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1、计算机控制技术课程设计指导书申晓宁南京信息工程大学信息与控制学院实验项目名称：题目一 带扰动时滞对象的计算机控制系统设计实验项目性质：设计性所属课程名称：计算机控制技术实验计划学时：1周一.课程设计目的设计制作和调试一个由工业控制机控制的时滞对象输出端具有干扰信号的计算机控制系统。通过这个过程学习电压的采样方法，A/D和D/A变换方法和接口的使用方法，以及数字滤波的方法。通过实践过程掌握常规及改进PID控制方法，熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过本课程设计，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路
2、与应用程序，进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。同时，通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。从而，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。二. 课程设计内容某系统的被控对象含有纯滞后环节，它的传递函数为：该系统的输入信号为带有干扰的方波信号（方波幅值2V，频率4Hz,干扰自行设计硬件电路产生），采样周期1s。请完成以下任务：1） 分别采用普通PID算
3、法和微分先行PID算法进行控制，并在两种方法中均采用抗积分饱和的方法。给出两种方法下的系统响应曲线，以及控制量u的变化曲线图，详细地比较和分析所得结果。2） 在1)中采用微分先行PID算法的基础上，在对象的输出端施加一组噪声信号（自行设计电路产生），在系统中设计低通滤波器，请分别给出有无滤波器时的系统响应曲线图，并详细地比较和分析所得结果。说明：上述任务中的微分增益系数和滤波时间常数，以及、的取值需通过实验调试得到。三.预习与参考计算机控制技术、自动控制原理、模拟电子技术基础、VBScript、Matlab四. 实验（设计）要求设计指标系统响应曲线：稳定，上升时间短，无静差，超调小，抗干扰能力
4、强。1、每组1-2位同学，每个小组根据实验室提供的设备及设计要求，设计并制作出实际电路，组成一个完整的计算机控制系统。2、根据设备情况以及被控对象，采用相应的控制算法和滤波器算法，编制程序框图和源程序，并进行实际操作和调试通过，获得满意的控制效果。五.实验（设计）仪器设备和材料清单THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台，硬件部分包括直流稳压电源、低频信号发生器、实验通用单元电路、USB数据采集卡及接口单元，上位机软件包括虚拟示波器、VBScript脚本编程器、函数信号发生器等。六.设计步骤（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：硬件
5、部分：选择硬件型号，设计具体的噪声发生电路、被控对象的模拟电路等。给出系统各个组成部分的接口电路。 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（选做，simulink仿真环境或纯M文件编程均可）；编译软件，在实验室进行系统的软硬件联调，通过观测系统的响应曲线，整定PID控制器参数和滤波器参数，获得满意的控制效果。（4）独立撰写课程设计说明书。七设计要点 （1）噪声信号的发生电路设计； （2）通过实验分析得到，与普通PID算法相比，微分先行PID算法的优点及
6、其适用场合； （3）在计算机控制系统中设计数字滤波器的方法。通过分析实验结果，得出使用数字滤波器的优点。八课程设计进度安排课程设计时间为一周，将其分为三个阶段。第一阶段：阅读研究实验指导书与任务书，复习有关知识，收集文献资料，设计系统框图。此阶段约占总时间的20%。第二阶段：对装置、器件、芯片作好选型，细划与设计、绘出各部分接口电路图，完成主要程序框图绘制和具体程序的编写。约占总时间的60%。第三阶段：整理、汇总、撰写课程设计说明书。约占总时间的20%。九考核方式及成绩评定1、 考核方式由平时检查、提问抽查、答辩与课程设计说明书质量等几方面结合起来考虑：学习与设计态度的认真性，课堂知识理解掌握
7、的深入程度，画图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。2、 考核成绩评定标准理论设计：每个同学根据题目，独立完成设计和设计报告书。实验设计：考核检查。线路图及程序占40%，系统性能指标占20%，答辩占20%，设计期间（包括前面实验及实验报告）综合表现占20%。十课程设计说明书要求每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。整篇课程设计说明书要求不少于3000字。课程设计说明书内容详见文档“计算机控制技术课程设计说明书内容”。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
8、控制方法的适用场合等。实验项目名称：题目二 基于卡尔曼滤波器的计算机控制系统设计实验项目性质：设计性所属课程名称：计算机控制技术实验计划学时：1周一.课程设计目的设计制作和调试一个由工业控制机控制，控制器输出端和对象输出端均具有干扰信号，基于卡尔曼滤波器的计算机控制系统。通过这个过程学习电压的采样方法，A/D和D/A变换方法和接口的使用方法，以及数字滤波的方法。通过实践过程掌握常规及改进PID控制方法，熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过本课程设计，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序
9、，进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。同时，通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。从而，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。二. 课程设计内容某系统的被控对象为二阶传递函数：该系统的输入为单位阶跃信号，采样周期1ms。请完成以下任务：1）在控制器的输出端施加控制干扰信号，在被控对象的输出端施加测量干扰信号（上述两种干扰信号均自行设计电路产生）。2
10、）采用不完全微分PID算法进行控制，并在算法法中采用抗积分饱和的方法。3）在系统中设计卡尔曼滤波器实现信号的滤波，滤波器的参数，。给出加入滤波器前后系统的阶跃响应曲线图，以及控制量u的变化曲线图，详细地比较和分析所得结果。说明：上述任务中的不完全微分PID算法中的惯性时间常数，以及、的取值需通过实验调试得到。三.预习与参考计算机控制技术、自动控制原理、模拟电子技术基础、VBScript、Matlab四. 实验（设计）要求设计指标系统响应曲线：稳定，上升时间短，无静差，超调小，抗干扰能力强。1、每组1-2位同学，每个小组根据实验室提供的设备及设计要求，设计并制作出实际电路，组成一个完整的计算机控
11、制系统。2、根据设备情况以及被控对象，采用相应的控制算法和滤波器算法，编制程序框图和源程序，并进行实际操作和调试通过，获得满意的控制效果。五.实验（设计）仪器设备和材料清单THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台，硬件部分包括直流稳压电源、低频信号发生器、实验通用单元电路、USB数据采集卡及接口单元，上位机软件包括虚拟示波器、VBScript脚本编程器、函数信号发生器等。六.设计步骤（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：硬件部分：选择硬件型号，设计具体的噪声发生电路、被控对象的模拟电路等。给出系统各个组成部分的接口电路。 软件部分：
12、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（选做，simulink仿真环境或纯M文件编程均可）；编译软件，在实验室进行系统的软硬件联调，通过观测系统的响应曲线，整定PID控制器参数和滤波器参数，获得满意的控制效果。（4）独立撰写课程设计说明书。七设计要点 （1）噪声信号的发生电路设计； （2）通过实验分析得到，与普通PID算法相比， 不完全微分PID算法的优点及其适用场合； （3）在计算机控制系统中设计卡尔曼数字滤波器的方法。通过分析实验结果，得出使用卡尔曼数字滤波
13、器的优点。八课程设计进度安排课程设计时间为一周，将其分为三个阶段。第一阶段：阅读研究实验指导书与任务书，复习有关知识，收集文献资料，设计系统框图。此阶段约占总时间的20%。第二阶段：对装置、器件、芯片作好选型，细划与设计、绘出各部分接口电路图，完成主要程序框图绘制和具体程序的编写。约占总时间的60%。第三阶段：整理、汇总、撰写课程设计说明书。约占总时间的20%。九考核方式及成绩评定3、 考核方式由平时检查、提问抽查、答辩与课程设计说明书质量等几方面结合起来考虑：学习与设计态度的认真性，课堂知识理解掌握的深入程度，画图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。4、 考核成绩评定标准理论设计：每个同学根据题目，独立完成设计和设计报告书。实验设计：考核检查。线路图及程序占40%，系统性能指标占20%，答辩占20%，设计期间（包括前面实验及实验报告）综合表现占20%。十课程设计说明书要求每位同学根据自己的实验数据和结果，根据给定的格式，独立完成实验报告。整篇课程设计说明书要求不少于3000字。课程设计说明书内容详见文档“计算机控制技术课程设计说明书内容”。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。