计算机控制系统性能分析
计算机控制系统性能分析
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：**班级学号：B************: ***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。
计算机系统组成及主要性能指标
计算机系统组成及主要性能指标一、计算机系统的组成计算机是一个完整的系统.是山若「个既相互独立又相互联系的部分组成.亦即是由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统和软件系统相互依籁、不可分俐.其中硬件系统是山电子部件和机电装牲所组成的计算机实体.丛本功能是接受计算机程序.并在程序的控制下完成数据愉人、数据处理和愉出结果等任务.软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和齐种程序.从本功能足保证计算机硬件的功能得以充分发挥.并为川户提供一个宽松的工作环境。
i l'算饥的硬件和软件二者缺一不可.否U不能正常工作。
二、计算机的主要性能指标计算机的技术性能指标标志打计算机的性能优劣和应川范l祠的广度.在实际应川中，比较常见的计算机评价指标主要有以下几种:川位，宇竹、字及字长①位:.位，指一个二进制位，是计算机中所表示的址从本的、址小的效据单元.灿计算机中信息存储的从小单位。
O字节:.字节“衍相邻的8个二进制位.址计算机中通用的从本单元。
(1)字和字长:是计算机内部进行数据传递处理的鉴本单位.通常它与计算机内部的寄存器、运算装代、总线宽度相一致“字长”适衍计算机在交换、加工和存放信息时的鼓从本的长度。
(2)速度:计算机中的速度折标可以川主叔及运算速度等进行综合评价.其中主孩也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的倾华，常以兆赫兹(MHz)为单位.址决定计算机速度的T(要衍标之一。
主孩越高，计算机速度越快。
运算速度常以征秒百万折令数为单位.这个指标较主预更能直观地反映计界机的速度。
(3)存储系统容员:是指所能访问的存储单元数。
存储系统主要包括主存(也称内存》和辅存(也称外存》。
存储容址通常以字节(I”为单位.由于存储容址一般都很大.所以实用单位常川T.叮笋节(KB)、兆字节(MB)或占字j5((;13)表示。
I KB=1024B.I MB=1024KB.I(;B=1024M1B.(4)可轶性:指计算机在规定时间和条件下正常I:作不发生故障的概率.常以平均无故WII.fPi1(MTBF)表示。
计算机控制系统：计算机控制系统数学描述与性能分析习题与答案
一、多选题1、系统暂态主能指标包括（）A.调节时间B.上升时间C.阻尼比D.峰值时间正确答案：A、B、D2、减小或消除系统的稳态误差方法有（）A.采用串级控制抑制内回路扰动。
B.在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节。
C.增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益。
D.采用反馈补偿法。
正确答案：A、B、C3、系统常规的性能指标有（）A.稳定性指标B.暂态指标C.系统的抗干扰指标D.稳态指标正确答案：A、B、C、D4、判断连续系统稳定的频率域方法有（）A.劳斯判据B.根轨迹方法C.奈奎斯特判据D.波特图法正确答案：C、D二、判断题1、稳态误差与系统的结构和参考输入无关。
（）正确答案：×2、一个系统稳定是指该系统在平衡状态下，受到外部扰动作用而偏离平衡状态，当扰动消失后，经过一段时间，系统不能够回到原来的平衡状态。
（）正确答案：×3、线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性决定的，而与系统外部输入信号的有无和强弱有关。
（）正确答案：×三、填空题1、系统的类型的作用：系统的类型数将决定系统有无_______。
正确答案：稳态误差2、已知闭环系统的特征方程45z3−117z2+119z−39=0，该系统_______。
（不稳定/稳定）正确答案：不稳定3、_______指系统过渡过程结束到达稳态以后，系统参考输入与系统输出之间的偏差。
正确答案：稳态误差4、已知闭环系统的特征方程z3−1.001z2+0.3356z+0.00535=0，该系统_______。
（不稳定/稳定）正确答案：稳定。
计算机控制实验报告初稿
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<10
7．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：
Gs=tf([5],[1,1,0]);
Gz=c2d(Gs,0.1,'zoh');//求解广义对象的脉冲传递函数
Transfer function:
0.02419 z + 0.02339
----------------------
z^2 - 1.905 z + 0.9048
Sampling time: 0.1
G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数
rlocus(G);//绘制系统根轨迹
将图片放大得到
Z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 的取值范围；
解：
G1=tf([1],[1 1 0]);
控制系统分析方法
系统稳定及最小相位系统的判别方法
1、间接判别（工程方法） 劳斯判据：劳斯表中第一列各值严格为正，则系统稳定， 如果劳斯表第一列中出现小于零的数值，系统不稳定。
胡尔维茨判据：当且仅当由系统分母多项式构成的胡尔 维茨矩阵为正定矩阵时，系统稳定。
2、直接判别 MATLAB提供了直接求取系统所有零极点的函数，因此 可以直接根据零极点的分布情况对系统的稳定性及是否 为最小相位系统进行判断。
幅值裕度是在相角为-180度处使开环增益为1的增益量，如在-180度相频 处的开环增益为g，则幅值裕度为1/g；若用分贝值表示幅值裕度，则等于： -20*log10(g)。类似地，相角裕度是当开环增益为1.0时，相应的相角与180 度角的和。
margin(mag,phase,w)：由bode指令得到的幅值mag（不是以dB为单位） 、 相角phase及角频率w矢量绘制出带有裕量及相应频率显示的bode图。
➢ 控制系统的分析包括系统的稳定性分析、时域分 析、频域分析及根轨迹分析。
控制系统的稳定性分析
系统稳定及最小相位系统判据
对于连续时间系统，如果闭环极点全部在S平面左半 平面，则系统是稳定的。
对于离散时间系统，如果系统全部极点都位于Z平面 的单位圆内，则系统是稳定的。
若连续时间系统的全部零极点都位于S左半平面；或 若离散时间系统的全部零极点都位于Z平面单位圆内， 则系统是最小相位系统。
控制系统的分析方法
➢ 早期的控制系统分析过程复杂而耗时，如想得到 一个系统的冲激响应曲线，首先需要编写一个求 解微分方程的子程序，然后将已经获得的系统模 型输入计算机，通过计算机的运算获得冲激响应 的响应数据，然后再编写一个绘图程序，将数据 绘制成可供工程分析的响应曲线。
计算机系统中的性能分析与性能调优
计算机系统中的性能分析与性能调优计算机系统中的性能分析与性能调优是提高计算机系统效率和性能的重要手段。
通过精确的性能分析，我们可以识别计算机系统中的瓶颈，并根据分析结果进行有针对性的性能调优，从而提高系统的运行效率。
本文将详细介绍计算机系统中的性能分析与性能调优的步骤和方法。
1. 性能分析的步骤：1.1 确定性能指标：性能指标是评估计算机系统性能的关键参数，包括响应时间、吞吐量、并发性等。
首先，我们需要明确关注的性能指标，根据实际需求和系统特点进行选择。
1.2 收集性能数据：通过监控工具收集计算机系统的性能数据，包括CPU利用率、内存占用、磁盘IO等。
可以使用系统自带的监控工具，如Windows的性能监视器，或者第三方工具，如Zabbix、Grafana等。
1.3 分析性能数据：对收集到的性能数据进行分析，找出系统的瓶颈。
可以通过绘制折线图、柱状图等可视化方式直观地展示系统的性能情况，并通过对比不同时间段的性能数据，找出性能问题的根源。
1.4 确定改进方案：根据性能分析的结果，确定性能改进的方向和方法。
可以根据系统中的瓶颈，调整硬件配置、优化代码、调整系统参数等。
2. 性能调优的方法：2.1 硬件调优：- 升级硬件配置：如果系统瓶颈是由于硬件性能不足导致的，可以考虑升级硬件配置，如增加内存、更换更快的硬盘等。
- 平衡硬件利用率：通过合理划分计算机资源，避免资源利用不均衡。
可以根据实际需求合理分配CPU核心、内存、磁盘和网络带宽等资源。
2.2 软件调优：- 优化代码：通过改进程序的算法和逻辑，减少不必要的计算和IO操作，优化代码执行效率。
可以通过减少循环嵌套、缓存计算结果等方式来提高代码性能。
- 调整系统参数：根据系统实际情况，调整操作系统的参数，以更好地适应系统负载和性能需求。
例如，调整TCP连接数、文件缓存大小等。
- 并发控制：在多线程或分布式环境下，合理控制并发资源的竞争和访问频率，避免资源争抢导致的性能下降。
计算机控制技术
智能家居控制系统
总结词
智能家居控制系统是计算机控制技术在家庭生活中的应用，通过智能设备、传 感器和执行器等硬件，实现对家居环境的智能化管理和控制。
详细描述
智能家居控制系统利用计算机技术实现对家居设备的监测、控制和智能化管理 ，提高居住舒适度和便利性。常见的智能家居控制系统包括智能照明、智能安 防、智能环境监测等。
器人等领域。
反馈控制原理
01
反馈控制原理是通过比较实际输出与期望输出的差 值来调整系统参数，以达到控制目标。
02
反馈控制原理具有较好的抗干扰能力和适应性，能 够自动调节系统参数，提高控制精度。
03
反馈控制原理是计算机控制系统的核心原理，广泛 应用于各种控制领域。
计算机控制系统的
04
设计方法
连续系统设计方法
THANKS.
交通控制系统
总结词
交通控制系统是计算机控制技术在交通管理中的应用，通过交通信号灯、传感器 和执行器等硬件，实现对交通流量的智能化管理和控制。
详细描述
交通控制系统利用计算机技术实现对交通信号灯的控制、车流量的监测和交通拥 堵的缓解，提高道路通行效率和交通安全。常见的交通控制系统包括智能交通信 号灯、交通监控系统等。
计算机控制技术
汇报人： 202X-12-23
目 录
• 计算机控制技术概述 • 计算机控制系统组成 • 计算机控制系统的基本原理 • 计算机控制系统的设计方法 • 计算机控制系统的性能分析 • 计算机控制系统的应用实例
计算机控制技术概
01
述
定义与特点
定义
计算机控制技术是指利用计算机对工 业生产过程进行自动控制的技术。
交通领域
计算机控制技术在交通领域的 应用包括自动驾驶、交通信号
计算机控制系统特性分析
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
3、采用修正劳斯判据判断系统的稳定性
例4.1 应用劳斯判据,讨论下图4.6所示系统的稳定性，其中 K=1，T=1s。
闭环脉冲传递函数为
Φ ( z) =
系统特征方程为 解：系统开环脉冲传递函数为
1 1 G ( z ) = Z [ H 0 ( s)Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ Gp ( s )] = (1 − z −1 )Z [ 2 ] s s ( s + 1) 0.368 z + 0.264 = 2 z − 1.368 z + 0.368
系统判断稳定过程 1、系统分析 求出系统开环传递函数G(Z) 求出系统闭环传递函数 Φ( z) 求出系统特征方程
2、采用双线性变换 z = 1+ w 或 z = 1 + (T / 2) w 转 换到w 1 − (T / 2) w 1− w 域
w( z ) = an z n + an −1 z n −1 + an − 2 z n −2 + ..... + a1 z1 + a0 = 0 an wn + an−1w n−1 + an−2 wn −2 + ..... + a1w + a0 = 0
2
a1 > 0
w( z ) = a3 z 3 + a2 z 2 + a1 z + a0 = 0
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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：**班级学号：B************: ***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。