计算机控制技术课程设计.ppt

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计算机控制技术课程设计,第一部分课程设计题目第二部分课程设计基本要求及成绩评定方法第三部分Simlink仿真软件学习,第一部分课程设计题目,题目一数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现,题目二最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现,题目三大林算法计算机控制系统设计及仿真实现,题目一数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现,1、理解晶闸管直流单闭环调速系统的数学模型和工作原理；2、掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响；3、能够运用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置；4、掌握计算机控制仿真结果的分析方法。

5、编写算法MATLAB/simulink仿真程序实现,一、课程设计目的,已知某晶闸管直流单闭环调速系统的转速控制器选用PID控制器，结构如图1所示。

题目一数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现,二、课程设计内容及设计要求,1、运用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行建模并对模块进行参数设置；2、封装PID模块的控制图；3、选用合理的参数整定方法合理选择Kp、TI、TD以及采样周期T，使系统在超调不大的情况下快速响应。

4、得出仿真结果并进行仿真分析。

5、程序清单及简要说明6、成设计说明书（列出参考文献，以及仿真结果及分析）,二、课程设计内容,题目一数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现,题目二最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现,1学习并掌握有纹波最少拍控制器的设计和Simulink实现方法；2研究最少拍控制系统对典型输入的适应性及输出采样点间的纹波；3学习并掌握最少拍无纹波控制器的设计和Simulink实现方法；4研究输出采样点间的纹波消除方法以及最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性；5编写算法MATLAB/simulink仿真程序实现。

一、课程设计目的,二、课程设计内容,题目二最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现,如图1所示的采样-数字控制系统,其中对象:

零阶保持器:

二、课程设计内容及设计要求,选择采样周期T=1s，试设计无纹波最少拍控制器，并分析仿真结果。

1、分别在单位阶跃/单位速度输入下设计无纹波有限拍控制器；2、在Simulink仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制器和系统输出波形；3、与有纹波系统进行对比分析（选用单位速度输入进行对比分析即可）；4、探讨最少拍无纹波控制系统对典型输入的适应性问题;5、得出仿真结果并进行仿真分析;6、程序清单及简要说明;7、成设计说明书（列出参考文献，以及仿真结果及分析）。

二、课程设计内容及设计要求,题目二最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现,题目三大林算法计算机控制系统设计及仿真实现,1学习并掌握大林算法控制器的设计和Simulink实现方法；2研究大林算法振铃现象以及消除方法；5编写算法MATLAB/simulink仿真程序实现。

一、课程设计目的,已知被控对象的传递函数为,二、课程设计内容及设计要求,采样周期为T=0.5s，用大林算法设计数字控制器D（z），并分析是否会产生振铃现象。

题目三大林算法计算机控制系统设计及仿真实现,1、用大林算法设计数字控制器D（z）；2、在Simulink仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制；3、绘制并分析数字控制器的振铃现象；4、对振铃现象进行消除;5、得出仿真结果并进行仿真分析;6、程序清单及简要说明;7、成设计说明书（列出参考文献，以及仿真结果及分析）。

二、课程设计内容及设计要求,题目三大林算法计算机控制系统设计及仿真实现,第二部分成绩及评定方法,一、成绩评定方法,二、选题与提交形式,四、评分标准,三、报告基本内容,1、课程设计题目课程设计共3个题目，请班长根据同学的意愿分成3大组，每个大组内3人一个小组，各小组同学应独立完成自己的设计，杜绝抄袭。

2、课程设计时间设计时间：

13-15周,15周周二课题验收，带所有的设计成果参加答辩，需要现场演示（PPT演示设计方案及MATLAB/simulink仿真结果演示）。

一、成绩评定方法,3、根据设计报告和程序运行效果评定成绩要求用matlab/Simulink软件编写程序，根据设计方案设定一组默认参数，并可以在仿真界面调整参数，绘制和显示出动态曲线。

、选题与提交形式,1、3人一组2、最终提交成果：

课程设计报告（每组一份，报告开头注明组内同学分工及完成情况）及设计相关软件成果。

4、不参加答辩的将不能通过最终答辩成绩将答辩与课程设计报告等几方面结合起来考虑，具体包括：

学习与设计态度的认真性，课堂知识理解掌握的深入程度，仿真软件应用的熟练程度，设计方案的正确性或合理性，图文的质量效果。

1、总体方案设计：

构建系统的结构框图，确定系统各组成模块的功能和相互关系。

2、详细设计：

软件部分：

依据采用的控制算法及计算机控制系统的构成特点，绘制程序流程图，并编写相应的程序代码。

程序的各个关键环节应给出文字注释。

3、调试：

首先在Matlab软件中对系统进行仿真分析（simulink仿真环境和纯M文件编程均需要）编译软件，获得满意的控制效果。

4、报告：

每组撰写一份课程设计报告，不少于2000字。

5、对用到的基本理论知识要有清晰的介绍。

对设计结果，应给出详细的比较和分析，应深入分析结果产生的原因，相应控制方法的适用场合等。

6、参考文献：

在报告最后标注参考文献。

三、报告基本内容,成绩分优、良、中、及格和不及格五等。

优秀：

设计认真、设计思想新颖，设计正确，功能完善，且有一定的独到之处；打印文档规范；良好：

设计认真，设计正确，功能较完善，且有一定的独到之处，打印文档规范；中等：

设计较认真，基本功能较完善，打印文档较规范；及格：

设计基本认真，设计有个别不完完善，但完成基本内容要求；打印文档较规范；不及格：

设计不认真，未能完成设计任务，打印文档较乱。

四、评分标准,最终答辩成绩将答辩与课程设计报告等几方面结合起来考虑，具体包括：

学习与设计态度的认真性，课堂知识理解掌握的深入程度，仿真软件应用的熟练程度，设计方案的正确性或合理性，图文的质量效果，是否独立完成，是否具有独立分析解决问题的能力和创新精神等。

Simulink的工作环境模型文件的创建和仿真子系统的封装过程,主要内容：

第三部分Simlink仿真软件学习,Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的面向框图的仿真软件，是MATLAB的重要组成部分。

Simulink提供建立系统模型、选择仿真参数和数值算法、启动仿真程序对该系统进行仿真、设置不同的输出方式来观察仿真结果等功能。

1Simulink的启动与退出,1.1Simulink简介,1）在MATLAB的命令窗口输入语句simulink，即可启动Simulink。

Simulink启动后会显示Simulink模块库浏览器（SimulinkLibraryBrowser）窗口。

2）单击MATLAB主窗口工具栏上的Simulink命令按钮。

3）在MATLAB主窗口File菜单中选择New菜单项下的Model命令，出现一个名字为untitled的模型编辑窗口,点击图标模块库，可以出现Simulink浏览器窗口。

1.2Simulink的启动和模型编辑窗口,Simulink的启动方法有下列几种：

Simulink的模型编辑窗口由菜单、工具栏、模型框图窗口和状态栏等组成。

其中菜单提供了模型建立和仿真的几乎全部功能。

工具栏是模型建立和仿真过程中常用功能的命令按钮，模型框图窗口是模型编辑区，状态栏是仿真过程中的状态信息。

file的常用菜单项功能,菜单项功能Modelproperties模型属性Print打印模型PreferencesSIMULINK界面的默认设置选项Close关闭当前Simulink窗口,Edit的常用菜单项功能,菜单项功能Createsubsystem创建子系统Masksubsystem封装子系统Lookundermask查看封装子系统的内部结构Updatediagram更新模型框图的外观,菜单项功能Gotoparent显示当前系统的父系统Modelbrowseroptions模型浏览器设置Blockdatatipsoptions鼠标位于模块上方时显示模块内部数据Librarybrowser库浏览器Modelexplorer模型浏览器Zoomin/Zoomout放大/缩小Fitsystemtoview自动选择最合适的显示比例Normal以正常比例（100%）显示模型,View的常用菜单项功能,Simulation的常用菜单项功能,菜单项功能Start/Stop启动/停止仿真ConfigurationParameters设置仿真参数Normal普通Simulink模型Accelerator产生加速Simulink模型,菜单项功能Textalignment标注文字对齐工具Enabletexcommands使tex命令有效Filpname翻转模块名Filpblock/RotateBlock翻转/旋转模块Showname显示模块的名字Showportlabels显示端口标签Foregroundcolor前景色Backgroundcolor背景色Screencolor屏幕颜色Port/signaldisplays端口/信号显示Blockdisplays显示模块,Format的常用菜单项功能,菜单项功能SimulinkdebuggerSimulink调试器Fixed_pointsettings浮点设置Modeladvisor模型咨询Lookuptableeditor查表编辑Dataclassdesigner用户定义数据类型设计器Buseditor线路编辑Signal&scopemanager信号和示波器管理器Real_timeworkshop实时工作平台Externalmodecontrolpanel外部的模式控制平台Controldesign控制设计Parameterestination参数估计Reportgenetor报告生成器,tools的常用菜单项功能,1、新建文件新建仿真模型文件有以下三种方法：

1）在MATLAB的命令窗口选择菜单FileNewModel。

2）在Simulink模块库浏览器窗口选择菜单FileNewModel，或者单击工具栏的图标。

3）在Simulink模型窗口选择菜单FileNewModel，或者单击工具栏的图标。

1.3Simulink的文件操作,Simulink的文件操作方式非常灵活，常用的文件操作有新建文件、打开文件和保存文件三种。

打开仿真模型文件有以下四种方法：

1）在MATLAB的命令窗口输入不加扩展名的文件名，该文件必须在当前搜索路径中。

2）在MATLAB的命令窗口选择菜单FileOpen或者单击工具栏的图标打开文件。

3）在Simulink模块库浏览器窗口选择菜单FileOpen或者单击工具栏的图标打开.mdl文件。

4）在Simulink模型窗口中选择菜单FileOpen或者单击工具栏的图标打开文件。

2、打开文件,模型创建完成后，从模型编辑窗口的File菜单项中选择Save或SaveAs命令，或者单击工具栏的图标，可以将模型以模型文件的格式（扩展名为.mdl）存入磁盘。

3、保存文件,为了退出Simulink，只要关闭所有模型编辑窗口和Simulink模块库浏览器窗口即可。

1.4Simulink的退出,Simulink5.0的基本模块库包括13个子模块库，常用的模块库:

连续模块子库（Continuous）离散模块子库（Discrete）逻辑和位操作模块子库（Logicandbitoperation）查表函数模块子库（LookupTables）,2Simulink的基本模块,2.1基本模块库,一般数学函数子库（Math）信宿模块子库（Sinks）信源模块子库（Sources）用户定义的函数模块子库（User_definedFunctions）端口与子系统（Ports&Subsystems）,信号发生器（signalgenerator）是信源模块子库Sources中的模块，双击信号发生器模块，会出现参数设置对话框。

对话框的上半部分为参数说明;下半部分设置参数。

对于Waveform为信号类型，Time（t）为仿真时间或外部时间，Amplitude为信号幅值，Frequency为频率。

2.2常用模块的参数设置,1、信号发生器,三角函数（TrigonometricFunction）是数学函数子库Math中的一个模块,双击三角函数模块，会出现参数设置对话框。

对话框的上半部分为参数说明，下半部为参数设置，其中Function为可供选择的三角函数,Outputsignaltype为自动、实数和复数。

2、三角函数,数学函数（Mathfunction）是数学函数子库Math中的一个模块,双击Mathfunction模块，会出现参数设置对话框。

上半部分为参数说明，下半部分为参数设置,其中Function为可供选择的数学函数,Outputsignaltype为自动、实数和复数。

3、数学函数,示波器（Scope）是常用的模块子库中的模块，用来接收输入信号并实时显示信号波形的曲线。

示波器的参数设置对话框有两页，其中General页可设置坐标轴数目Numberofaxes，浮点显示floatingscope，时间范围Timerange，采样增益Sampling；History页可设置数据点数Limitdatapointstolast，是否保存到工作空间Savedatatoworkspace。

4、示波器,2.3模型文件的创建,模块的选定有三种方式：

1）选定单个模块选定对象只要在模块上单击鼠标，被选定的对象的四角处会出现小黑块编辑框。

2）选定多个模块如果选定多个模块，可以按下Shift键，然后再单击所需选定的模块；或者用鼠标拉出矩形虚线框，将所有待选模块框在其中，则矩形框中所有的模块均被选中。

3）选定所有模块如果要选定所有模块，可以选择菜单EditSelectall。

2.3.1模块的操作,1、模块的选定,模块的复制有两种方式：

1）不同模型窗口（包括模型库窗口）之间的模块复制选定模块，用鼠标将其拖到另一模型窗口。

选定模块，使用菜单和工具栏中的Copy和Paste命令。

2）在同一模型窗口内的复制模块选定模块，按下鼠标右键，拖动模块到合适的地方，释放鼠标。

选定模块，按住Ctrl键，再用鼠标拖动对象到合适的地方，释放鼠标。

使用菜单和工具栏中的Copy和Paste命令。

2、模块的复制,模块的移动有两种方式：

1）在同一模型窗口移动模块选定需要移动模块，用鼠标将模块拖到合适的地方。

2）在不同模型窗之间移动模块在不同模型窗之间移动模块，在用鼠标移动的同时按下Shift键。

当模块移动时，与之相连的连线也随之移动,3、模块的移动,要删除模块，应选定删除模块，按Delete键。

选定待删除模块后，用菜单和工具栏的EditCut。

4、模块的删除,选定需要改变大小的模块，出现小黑块编辑框后，用鼠标拖动编辑框，可以实现放大或缩小。

使用菜单view中的Zoomin/Zoomout。

5、模块的缩放,选定模块，选择菜单FormatFlipBlock可以将模块旋转180度。

选定模块，选择菜单FormatRotateBlock可以将模块旋转90度。

6、模块的翻转,单击模块下面或旁边的模块名，出现虚线编辑框就可对模块名进行编辑、修改。

选定模块，选择菜单FormatFont，打开字体对话框设置字体。

7、编辑和修改模块名,信号线的操作是创建模型文件时连接模块的操作，常用的信号线的操作如下：

2.3.2信号线的操作,先将光标指向一个模块的输出端，待光标变为十字符后，按下鼠标左键并拖动，直到另一模块的输入端。

1、模块间连线,1）分支的产生将光标指向信号线的分支点上，按鼠标右键，光标变为十字符，拖动鼠标直到分支线的终点，释放鼠标；或者按住Ctrl键，同时按下鼠标左键拖动鼠标分支线的终点。

2、信号线的分支和折线,2）信号线的折线选中已存在的信号线，将光标指向折点处，按住Shift键，同时按下鼠标左键，当光标变成小圆圈时，用鼠标拖动小圆圈将折点拉至合适处，释放鼠标。

双击信号线后出现矩形文本输入框，可以添加文本注释（label）。

3、填加注释,创建模型文件时只需用鼠标右键单击Simulink模块库浏览器（SimulinkLibraryBrowser）窗口中相应的模块，选择其下拉菜单的第一项,填加到已创建的模型文件中，通过信号线连接各模块即可。

2.3.3创建模型文件,步骤鼠标右键单击Simulink模块库浏览器中的模块信号发生器（SignalGenerator）,出现下拉菜单,选择其第一项,填加到创建的模型中。

步骤按照步骤1的方法继续填加示波器模块。

步骤通过信号线连接两个模块，建立信号发生器模型。

例2-1创建方波信号模型。

步骤4模块的参数设置双击SignalGenerator模块，会出现如图所示的参数设置对话框。

上半部分为参数说明，仔细阅读可以帮助用户设置参数。

Waveform为波形形式，包括Sine，Square，sawtooth和random；Amplitude为正弦幅值。

Frequency为正弦频率。

步骤5模块的属性设置每个模块的属性对话框的内容都相同。

属性名及其含义如下：

1）说明Description对模块在模型中用法的注释。

2）优先级Priority规定该模块在模型中相对于其它模块执行的优先顺序。

3）标记Tag用户为模块添加的文本格式标记。

步骤6选择filesaveas以first.mdl保存上述模型。

步骤7选择simulationstart或工具栏的仿真按钮，仿真first.mdl模型，双击示波器按钮，将显示波形结果。

1、对已存在的模型的某些部分或全部使用菜单命令EditCreateSubsystem，封装为子系统。

2、使用Ports&Subsystems模块库中的Subsystem模块直接创建子系统。

2.4子系统,2.4.1子系统建立的方法,Simulink允许建立类似于MATLAB的函数文件功能的子系统。

建立子系统有两种方法：

1）用矩形框选择要封装的部分，包括模块和信号线。

2）在模块窗口菜单选项中选择菜单EditCreatesubsystem，出现封装后的子系统。

子系统有一个默认的输入端口和输出端口，默认名为In1和Out1。

若查看子系统的内容或对子系统进行再编辑，可以双击子系统模块，则会显示子系统内容的新窗口。

在窗口内，除原始的模块外，Simulink自动添加了输入和输出模块，分别代表子系统的输入端口和输出端口。

7.4.2子系统的封装,把已存在的Simulink模型中的某个部分封装为子系统是建立子系统的重要方法，步骤如下：

3）选择EditEditMask设置封装参数，主要有Icon，Parameters，Initialization和Documentation四个选项卡。

Icon选项卡用于设定封装模块的名字和外观。

Parameters选项卡用于输入变量名称和相应的提示。

Initialization选项卡用于初始化封装子系统。

Documentation选项卡用于编写与该封装模块对应的Help和说明文字，分别有Masktype、MaskDescription和Maskhelp栏。

设置参数设置对话框中的Apply按钮用于将修改的设置应用于封装模块；Unmask按钮用于将封装撤销，则双击该模块就不会出现定制的对话框。

例2-2创建求多项式的积分和导数的子系统。

步骤1,步骤2选择求多项式的积分和导数的模块，用矩形框选择要封装的部分，选择部分出现小黑块编辑框。

步骤3在模块窗口菜单选项中选择菜单EditCreatesubsystem，出现封装后的子系统。

子系统有一个默认的输入端口和输出端口，默认名为In1和Out1。

若查看子系统的内容或对子系统进行再编辑，可以双击子系统模块，则会显示子系统内容的新窗口。

在窗口内，除原始的模块外，Simulink自动添加了输入和输出模块，分别代表子系统的输入端口和输出端口。

1、使能子系统使能子系统（EnabledSubsystem）是用来模拟具有多个操作模式的系统。

一个普通的子系统可以通过添加一个使能模块使之成为一个使能子系统。

7.4.3条件执行子系统,条件执行子系统是指在一定条件下才执行某项操作的子系统。

常见的条件执行子系统有如下三种：

2、触发子系统触发子系统（TriggeredSubsystem）是指每当接收到触发信号时，子系统执行。

3、使能触发子系统使能触发子系统（EnabledandTriggeredSubsystem）就是触发子系统和使能子系统的组合，含有触发信号和使能信号两个控制信号输入端，触发事件发生后，Simulink检查使能信号是否大于0，大于0就开始执行。

例2-3求如下闭环系统结构的单位阶跃响应曲线,建立simulink模型文件如下：

Simulink仿真结果如下：