自动控制原理课程设计 (2)
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、设计任务书题 目:同时提高机器人转动关节的稳定性和操作性能，始终是一个具有挑战性的问题。
提高增益可以满足对稳定性的要求，但随之而来的是无法接受过大的超调量。
用于转动控制的电-液压系统的框图如下，其中，手臂转动的传动函数为)150/6400/(100)(2++=s s s G s试设计一个合适的校正网络，使系统的速度误差系数20=v K ，阶跃响应的超调量小于%10。
二、设计过程（一）人工设计过程解：根据初始条件，调整开环传递函数：G(s)=)1506400(1002++s s s要求kv=20，σp≤10%未加补偿时的开环放大系数K=100/s ，校正后K =kv=20/s,因此需要一个k1=51的比例环节，增加此环节后的幅值穿越频率变为20rad/s.计算相位裕度： 由20lg100-20lg80=60lgωc =3210080⨯=86.2rad/sγ0=180-+-18090arctan 16.172.1=-34<0因此系统不稳定先计算相位裕度，判断不稳定由bode 图知系统低频段已满足要求。
待补偿系统在希望的幅值穿越频率ωc附近的中频段的开环对数幅频特性的斜率是-20Db/dec,但该频段20lgG>0Db.因此考虑用滞后补偿。
技术指标为σp=10%，利用教材上的经验公式已无法达到要求。
在另一本教材（《自动控制原理》（第2版）），吴麒主编，清华大学出版社，有另一经验公式σp=γ2000-20利用此公式，得相位裕度γ>67% 技术指标对幅值穿越没有要求。
技术指标对幅值穿越频率ωc没有要求。
20lg G中ω<20时斜率为-20dB/dec ，拟将这部分作为中频段，取ωc=16rad/s在0dB 线上取ωc=16的点B过B 作-20dB/dec 直线至ω=80rad/s 处点C 。
延长CF 至点D ，点D 的角频率就是滞后补偿网络的转折频率ω1。
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、引言自动控制原理课程设计是为了帮助学生深入理解自动控制原理的基本概念、原理和方法，通过实际项目的设计与实现，培养学生的工程实践能力和创新思维。
本文将详细介绍自动控制原理课程设计的标准格式，包括任务目标、设计要求、设计方案、实施步骤、实验结果及分析等内容。
二、任务目标本次自动控制原理课程设计的目标是设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。
通过该设计，学生将能够掌握PID控制算法的基本原理和应用，了解温度传感器的工作原理，掌握温度控制系统的设计和实现方法。
三、设计要求1. 设计一个温度控制系统，能够自动调节温度在设定范围内波动。
2. 使用PID控制算法进行温度调节，实现温度的精确控制。
3. 使用温度传感器实时监测温度值，并将其反馈给控制系统。
4. 设计一个人机交互界面，能够实时显示温度变化和控制系统的工作状态。
5. 设计一个报警系统，当温度超出设定范围时能够及时发出警报。
四、设计方案1. 硬件设计方案：a. 使用温度传感器模块实时监测温度值，并将其转换为电信号输入到控制系统中。
b. 控制系统使用单片机作为主控制器，通过PID控制算法计算控制信号。
c. 控制信号通过电路板连接到执行器，实现温度的调节。
d. 设计一个报警电路，当温度超出设定范围时能够触发警报。
2. 软件设计方案：a. 使用C语言编写单片机的控制程序，实现PID控制算法。
b. 设计一个人机交互界面，使用图形化界面显示温度变化和控制系统的工作状态。
c. 通过串口通信将温度数据传输到电脑上进行实时监控和记录。
五、实施步骤1. 硬件实施步骤：a. 搭建温度控制系统的硬件平台，包括温度传感器、控制系统和执行器的连接。
b. 设计并制作电路板，将传感器、控制系统和执行器连接在一起。
c. 进行硬件连接调试，确保各个模块正常工作。
2. 软件实施步骤：a. 编写单片机的控制程序，实现PID控制算法。
b. 设计并编写人机交互界面的程序，实现温度变化和控制系统状态的实时显示。
自动控制原理课程设计
高阶系统的频域分析及离散化1课程设计目的1) 培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力。
2) 掌握自动控制原理中各种补偿（校正）装置的作用及用法，根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。
3) 学会使用MATLAB 语言进行系统仿真与调试。
4) 锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力。
2高阶系统稳定性的判断原理2.1奈奎斯特稳定判据的数学基础奈奎斯特（Nyquist ）稳定判据（简称奈氏判据）是判断系统稳定性的又一重要方法。
它是将系统的开环频率特性与复变函数 位于S 平面右半部的零、极点数目联系起来的一种判据。
建立在复变函数理论基础上的幅角原理是奈氏判据的数学基础。
开环频率特性 闭环特征方程图2-1控制系统的方框图系统的方框图如图2-1所示)()(ωωj H j G )()(1)(s H s G s F +=)()(ωωj H j G 1()()0G s H s +=设开环传递函数为取辅助函数：辅助函数F(s)的特点：(1) F(s)的零点和极点分别为闭环极点、开环极点。
(2) F(s)的零点、极点个数相同（n 个)。
(3) F(s)与开环传递函数 只相差常量1，F(s)的几何意义为：平面的坐标原点就是平面上的 点.图2-2F(s)=1+G(s)H(s)关系图()()G s H s []()F s []GH (1,0)j-11()()()() =()()m j j n ii K s z M s G s H s N s s p ==-=-∏∏()()()()1()()1()()M s N s M s F s G s H s N s N s +=+=+=*11()()()n j j ni i K s z F s s p ==-=-∏∏2.2幅角原理假设复变函数F(s)为单值，且除了S平面上有限的奇点外，处处都连续,也就是说F(s)在S平面上除奇点外处处解析，那么，对于S平面上的每一个解析点，在F(s)平面上必有一点（称为映射点）与之对应。
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解自动控制原理的基本概念，掌握控制系统数学模型的建立方法；2. 掌握控制系统性能指标及其计算方法，了解各类控制器的设计原理；3. 学会分析控制系统的稳定性、快速性和准确性，并能够运用所学知识对实际控制系统进行优化。
技能目标：1. 能够运用数学软件（如MATLAB）进行控制系统建模、仿真和分析；2. 培养学生运用自动控制原理解决实际问题的能力，提高学生的工程素养；3. 培养学生团队协作、沟通表达和自主学习的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制原理的兴趣，激发学生探索科学技术的热情；2. 培养学生严谨、务实的学术态度，树立正确的价值观；3. 增强学生的国家使命感和社会责任感，认识到自动控制技术在国家经济建设和国防事业中的重要作用。
本课程针对高年级本科学生，结合学科特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果，为后续的教学设计和评估提供依据。
课程注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和解决实际问题的能力，为培养高素质的工程技术人才奠定基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 自动控制原理基本概念：控制系统定义、分类及其基本组成；控制系统的性能指标；控制系统的数学模型。
2. 控制器设计：比例、积分、微分控制器的原理和设计方法；PID控制器的参数整定方法。
3. 控制系统稳定性分析：劳斯-赫尔维茨稳定性判据；奈奎斯特稳定性判据。
4. 控制系统性能分析：快速性、准确性分析；稳态误差计算。
5. 控制系统仿真与优化：利用MATLAB软件进行控制系统建模、仿真和分析；控制系统性能优化方法。
6. 实际控制系统案例分析：分析典型自动控制系统的设计原理及其在实际工程中的应用。
教学内容按照以下进度安排：第一周：自动控制原理基本概念及控制系统性能指标。
第二周：控制系统的数学模型及控制器设计。
第三周：PID控制器参数整定及稳定性分析。
第四周：控制系统性能分析及MATLAB仿真。
自动控制设计(自动控制原理课程设计)
自动控制原理课程设计本课程设计的目的着重于自动控制基本原理与设计方法的综合实际应用。
主要内容包括：古典自动控制理论（PID ）设计、现代控制理论状态观测器的设计、自动控制MATLAB 仿真。
通过本课程设计的实践，掌握自动控制理论工程设计的基本方法和工具。
1 内容某生产过程设备如图1所示，由液容为C1和C2的两个液箱组成，图中Q 为稳态液体流量)/(3s m ，i Q ∆为液箱A 输入水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，1Q ∆为液箱A 到液箱B 流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，2Q ∆为液箱B 输出水流量对稳态值的微小变化)/(3s m ，1h 为液箱A 的液位稳态值)(m ，1h ∆为液箱A 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ，2h 为液箱B 的液位稳态值)(m ，2h ∆为液箱B 液面高度对其稳态值的微小变化)(m ，21,R R 分别为A ，B 两液槽的出水管液阻))//((3s m m 。
设u 为调节阀开度)(2m 。
已知液箱A 液位不可直接测量但可观，液箱B 液位可直接测量。
图1 某生产过程示意图要求1. 建立上述系统的数学模型；2. 对模型特性进行分析，时域指标计算，绘出bode,乃示图，阶跃反应曲线3. 对B 容器的液位分别设计：P ，PI ，PD ，PID 控制器进行控制；4. 对原系统进行极点配置，将极点配置在－1＋j 和－1－j ；（极点可以不一样）5. 设计一观测器，对液箱A 的液位进行观测（此处可以不带极点配置）；6. 如果要实现液位h2的控制，可采用什么方法，怎么更加有效？试之。
用MATLAB 对上述设计分别进行仿真。
（提示：流量Q=液位h/液阻R ，液箱的液容为液箱的横断面积，液阻R=液面差变化h ∆/流量变化Q ∆。
）2 双容液位对象的数学模型的建立及MATLAB 仿真过程一、对系统数学建模如图一所示，被控参数2h ∆的动态方程可由下面几个关系式导出： 液箱A ：dt h d C Q Q i 111∆=∆-∆ 液箱B ：dth d C Q Q 2221∆=∆-∆ 111/Q h R ∆∆= 222/Q h R ∆∆= u K Q u i ∆=∆消去中间变量，可得：u K h dt h d T T dt h d T T ∆=∆+∆++∆222122221)( 式中，21,C C ——两液槽的容量系数21,R R ——两液槽的出水端阻力 111C R T =——第一个容积的时间常数 222C R T =——第二个容积的时间常数 2R K K u =_双容对象的放大系数其传递函数为：1)()()()(212212+++=∆∆=S T T S T T KS U S H S G二．对模型特性进行分析，绘出bode,奈氏图，阶跃反应曲线 当输入为阶跃响应时的Matlab 仿真： 令T1=T2=6；K=1112361)()()(22++=∆∆=S S S U S H S G 2)16(1+=S单位阶跃响应的MATLAB 程序： num1=[1];den1=[36 12 1]; G1=tf(num1,den1); figure(1); step(G1);xlabel('时间(sec)');ylabel('输出响应');title('二阶系统单位阶跃响应'); step(G1,100); 运行结果如下：阶跃反应曲线：图1c(∞)=1; c(t p )=1; t p =45.5s; t d =10s; t s =45.5s; 最大超调量：δ(t p )= [c(t p )- c(∞)]/ c(∞)*100%=0%稳态误差分析： 开环传递函数112361)()()(22++=∆∆=S S S U S H S G ，稳态误差1=ss e ；用MATLAB绘制的奈氏图如下图2所示，其程序如下：nyquist([1],conv([6 1],[6 1]))图2在工程实践中，一般希望正相角裕度r为45o~60o,增益裕度Kg10≥dB,即Kg3≥。
《自动控制原理》课程设计
名称：《自动控制原理》课程设计题目：基于自动控制原理的性能分析设计与校正院系：建筑环境与能源工程系班级：学生姓名：指导教师：目录一、课程设计的目的与要求------------------------------3二、设计内容2.1控制系统的数学建模----------------------------42.2控制系统的时域分析----------------------------62.3控制系统的根轨迹分析--------------------------82.4控制系统的频域分析---------------------------102.5控制系统的校正-------------------------------12三、课程设计总结------------------------------------17四、参考文献----------------------------------------18一、课程设计的目的与要求本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。
设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。
使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。
通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。
通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。
2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。
3.能灵活应用MATLAB的CONTROL SYSTEM 工具箱和SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。
自动控制原理课程设计任务书2015
自动控制原理课程设计任务书1同步发电机激磁控制系统如图所示。
被控对象为三相交流同步发电机，它被原动机驱动以恒速旋转。
系统的输出量（即被控制量）为发电机输出的三相交流电压c u 。
激磁电压f u 控制c u 的大小。
经电压互感器和整流滤波电路的变换后，得到与c u 成比例的反馈电压b u 。
已知：（1） 可控硅整流装置放大系数40tr K =，整流装置内阻 3.24r R =Ω。
（2） 同步发电机的电压放大系数30f K =，正常运行时激磁回路的时间常数3f T =。
（3） 电压检测装置的电压反馈系数10b K =，测量装置的时间常数2b T =。
要求：（１） 根据原理图，建立系统的传递函数。
（２） 绘出系统的结构图。
（３） 分析系统时域和频域性能。
（４） 用频率法校正并确定参数，使系统校正后满足下列性能指标： 30, 6.7,40o v c c K ωγ≥≥≥。
自动控制原理课程设计任务书2转速负反馈调速系统如下图所示。
该系统由触发整流装置、直流电动机、测速反馈装置和放大器组成。
给定电位器给出一个控制电压sn U ，与反馈电压fn U 相比较后得到偏差电压U ∆，经过放大器产生触发装置的控制电压c U ，用以控制电动机的转速。
改变控制电压就改变触发器控制角α及整流电压dc U ，相应地就改变电动机的转速，达到调速的目的。
已知：（1） 电动机额定数据为2.2kW ，220V ，12.5A ，1500r/min ，电枢电阻 1.36d R =Ω。
（2） 触发整流装置放大系数40tr K =，整流装置内阻 3.24r R =Ω。
（3） 平波电抗器电阻0.4s R =Ω。
（4） 测速发电机的额定数据为22W ，110V ，0.2A ，2000r/min 。
要求：（１） 根据原理图，建立系统的传递函数。
（２） 绘出系统的结构图。
（３） 分析系统时域性能和频域性能。
（４） 用根轨迹法校正并确定参数，使系统校正后满足下列性能指标：超调量小于8%,调节时间小于0.1秒。
自动控制原理第八版英文版课程设计 (2)
3.1 System Model
To design a control system for the two-tank liquid level control process, we need to first develop a mathematical model of the process. The model will help us understand the behavior of the process and design a control system that can stabilize the system and achieve the desired performance objectives.
The PID controller has three tuning parameters: the proportional gn (Kp), the integral gn (Ki), and the derivative gn (Kd). These parameters determine the responsiveness, st of the control system.
The control system will consist of two major components: a measurement system and a control system. The measurement system will consist of a level sensor that measures theliquid level in the lower tank. The control system will consist of a controller that processes the input from the level sensor and adjusts the flow rate of the liquid into the upper tank accordingly.
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转子绕线机控制系统的串联滞后-
超前校正设计
目录
1 初始条件 (1)
2 要完成的任务 (1)
3 设计方案 (2)
4 分析与计算 (2)
4.1 计算校正后系统的传递函数 (2)
4.2 绘制根轨迹 (5)
4.3仿真，阶跃响应 (7)
4.3.1 校正前系统的阶跃响应 (7)
4.3.2 校正后系统的阶跃响应 (8)
5 小结 (9)
参考文献 (11)
转子绕线机控制系统的串联滞后-超前校正设计
1 初始条件
已知转子绕线机控制系统的开环传递函数:
)
10)(5()(++=
s s s K
s G
要求系统的静态速度误差系数115-≥s K v ， 60≥γ。
2 要完成的任务
1、 M ATLAB 作出满足初始条件的最小K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。
2、 前向通路中插入一滞后超前校正装置，确定校正网络的传递函数。
3、 用Matlab 画出未校正和已校正系统的根轨迹。
4、 用Matlab 对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，计算其时域性能指标。
5、 课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。
3 设计方案
根据要求设计滞后超前校正装置，确定各参数值，通过matlab 对校正后系统编程分析，最终确定满足要求的传递函数，并通过matlab 绘制系统的bode 图、根轨迹以及通过Simulink 对系统进行阶跃函数的仿真，计算时域指标。
4 分析与计算
4.1 计算校正后系统的传递函数
有初始条件可知，系统的开环传递函数是：)
10)(5()(++=
s s s K
s G ，要求校正后的速
度误差系数115-≥s K v ，首先将传递函数化简成标准形式，可得到：
)
11.0)(12.0(50
/)(++=s s s K s G
根据速度误差系数公式1
-=
v v s k k 可得到：K=750，则开环传递函数为:
)
11.0)(12.0(15
)(++=s s s s G
令s=jw ，带入到上式，得到：
w w w w w jw G 1.0arctan 2.0arctan 9001.0104.0115
)(02
2---∠++=
利用matlab 求解系统开环传递函数的相角裕度和截止频率，以下是程序： K=750;
G=zpk([],[0 -5 -10],K) bode(G);grid;
[h,r,wx,wc]=margin(G)
可得到相角裕度r= 2.3353e-005，截止频率c w =7.07rad/s ，穿越频率x w =7.07rad/s ，幅值裕度h=1。
以下是运用matlab 得到的bode 图：
图4-1 校正前系统的bode 图
接下来计算之后超前网络的传递函数，令"c w =x w ，x w =7， a w =0.01"
c w =0.07，
b w =0.1"
c w =0.7，
d w =22，绘制校正前后的对数幅频渐近特性曲线：
图4-2 校正前后的对数幅频渐近特性曲线
由系统校正后的对数幅频渐近特性曲线可写出系统校正后的传递函数：
2
)122/)(107.0/()
17.0/(15)(+++=
s s s s s G
运用matlab 计算校正后系统的相角裕度，程序如下：
n=[21.428 15]
d=[0.0295 1.3 14.377 1 0] g1=tf(n,d)
[mag,phase,w]=bode(g1) margin(g1)运行后得： r=60.7︒
Bode 图如下：
图4-3 校正后系统的bode图4.2 绘制根轨迹
校正前系统根轨迹程序：
num=1
den=conv(conv([1,0],[1,5]),[1,10])
rlocus(num,den)
title('校正前系统根轨迹图')
图4-4 校正前系统根轨迹
校正后系统根轨迹程序：
>> n=[1 0.7];
>> d=[1 44.07 487.08 33.88];
>> g1=tf(n,d);
>> rlocus(g1);
图4-5 校正后系统根轨迹程序
4.3仿真，阶跃响应
4.3.1 校正前系统的阶跃响应
通过Simulink构造校正前系统模型，如下所示：
图4-6 校正前系统模型
仿真结果如下图所示，由图可知，系统的峰值时间p t=1.5s，系统不稳定。
图4-7 校正前系统的阶跃响应曲线
4.3.2 校正后系统的阶跃响应
通过Simulink 构造校正后系统模型，如下所示：
图4-8 校正后系统模型
仿真结果如下图所示：由图可知，校正后系统的峰值时间p t =3s ，最大值m h =1.2，终
值∞h =1，调节时间s t =5s ，根据超调量公式%100⨯-=
∞
∞
h h h m δ可得到超调量δ=20%。
图4-9 校正后系统的阶跃响应曲线
通过对系统开环传递函数的校正，可以看出，校正之后系统最终趋于一个稳定的值，而不像校正之前的程发散状态。
从bode图可以看到，校正后系统的相角裕度为60.7度，静态速度误差系数为15，均满足题目要求，由此可以看出，串入的滞后超前传递函数达到了预期的要求。
5 小结
自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大的提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动条件，丰富和提高了人民的生活水平。
在今天的社会生活中，自动化装置无所不在，为人类文明进步做出了重要贡献。
我所做的题目是转子绕线机控制系统的串联滞后-超前校正设计，对于滞后超前校正，理论知识很容易理解，但真正的要去解答实际问题，总是会遇到很多我们在课本上没有遇到的问题，比如对于这个题目，若按照《自动控制原理》课本上讲述的方法，不仅做起来很麻烦，而且得不到满足要求的传递函数，经过查找资料和老师的讲解，运用另外一种方法，可以求出校正后满足要求的系统，但对于滞后超前传递函数，又不满足标准形式，诸如此类问题，如果没有通过课程设计，没有通过仿真软件进行仿真，是很难发现的。
不仅如此，通过这次的课程设计，还对仿真软件matlab的强大功能有了进一步的了解，比如绘制根轨迹、bode图等，这为我以后更好的应用这款软件奠定了基础。
通过本学期对《自动控制原理》这门课程的学习，是我对自动化专业有了更深的了解，同时极大的提高了我对自动化专业的兴趣。
课堂学习主要注重于理论知识，而我们要将所学知识应用于实际，在此阶段，课程设计便是最好的选择了，通过课程设计，我们可以温习我们所学的理论知识，同时为将理论知识运用于实际搭建了一个很好的平台，不仅如此，通过这次的课程设计，使我知道了在当今的信息技术如此发达的世界中，我们必须运用多种渠道，去学习研究。
并要很好的运用计算机和一些软件，只有这样，我们才能更好地、精确地、快速地解决问题。
还有就是提高了自主解决问题的能力。
参考文献
[1] 胡寿松.自动控制原理(第四版).北京科学出版社，2007
[2] 胡寿松.自动控制原理(第五版).北京科学出版社，2007
[3] 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助技术.机械工业出版社，2005
[4] 蒋珉.控制系统计算机仿真.电子工业出版社，2006
[5]刘卫国.MATLAB程序设计教程.中国水利水电出版社，2005。