指导书2016
