南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：王站班级学号： B11050107 任课教师: 程艳云2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。

二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。

放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。

答：连续系统比离散系统稳定性好，加入采样开关以后，采样周期越大，离散系统系统稳定性越差，能使系统稳定的K 的范围越小。

2.时域特性分析 令20K(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标； G1=tf([20],[1 1 0]); step(feedback(G1,1));Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e024681012140.20.40.60.811.21.41.61.8由图数据：上升时间=0.254s 超调量=70.2％ 调节时间=7.82s 峰值时间=0.702s(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，观察其单位阶跃响应，记录上升时间、超调量、调节时间、峰值时间等一系列的时域性能指标； G1=tf([20],[1 1 0]); G=c2d(G1,0.01,'zoh'); Q=step(feedback(G ,1)); [num,den]=tfdata(Q); dstep(num,den)Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e02004006008001000120014000.20.40.60.811.21.41.61.8上升时间=24.7*T=0.247s 超调量=72.8％调节时间=857*T=8.57s 峰值时间=71*T=0.71s(3) 分析其时域性能指标的差异及产生原因。

由于采样开关和零阶保持器的存在，使得离散系统的时域响应与连续系统相比发生变化，稳定性相对降低，动态性能相对变差。

3.频域特性分析(1) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，绘制其频率特性响应；G1=tf([1],[1 1 0]); bode(G1)M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)(2) 考虑采样开关和零阶保持器的影响，绘制其频率特性响应；； w=logspace(-1,10);dbode([1],[1 1 0],0.01,w)-10-5510M a g n i t u d e (d B )101010101010-9.0597-7.5497-6.0398-4.5298-3.0199-1.50990P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)(2) 讨论上述两种情况下频率特性响应的区别和联系。

G1=tf([1],[1 1 0]); bode(G1) hold onw=logspace(-1,10);dbode([1],[1 1 0],0.01,w) 频率特性对比:-400-300-200-1000100M a g n i t u d e (d B)101010101010-9.0597-7.5497-6.0398-4.5298-3.0199-1.5099P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/sec)1、频率特性是w 的周期函数，当wT 沿着单位圆每转一周时，频率特性周期性重复一次，这是连续系统没有的。

2、幅频特性是w 的偶函数，相频特性是w 的奇函数，连续系统也有这个特性。

3、离散环节频率特性形状与连续系统频率特性形状有较大差别，特别是当采样周期较大以及频率较高时，由于混叠，使频率特性形状有较大变化，主要表现有: 高频时会出现多个峰值； 可能出现正相位；仅在较小的采样周期或低频段与连续系统频率特性相接近。

南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：数字PID控制所在专业：自动化学生姓名：王站班级学号： B11050107 任课教师: 程艳云2013 /2014 学年第二学期实验二数字PID控制一、实验目的1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。

2．研究采样周期T对系统特性的影响。

3．研究I型系统及系统的稳定误差。

二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。

图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）Gh（s）=（1－e-TS）/sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。

图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图2 3．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。

4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。

5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。

采用PID调节器相同。

6．“II型”系统要注意稳定性。

对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<107．PID递推算法如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））q1=－Kp（1+（2Kd/T））q2=Kp（Kd/T）T--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验三[数字PID控制], 鼠标单击鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。

5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。

6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。

若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与其相对应的性能指标σp、ts的数值。

7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。

8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

9.重复4-7步骤。

10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的σp、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：1 0.02 0 31％0.840 如图9如图10 1 0.02 1 22.4％0.738图1图2图3图4图5图6图7图8图9图10五、实验报告1．画出所做实验的模拟电路图。

答:所做实验的模拟电路图如图3-2和图3-3所示.2．当被控对象为Gp1（s）时取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校正后的Bode 图，查出相稳定裕量γ和穿越频率ωc。

答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））根据MATLAB指令：G=tf（[5 5 0.1],[0.05 0.6 1 0]）;bode(G)由伯德图可以得到：相稳定裕量γ=96deg ，穿越频率ωc=100rad/s3． 总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd 方法，以最快的速度获得满意的参数。