自控课程设计报告

自控课程设计报告Revised on November 25, 2020

自动控制原理课程设计任务书

一、目的要求

1.目的

1.加深对自动控制原理中的一些基本概念的理解；

2.掌握被控广义对象数学模型试验测试和辨识的方法；

3.掌握闭环系统稳定性、稳态误差和动态响应质量的分析、计算和校正方

法；

4.经过对广义对象特性测试和闭环系统运行调试试验，提高实验动手能

力；

5.经过MATLAB、Simulink仿真计算，提高编程、仿真和计算能力。2.要求

1.认真对待课程设计，集中全部精力，抓紧两周时间，圆满完成课程设计任

务；

2.认真听老师讲授课程设计，并做好笔记，消化内容，掌握自动控制系统一

般的设计步骤和方法；

3.学会用MATLAB/Simulink仿真计算方法，设计自动控制系统；

4.认真做好测试和运行调试试验，仔细记录数据，分析实验结果；

5.按规定认真写好课程设计报告。

二、设计题目

直流电动机转速自动控制系统设计

三、质量指标要求

1.给定转速：2000转/分

2. 稳态误差：理论上0ss e =，实际系统稳态误差，为给定转速值的0005

3. 动态质量指标：

超调量： %5%σ≤

调节时间：0.5s t s <

四、 完成时间：2周 80学时

课程设计报告正文（提纲）

第一章 直流电动机转速自动控制系统的组成原理 广义对象组成

1.1.1 被控制对象直流电动机工作原理和被控制量

1.1.2 功率放大器电路及工作原理

1.1.3 测速装置组成及工作原理

广义对象数学模型的建立

1.2.1 广义对象时间响应特性的测试

1.2.1.1 测试实验原理图

1.2.1.2 测试过程与方法

1.2.1.3 测试结果曲线

1.2.2 数学模型辨识

1.2.2.1 辨识方法选择

1.2.2.2 辨识结果：开环传递函数

第二章 转速控制系统的理论分析与计算

未校正闭环控制系统的结构图

未校正系统的稳定性分析

系统稳态误差计算

系统动态质量指标计算

2.4.1 用闭环零、极点分布计算σ%，ts

2.4.2 用开环L(w)、γ(ωc)、ωc 表计算σ%，ts

计算结果说明（应加校正装置）

第三章转速控制系统校正

校正方式的比较与选择

用Bode图选择串联校正装置结构和参数

第四章用MATLAB/Simulink仿真设计转速控制系统

未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算

4.1.1用MATLAB程序

4.1.2用simulink仿真

加串联校正装置时转速控制系统设计

4.2.1 用simulink仿真图

确定所选校正装置的结构和参数

第五章转速控制系统的校正装置实现和系统运行调试

用模拟电路实现校正装置(如图所示)

数字校正装置

第六章结束语

课程设计的收获和体会

建议

第一章直流电动机转速自动控制系统的组成原理广义对象组成

1.1.1 被控制对象直流电动机工作原理和被控制量

被控对象：电动机

被控量：电动机的转速

直流电动机的原理基于电磁感应定律，

即：运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电

势；或者说匝线链线圈的磁通发生变化，在线全

中产生感应电势。

N极下到导体中的电流流出纸面，用Θ表示

S极下到导体中的电流流出纸面，用?表示载流

导体在磁场中受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为L，其中流过的电流为i,导体所在的磁通密度为B，那么导体受到的磁力的值为F=BLI式中，F的单位为牛顿（N）；B的单位为韦伯/米2

（Wb/m2）;L的单位为米（m）；I的单位为安（A）；力F的方向用左手定则来确定。

1.1.2 功率放大器电路及工作原理

功率放大器的作用是通过对控制信号的功率放大以产生

足够的功率来驱动执行机构。

功率放大器的工作原理就是利用三极管的电流控制作用

或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信

号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即流

信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是

三极管的交流放大倍数。应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原来的β倍的大信号，这种现象成了功率放大。而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电流变化一安，就成称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号来控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率输出，并非真的将功率放大了。

测速装置组成及工作原理

测速部件是由市场上购买的光栅盘，参见图，配合着槽型光耦产生脉冲，再通过主控芯片计脉冲数来实现测速的。光栅盘上有200个孔，对应车轮滚动一周，将有200个脉冲信号产生。车轮周长为0.167m ，即车轮每转动一周，小车将移动0.167m ，也将有200个脉冲产生，对应到每个脉冲车体移动距离为0.167m/200 = 0.000853m 。这样在固定的时间段内计脉冲的个数就可以达到测速的目的。采用定时的时间间隔为，实际车速1m/s 对应的脉冲数为117个。车速脉冲对应公式：光栅盘及光藕zT LN v 其中，v 为车速，L 为车轮的周长，z 为栅盘的齿数，Ts 为时间间隔，N 为计到的脉冲数

广义对象数学模型的建立

1.2.1 广义对象时间响应特性的测试

1.2.1.1 测试实验接线

C2模块的puluse 孔→B9模块的IRQ7(中断请求)

B9模块的OUT1\→B9模块的IRQ6

B9模块的→B9模块的CLK1

1.2.1.2 测试过程与方法

运行“MATLAB ”程序选择“控制系统”菜单下“直流电动机闭环调速”实验项目，再选择“开始实验”会弹出转速示波器界面，Kp=1,Ti=200,Td=0,T=0,点击开始，C2的开关接到ON,点击发送（尽量在两线重合后再点击），n （t ）变化，观察大达到稳态，点击停止，将C2的开关接到OFF ，然后读数，将屏幕往左移，移到如下图，其中，n （x ）=x[n （∞）-n(0)]+n(0), G （s ）=Φ(s)

-1Φ(s)， 即可得到测试结果曲线。

1.2.1.3 测试结果曲线

由此图可得：n r =2000转/分，n （∞）=1973转/分，n （0）=176转/分 由此图可得：n （8）=1621转/分，t 2=，而实际n （8）=转/

由此图可得：n （4）=898转/分，t 1=，而实际n （4）=895转/分

1.2.2 数学模型辨识

1.2.2.1 辨识方法选择

时域法：通过测量对应特定输入信号的系统输出响应，来确定系统的 传递函数。

按t 1/t 2的值估计结构形式辨识

①当t 1/t 2<可以用一阶惯性环节近似

Φ0(s)=1S T k 00+,T= 2.12t t 2

1+，附加e -ts(时间死区延迟) ②当

)1S T )(1S T (k 210++,k 0= 00)(n n n n r --∞ T 1+T 2=(t 1+t 2)/,

T 1·T 2/（T 1+T 2）2=*t 1/

③t 1/t 2=,Φ0(s)=K 0/(T o S+1)2，T o = 4.36

t t 21+,k 0同前 ④t 1/t 2>, Φ0(s)=K 0/(T 0S+1)n ，n=（2121/t t -1/t 1.075t +）2 n=21215.0075.1???

? ??+-t t t T 0=2.16n

t t 21+ ⑤()222002n n n

s s k s ωξωω++=Φ，()000n n n n k r --∞=，由%100%21/?=--ξπξσe 确定

ξ， 由n

d p t ωξπωπ21-==确定n ω 系统闭环传递函数为：)

10017.0)(10543.0(985.0)(++=ΦS S s 系统开环传递函数为：

()()()()

015.0056.00000927.0985.011111)(1)()(2210210++=++-++=Φ-Φ=s s s T s T k s T s T k s s s G 第二章 转速控制系统的理论分析与计算

未校正闭环控制系统的结构图

简单模型建立的步骤有：1)建立模型窗口。2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，对模块进行连接，从而构成需要的系统模块。

num=[]

den=[ ]

[num,den]=cloop (num,den)

step (num,den)

grid on

xlabel('t')

ylabel('c(t)')

未校正系统的稳定性分析

由于D(S)= ++，所以由劳斯判据得：

s 2

s 1

s 0

由于劳斯判据中第一列数据符号无变化,可以判断出系统稳定。

L(w)，?（w ）判断

由Go(s)=015.0056.00000927.0985

.02++s s 可在MATLAB 程序中运行得到Bode

图，程序及结果图如下：

num=[];

den=[ ];

g=tf(num,den);

marign(g)

grid on

由Z=P-2N=0得出系统是稳定的.

系统稳态误差分析计算

由()17.300168.067.6520++=s s s G 知：系统型别为0，3067.65120001=+=+=p

ss k A e 系统动态质量指标计算

2.4.1 用闭环零、极点分布计算σ%，ts

(1)σ%：()5.107871.604985.020++=

Φs s s ,5.10787,1.60422==n n ωξω 则有191.2,9.103＞==ξωn 故该系统为过阻尼系统，则0%=σ；

(2)ts ：()()()

10017.01054.0982.00++=Φs s s ， 3.332,T T ,0017.0,054.01

2121====T t T T s 查图得：则，所以178.03.31==T t s

2.4.2 用开环L(w)、γ(ωc)、ωc 表计算σ%，ts

num=[];

den=[ ];

g=tf(num,den);

marign(g)

grid on

由于未校正前的ξ>1，所以可以暂时不计算σ%，ts

计算结果说明（应加校正装置）

由上述数据e ss =30015

.0056.00000927.0985.0lim 12000)(lim 12000=+++=+→→s s s G A s s t s =,应为调节时间满足t s <,需加校正系统消除静态误差。这时可以加入积分作用。在整定时积分系数K1由小逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少甚至消除，知道消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数Kp 。

第三章 转速控制系统校正

校正方式的比较与选择

（1）附加负实根极点，使δ%减小，使系统响应速度降低，tp 增大。

（2）附加负实根零点，使δ%增加，使系统响应速度降低，tp 减小。

（3）闭环增益改变，对动态性能无影响。

（4）加比例环节可以提高系统增益。

（5）加微分环节可以加快系统的调节时间。

（6）加积分环节可以减慢系统的调节时间。

选PI校正：

（1）附加负实根极点，使б%减小，使系统响应速度降低，tp增大。

（2）附加负实根零点，使б%增加，使系统响应速度降低，tp减小。

（3）闭环增益改变，对动态性能无影响

用Bode图选择串联校正装置结构和参数

如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时积分系数K1由小逐渐增强，观察输出会发现，系统的静差会逐渐减少甚至消除，知道消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，应适当的降低一点比例系数Kp。

第四章用MATLAB/Simulink仿真设计转速控制系

统

未加校正装置的转速控制系统的仿真分析计算

4.1.1用MATLAB程序

num=[]

den=[ ]

[num,den]=cloop (num,den)

step (num,den)

grid on

xlabel('t')

ylabel('c(t)')

由图得：e ss =30, %σ=0, t s =

4.1.2用simulink 仿真

存在静态误差，其他条件满足校正要求。

加串联校正装置时转速控制系统设计

4.2.1 用simulink 仿真图

PI 校正装置如下图：

k==1,ki=,ts=

由图可知：t s <,无超调并消除静态误差。

确定所选校正装置的结构和参数

PI 校正装置:

()s s s s s G 333.02432.100205.011.223+++= , 020000167.0,0%,17.0≈===ss s e t σ

第五章转速控制系统的校正装置实现和系统运行调

试

用模拟电路实现校正装置(如图所示)

PD PI PID

图

数字校正装置

PD装置：G

C （S）=Kp（1+T

D

S）

PI装置：G

C （S）=Kp（1+1/T

I

S）

PID装置：G

C （S）=Kp（1+1/T

I

S+1/T

D

S）

K p=1,T i=175,t s=

第六章结束语

课程设计的收获和体会

通过课程设计，我们将理论与实践更好的联系起来，通过不断尝试校正，不断修改参数，我们从中掌握了PI校正的一般规律，并且加深了对理论知识的理解。经过本次自动控制原理实验的学习，我对MATLAB 当中的SIMLINK 有了全新的认识，那是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。同

时通过课程的学习，复习了SIMLINK 中的各个环节的操作，掌握了改变步长和算法的基本分析方法

对我们三本学生来讲，要想立足于社会实际能力的培养至关重要，而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的，必须从课堂走向实践。这也是一次预演和准备毕业设计工作。通过课程设计，让我找出自身情况与实际需要的差距，并在以后的学习期间及时补充相关知识，为求职与正式工作做好充分的知识、能里准备，从而缩短从校园走向社会的心理转型期。

建议

1、建议课程设计安排在学完此课程的下一个学期，这样大家可以对课程的有一个全方位的了解，也能保证课程设计的质量。

2、在以后的学习中，希望有更多的机会能参加实践，提高动手能力，

为就业多做准备。