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《计算机控制虚仿软件》实验要求

一、系统认知

1.1 进入虚拟实验界面，点击开始按钮，进入虚仿实验系统，点选“系统认知”按钮后，自主学习“原理认知”、“设备认知”、“实验步骤”等内容，然后完成“小测试（选做）”并提交。

1.2 点击按钮，返回实验引导界面。

图1  系统认知模块

二、系统建模与模型参数辨识

2.1 在实验引导界面上点选“在线实验”按钮，进入在线实验平台（图2），点击左侧的“系统建模”按钮，进行系统模型建模与参数辨识实验。

2.2 在“系统响应曲线”界面，点击“响应曲线”按钮，获取水箱1的阶跃响应数据并绘制阶跃响应曲线（图2）；由响应曲线图可知，水箱模型可用一阶惯性环节表示（式1）。

            （1）

其中，模型参数K₁和T₁可由阶跃响应曲线获得。  

图2  系统建模与模型参数辨识

2.3 点击“曲线拟合”按钮对阶跃响应曲线进行四阶多项式拟合，并绘制拟合曲线；

2.4 点击“参数辨识”按钮对拟合曲线进行参数辨识，得到一阶液位系统的模型参数K、T、τ【注】，填入“模型参数”相应文本框。

2.5 点击“保存模型“按钮，完成系统建模。

【注】：

阶跃响应曲线中，模型参数K、T、τ的辨识如图3。

(a)                                     (b)         

                         (c)

图3  单容水箱阶跃响应曲线图

三、PID控制规律研究

3.1 点击“基础实验”界面上的“PID控制”按钮，进入数字PID控制界面（图4）。研究一阶系统的PID控制规律。

图4 PID控制规律研究

3.2 在控制界面上“模型参数”框中，填入一阶系统的模型参数K1、T1、τ1（此处可设置τ1=0），点击“创建模型”按钮，建立一阶被控系统的传递函数模型；

3.2 在控制界面上“模型参数”框中，填入一阶系统的模型参数K1、T1、τ1（此处可设置τ1=0），点击“创建模型”按钮，建立一阶被控系统的传递函数模型；

3.3 设置采样/控制周期T和设定值R；

3.4 研究PID控制规律中比例环节P的作用：将控制参数Ki和Kd设置为“0“，设置比例系数Kp为不同的值（由小到大或由大到小），观察响应曲线图，分析不同比例系数对控制效果的影响。

3.5 挑选理想的纯比例控制参数Kp，在此基础上加入积分环节Ki，考察积分环节对控制效果的影响。

3.6 继续加入微分环节Kd，考察微分环节对系统控制效果的影响。

3.7 选取不同的采样/控制周期T，考察数字PID控制中采样/控制周期T对控制效果的影响。

四、纯滞后控制算法研究

4.1 在主界面上点选“纯滞后控制”按钮，进入“纯滞后控制”控制界面（图5）。

图5纯滞后控制算法研究

4.2 在控制界面上“模型参数”框中，填入一阶系统的模型参数K1、T1、τ1（此处τ1不允许设置为0），点击“创建模型”按钮，建立一阶被控系统的传递函数模型。 

4.3 输入PID控制参数以及设定值R和采样/控制周期T。

4.4 点击开始实验，分析加斯密斯预估控制与不加史密斯预估控制的差异，如图6。

图6 斯密斯预估控制对纯滞系统的控制效果对照

五、单水箱串级控制研究

5.1 在主界面上点选“串级控制”按钮，进入单水箱串级控制界面（图7）。由系统框图可知，单水箱串级控制是在控制系统的流量对象上增加扰动N1，通过串级控制来实现对扰动的抑制。

图7  单水箱串级控制

5.2 在控制界面上填入模型参数，并点选“流程动画”框中的“输入干扰”按钮，选择干扰的类型，填写必要的干扰参数。

图8  选择干扰类型

5.3 调节串级控制系统中内环与外环的PID参数，比较串级控制与基本PID控制对干扰的抑制作用。

5.5 改变干扰的类型和参数，调整串级控制参数，观察串级控制对不同干扰的抑制效果（图9）。

图9  串级控制对干扰抑制作用

六、前馈控制研究

6.1 在主界面上点击“前馈控制”按钮，进入前馈控制界面（图10）。

6.2 在控制界面上填入模型参数，并选取干扰的类型。

6.3 对比无干扰、有干扰加前馈、有干扰不加前馈的曲线，分析前馈控制对干扰的抑制作用。

图10  前馈控制算法

七、双水箱前馈—串级复杂控制研究

7.1 在主界面上点选“复杂控制”按钮，进入双水箱复杂控制界面（图11）。

7.2 在控制界面上填入模型参数，并选取干扰的类型。

7.3 调节控制系统参数，了解前馈—串级控制对干扰的抑制作用。

图11  复杂控制算法研究

图12  算法编程实践

八、自主设计控制算法

8.1 在主界面上点选“算法设计”按钮，进入自主算法设计界面（图13）。

8.2 在弹出的文本编辑框中，自主编写控制算法（语法同Java）。

8.3 对控制算法进行编译，点击右侧“开始实验”，观察响应曲线。

8.4 修改算法控制参数，直至算法满足控制效果要求。

九、远程单水箱液位PID控制

9.1 在仿真软件主界面上点选“远程实验”按钮，点击“VNC”连接远程计算机（图12）。连接成功后，输入密码“1”，登陆远程桌面。

图13  登陆远程桌面

9.2远程桌面登陆成功后，按照《计算机控制技术（系统）教改实验指导书（简化版）》，开展有关实验。