现控实验-实验文档-模型辨识

控制系统被控对象模型辨识实验

一． 实验目的

1、掌握一阶系统的阶跃响应特点，加深对直流电机/温度系统模型的理解； 2、熟悉MATLAB语言在控制系统分析中的应用，掌握辨识模型、拟合曲线的方法；

3、熟练掌握实验装置的使用方法。

二． 实验内容

1、实验装置的认识与操作； 2、直流电机系统模型辨识。

三． 实验设备

1、计算机（基于MATLAB的上位机系统） 2、仿真与控制一体化实验装置

四． 实验原理

1、控制系统结构框图

2、基于阶跃响应的系统模型辨识

（1）辨识原理

t 时刻向系统输入阶跃信号，通过测量系统的响应曲线，反推出系统的传递函数参数。

若系统的传递函数未知为 G(s)，在 t 时刻以前输入值为 0，在 t 时刻时输入值变为 1，则系统的输出与时间的关系为 y(t)，上述关系为

1

（2）直流电机的一阶惯性模型

将直流调压模块与直流电机共同看作广义被控对象，其结构符合一阶惯性环节的特点，传递函数形式为

G(s)?KTs?1

式中，T—惯性时间常数；

K —放大系数，可控硅直流调压模块、直流电机等。 （3）仿真与控制一体化实验装置

在自动控制系统中，经常需要利用MATLAB仿真软件模拟实际系统在各种控制算法下的运行情况，便于实现实际的设计和改进。

本实验使用的仿真与控制一体化实验系统，基于DSP平台设计，利用MATLAB和CCS编译软件实现可操作式上位机与硬件下位机的对接。在上位机MATLAB/Simulink环境中编写的实验程序模型，经CCS编译系统自动转换为DSP工程代码，自主编译、链接、下载到控制主板。进而由以DSP为核心的主控箱，驱动执行器工作，实现对系统被控对象的控制。驱动模块为可控硅直流调压器，在该系统进行的各实验中，均将该驱动模块与直流电机（或烤箱）看成广义被控对象进行实验研究。

该装置具有数据处理能力强、各种复杂算法控制器设计简单、直观、仿真与控制一体化等主要特点。

五． 实验内容与实验步骤 第一部分：实验准备

第一步：实验装置通电。将控制箱操作面板上作为实验系统总开关的电源开关和负责为DSP控制主板供电的主控开关闭合。

第二步：选择实验对象。选择本次实验被控对象，将控制箱操作面板上的“电

2

机/烤箱开关”由“停止”档位拨至“电机”档位。

第三步：查看串口号。通过路径“我的电脑-系统属性-设备管理器-端口-USBSERIAL CH340(COM数字)”，查看并记录实验系统占用计算机的串口号。

第四步：启动编译软件，完成上位机与下位机的连接。以管理员身份运行Setup CCStudio v3.3，界面启动后，点击左下方的“Save&Quit”选项卡，确认后，将自动启动“CCStudio v3.3”软件。

在CCStudio v3.3软件的调试“Debug”菜单下，选择复位并连接仿真器，即选择“Reset Emulator”和“connect”，待出现“Disassembly”对话框，即可完成计算机与DSP控制主板的连接。

第五步：启动实验程序。打开MATLAB软件，按照实验内容，打开相应的实验程序。实验过程中应注意，与同一实验相关的仿真或数据文件，应尽量在同一路径下保存，或保存至MATLAB默认路径，避免因路径有误影响MATLAB程序调用。

电机实验所在路径：D:\\DSP1\\speed，导入后打开“speedopen.mdl”速度开环实验程序。

第二部分：采集实时运行曲线

第一步：调用上位机程序。在打开的MATLAB/Smulink“speedopen.mdl”程序中，点击红色的“SCS1”按钮，弹出基于MATLAB/GUI设计的上位机系统。

第二步：选择并设置实验内容。在弹出的上位机界面，首先在实验内容选择下拉菜单中，选择本次实验“速度开环”。在该菜单下的串口选择下拉菜单中，选择实验系统占用的计算机串口号，选中后点击“打开串口”，此时右侧指示灯将由灰变绿，表示串口连接成功。之后，点击上方的“转换”按钮，等待30秒左右，弹出“转换完毕！”对话框，提示MATLAB代码已转换成DSP代码下载至DSP中。

第三步：采集实时曲线。先在上位机界面点击“开始”按钮，开始绘制运行曲线。运行后，将阶跃控制量写入“参数设置”区域的“设定值”位置后，并点击“设定”按钮，则曲线将按照给定的阶跃量，绘制阶跃响应曲线。得到完整的阶跃响应曲线后，通过“保存数据”按钮，将采样数据进行保存。

第四步：结束运行程序。在实验结束前，须将“设定值”改为“0”，之后方可点击“停止”按钮，结束电机的运行。

结束实验时，先选择“关闭串口”并退出MATLAB/GUI上位机程序，再在CCStudio v3.3软件的调试“Debug”菜单下，选择复位并断开仿真器，即选择“Reset Emulator”和“Disconnect”，退出CCStudio v3.3软件。

拨动控制箱操作面板的“复位”开关，最后，断开电源开关和主控开关。

3

第三部分：系统模型辨识

第一步：保存实时曲线数据。在退出MATLAB/GUI上位机程序前，应及时点击“保存数据”按钮，将实时曲线数据以“.txt”文件的形式保存。为了便于MATLAB处理，该数组文件应以字母或数字的格式命名保存，本实验以“A”为例进行命名和调用；对比采样曲线，选择保留适当的数据段用于辨识模型（删减数据情况对辨识精度产生一定影响，可多次试验获取最佳效果）。

第二步：将实时数据导入MATLAB。（参考方法：打开MATLAB，在“File”菜单中，通过“import data”选项，将保存的数组A导入MATLAB。）

第三步：数据处理。构造新的数组B，该数组元素数量与数组A相同，元素值均为运行时给定的阶跃控制量。（参考函数：B=zeros（）；B（：，1）=控制量u）

在MATLAB中通过命令“x=iddata(A,B,0.01)”，对采样数组和阶跃控制量数组进行组合，用变量x表示，并设定实验系统进行电机实验时的采样周期为0.01。

第四步：辨识模型。通过“ident”函数打开系统辨识工具箱（如图1所示），在“import data”下拉菜单中选择“data object”，在弹出的数据导入窗口中空间变量“Object”处填入“x”，并点击“import”按钮，将构造的待辨识矩阵导入辨识工具箱（如图2所示）。

图1 系统辨识工具箱

4

图2 辨识数据导入辨识工具箱

返回图1所示的辨识工具箱，在“Estimate”下拉菜单处，选择过程模型“Process Model”选项，依据电机模型特性，按照一阶惯性环节的结构，设定待辨识的模型表达式，点击“Estimate”按钮，得到辨识结果（如图3所示）。

图3 完成电机模型辨识

5

第四部分：曲线拟合

第一步：输入系统模型。在MATLAB中，利用“tf()”命令，将模型辨识的结果输入MATLAB。参考代码输入格式为：

＞＞G=tf(K*u,[0 T 1])

%%将辨识结果带入“K”和“T”处；“u”为实验时给定的控制量数值 第二步：绘制拟合曲线。将采样周期0.01作为步距，绘制与辨识时所用的数组A点数相同的拟合曲线。格式为：

＞＞x1=0:0.01:n;

%%其中“n”为以0.01为步距、与数组A的长度（即导入辨识工具箱的采样点数）相同的拟合点数

＞＞y=step(G,x1);

%%为辨识得到的模型加入阶跃响应 ＞＞plot(y)

%%绘制理论模型的阶跃响应曲线

第三步：对比拟合效果。在拟合曲线窗口，绘制原始曲线，对比拟合效果。格式为：

＞＞hold on ＞＞plot(A)

若得到两条曲线吻合效果较好，表示模型辨识较准确，可以在其基础之上做进一步实验研究。否则，应重新处理数据进行辨识和拟合验证。

注意：上述模型辨识与曲线拟合实验内容涉及到MATLAB语言的部分，方法不唯一，本实验仅提供一种参考方法。可以使用多种方法取其优，用于后续实验研究。

6

第四部分：曲线拟合

第一步：输入系统模型。在MATLAB中，利用“tf()”命令，将模型辨识的结果输入MATLAB。参考代码输入格式为：

＞＞G=tf(K*u,[0 T 1])

%%将辨识结果带入“K”和“T”处；“u”为实验时给定的控制量数值 第二步：绘制拟合曲线。将采样周期0.01作为步距，绘制与辨识时所用的数组A点数相同的拟合曲线。格式为：

＞＞x1=0:0.01:n;

%%其中“n”为以0.01为步距、与数组A的长度（即导入辨识工具箱的采样点数）相同的拟合点数

＞＞y=step(G,x1);

%%为辨识得到的模型加入阶跃响应 ＞＞plot(y)

%%绘制理论模型的阶跃响应曲线

第三步：对比拟合效果。在拟合曲线窗口，绘制原始曲线，对比拟合效果。格式为：

＞＞hold on ＞＞plot(A)

若得到两条曲线吻合效果较好，表示模型辨识较准确，可以在其基础之上做进一步实验研究。否则，应重新处理数据进行辨识和拟合验证。

注意：上述模型辨识与曲线拟合实验内容涉及到MATLAB语言的部分，方法不唯一，本实验仅提供一种参考方法。可以使用多种方法取其优，用于后续实验研究。

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ilu8.html