《计算机控制技术》课程设计任务书

1、8(4(1(+=s s s s G 计算机控制技术课程设计任务书一、教学目的课程设计是课程教学中的一项重要内容,是完成教学计划达到教学目标的重要环节,是教学计划中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。本课程设计应达到以下教学目的:1.要求学生掌握当连续控制算法G c (S已设计好后,如何将其变换为离散算法G c (Z以及如何将G c (Z转换在计算机上可完成计算的迭代方程。2.同时要求学生能掌握工业中常用的基本PID 的算

2、法。3.掌握一阶向前、向后差分及双线性变换离散化的具体作法;要求学生掌握上述三种方法的主要特性及应用场合。4.熟记PID 两种基本算法的计算公式:位置算法和增量算法,并要求知道这两种算法的特点。5.熟练使用MA TLAB 软件,掌握应用MA TLAB 软件进行仿真的方法、步骤及参数设置。6.了解计算机控制系统的组成以及相应设备的选用等问题。二、设计内容题目一:设计一阶向前、向后差分及双线性变换离散化的具体作法;一阶向后差分法T Z 1S C C 1S (G Z (G -= 一阶向前差分法T 1Z S C C S (G Z (G -= 双线性变换法 1Z (1Z (T 2S C C S (G Z

3、 (G +-= 题目二:用PID 两种基本算法的计算公式进行计算(1位置算法:K T T K ,T T K K (1k (e k (e K j (e K k (e K k (u P d D I P I kj D I P =-+=(2增量算法 u (k = u (k - u (k-1= K P e(k-e(k-1+K I e(k+K D e(k-2e(k-1+e(k-2并要求知道这两种算法的特点。题目三:控制系统的状态空间设计1.对象及设计目标系统的对象模型为:要求:a 、试确定一个状态反馈阵K ,使相对于单位阶跃参考输入的输出过渡过程,满足如下的期望指标:超调量=20%,峰值时间=0.4s。b

4、、如果系统的状态变量在实际上无法测量,试确定一个状态观测器(全维状态观测器,使得通过基于状态观测器的状态反馈,满足上述期望的性能指标。2.设计方法及步骤求原系统的单位阶跃响应或利用Simulink进行仿真,判断是否满足期望的性能指标。由期望的性能指标求出闭环系统的期望极点。首先由典型二阶系统性能指标与系统参数之间的关系,确定系统参数,然后再确定系统的主导极点和非主导极点。要求确定的主导极点使得闭环系统至少满足前述性能指标。求出系统的状态空间表达式。利用MA TLAB的有关模型转换函数tf(,tf2ss(等。判别系统的能控能观性,确定系统是否能够通过状态反馈实现极点的任意配置。能控性的判别:构成

5、能控性判别矩阵:Qo=B AB A2B,判断Qo是否满秩。能观性的判别:构成能观性判别矩阵:Qc=C CA CA2,判断Qc是否满秩。求出用于极点配置的状态反馈矩阵K方法:利用函数K=acker(A,B,P,其中A、B为系统的状态方程参数矩阵,P为期望的极点向量(为1*n的向量,K为状态反馈矩阵;利用函数K,Prece,Message=place(A,B,P,其中参数A、B、P、K同上, prec为表明精度的参数,其值越大表明准确性越高,一般大于14;message参数给出prec值较低时的提示信息。求参考输入增益Nbar利用函数Nbar=rscale(A,B,C,D,K求出,函数代码在附录中

6、给出。求出反馈后的闭环系统状态空间表达式,求单位阶跃响应或利用Simulink进行仿真,求出超调量和峰值时间,判断是否满足期望的性能指标。如果不能,返回步骤2重新进行。闭环控制系统的仿真可以利用极点配置后闭环系统的状态空间表达式进行:At=A-B*K , Bt=B*Nbar,Ct=C,Dt=D;也可以利用状态反馈系统结构图进行仿真:求能控规范I型,利用能控规范型构造系统方框图;进行仿真;(详见现代控制理论教材P109或Matlab控制系统设计教材P247配置状态观测器,首先要求系统是能够观测的,并希望观测器的响应要快于原系统的响应,因此要将观测器的极点配置在距期望极点尽可能远的地方,如在极点左

7、方25倍的距离。求状态观测器增益矩阵;可以利用对偶原理,利用步骤5的两个函数求增益矩阵:L=place(A,C,P求基于状态观测器的状态反馈闭环系统的单位阶跃响应,或利用Simulink进行仿真,求出超调量和峰值时间,判断是否满足期望的性能指标。如果不能,返回步骤2或步骤8重新进行闭环控制系统的仿真可以利用极点配置后闭环系统的状态空间表达式进行:At=A-B*K B*Kzeros(size(A A-L*CBt=B*Nbarzeros(size(BCt=C zeros(size(C Dt=D;修改主导极点的位置,观察对系统性能的影响。当利用Simulink进行仿真时,可以观测各个状态变量的变化情况。注:(1上述内容步骤可以在Matlab中利用命令行的形式完成,也可以利用m文件程序的形式完成。状态空间表达式的不同,设计结果也会有所不同。(2此部分的课程设计报告必须写出设计原理和设计步骤及仿真结果。(3(3课程设计的考核方法及评分方法同课程设计任务书中的要求。三、设计要求1.整个课程设计的各个环节都要求学生自己动手,不得抄袭;2.可完成上述三个题目中的至少一个;3.提供相应的算法分析、计算和仿真结果;4.对课程设计进行总结,撰写