自动控制原理课程设计(PWM开关放大器驱动控制系统校正装置设计)
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》课程设计位置随动系统的超前校正
位置随动系统的超前校正1 设计任务及题目要求1.1 初始条件图1.1 位置随动系统原理框图图示为一随动系统，放大器增益为Ka=59.4，电桥增益Kτ=6.5,测速电机增益Kt=4.1,Ra=8Ω,La=15mH,J=0.06kg.m/s2JL =0.08kg.m/s2,fL=0.08,Ce=1.02,Cm=37.3,f=0.2,Kb＝0.1,i=11.2 设计任务要求1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数；2、出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计超前校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。
3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较其时域相应曲线有何区别，并说明原因。
2 位置随动系统原理2.1 位置随动系统工作原理工作原理：该系统为一自整角机位置随动系统，用一对自整角机作为位置检测元件，并形成比较电路。
发送自整角机的转自与给定轴相连；接收自整角机的转子与负载轴（从动轴）相连。
TX 与TR 组成角差测量线路。
若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度1θ，则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压e u ，它是一个振幅为em u 、频率与发送自整角机激励频率相同的交流调制电压，即sin e em u u t ω=⋅在一定范围内，em u 正比于12θθ-，即12[]em e u k θθ=-，所以可得12[]sin e e u k t θθω=-这就是随动系统中接收自整角机所产生的偏差电压的表达式，它是一个振幅随偏差（12θθ-）的改变而变化的交流电压。
因此，e u 经过交流放大器放大，放大后的交流信号作用在两相伺服电动机两端。
电动机带动负载和接收自整角机的转子旋转，实现12θθ=，以达到跟随的目的。
为了使电动机转速恒定、平稳，引入了测速负反馈。
系统的被控对象是负载轴，被控量是负载轴转角2θ，电动机施执行机构，功率放大器起信号放大作用，调制器负责将交流电调制为直流电供给直流测速发电机工作电压，测速发电机是检测反馈元件。
自动控制原理课程设计
审定成绩：自动控制原理课程设计报告题目：单位负反馈系统设计校正学生姓名罗衡班级0903班院别物理与电子学院专业电子科学与技术学号14092500060 指导老师杜健嵘设计时间2011.12目录一、设计题目 (1)二、设计要求 (1)三、设计思路 (1)四、设计方法与步骤 (1)（1）确定系统开环增益 (2)（2）分析校正前系统性能指标 (2)（3）选择校正方案 (4)（4）设置校正装置的参数 (5)（5）分析校正后系统性能指标 (6)五、验证与对比 (8)六、参考文献 (9)自动控制原理课程设计一、设计题目设单位负反馈系统的开环传递函数为)12.0)(11.0()(0++=s s s K s G ，用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：（1）相角裕度045≥γ（2）在单位斜坡输入下的稳态误差05.0＜ss e （3）系统的剪切频率s /rad 3＜c ω二、设计要求（1）分析设计要求，说明校正的设计思路（超前校正，滞后校正或滞后－超前校正）（2）详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode 图，校正装置的Bode 图，校正后系统的Bode 图）（3）用MATLAB 编程代码及运行结果（包括图形、运算结果） （4）校正前后系统的单位阶跃响应图。
三、设计思路根据题目要求的稳态误差 e ss 的值，确定开环增益 K ，再得到校正前系统的传递函数及频率特性，利用matlab 画出其 bode 图，从图形及结果可以得到校正前系统的相角裕度γ和剪切频率ωc ，判断这两项指标是否符合要求，若不符合，则选择合适的校正装置，确定并计算出校正装置的参数 a 和 T 。
即得校正装置的传递函数，然后得到校正后系统的开环传递函数及频率特性，最后验证已校正系统的γ和ωc 是否都达到要求。
如果有指标仍未达标。
则须另取合适的w c 的四、设计方法与步骤（1）确定系统开环增益单位负反馈系统的误差传递函数为：)12.0)(11.0()12.0)(11.0()()(11)()s (K s s s s s s s H s G s R E +++++=+= 根据稳态误差的定义，在单位斜坡输入信号t t r =)(（2s 1)(=s R ）作用下的稳态误差为：K1)()(1)(lim)]([lim )(lim =+=⋅==∞→∞→∞→s H s G s sR s E s t e e s s s ss现要使稳态误差05.0＜ss e ，则K>20,取开环增益K=21即可满足系统对稳态误差的要求。
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。
自动控制原理课程设计
课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 一类位置随动系统的滞后校正初始条件：图示为一位置随动系统，放大器增益为Ka=15，电桥增益6K=,测速电机增益εk=，Ra=7Ω，La=10mH，J=0.005kg.m/s2，J L=0.03 kg.m/s2,f L=0.08,C e=1,Cm=3,f=0.1,K b 2t＝0.2,i=0.02要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数；2、求出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计滞后校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。
3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较校正前后区别，并说明原因。
时间安排：1.15～16 明确设计任务，建立系统模型1.17～19 计算频域性能指标，设计校正装置1.23～24 仿真分析，撰写课程设计报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的。
在很多情况下，随动系统特制被控量是机械位移的比还控制系统。
控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。
位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，调速系统的给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统的抗干扰能力往往显得十分重要。
而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。
简言之，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。
在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。
控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。
在自动控制理论中，数学模型有多种形式。
时域中常用的数学模型有微分方程、差分方程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率特性等。
PWM控制技术的原理和程序设计
PWM控制技术的原理和程序设计PWM（Pulse Width Modulation）控制技术是一种通过改变方波脉冲的宽度来控制电路或设备的技术。
它通常被用于控制电机的速度、电子设备的亮度调节、音频的合成以及电源的调整等应用中。
PWM控制技术的原理是基于调制的整个周期中，方波的高电平时间（即脉冲宽度）与频率的比例关系来实现对电路或设备的控制。
当脉冲宽度为周期的一定比例时，控制电路或设备会按照一定的方式响应，例如电机运动的速度或电子设备的亮度。
1.初始化控制器：首先需要初始化控制器，包括选择合适的计时器和设置计时器的频率，以及将相关引脚配置为PWM输出。
2.设置频率与分辨率：根据实际需求设置PWM的频率和分辨率。
频率决定了周期的长度，而分辨率决定了脉冲宽度的精度。
3.计算脉冲宽度：根据需要控制的电路或设备，计算脉冲宽度的值。
这可以通过设定一个数值来代表脉冲宽度的百分比，然后根据设定的分辨率计算出实际的脉冲宽度。
4.控制输出：通过设置计时器的比较匹配值来控制PWM输出。
比较匹配值决定了方波高电平的结束时间，从而决定了脉冲宽度。
5.循环运行：将上述步骤放入一个循环中，不断更新脉冲宽度并输出PWM信号。
这样可以实现对控制电路或设备的持续控制。
需要注意的是，在实际的 PWM 程序设计中，还需要考虑到不同平台和编程语言之间的差异。
例如，在 Arduino 平台上，可以使用`analogWrite(`函数来实现 PWM 输出；而在其他平台上，可能需要使用特定的库或编程接口来控制 PWM 输出。
总结起来，PWM控制技术的原理是通过改变方波脉冲的宽度来控制电路或设备。
程序设计中，需要初始化控制器、设置频率和分辨率、计算脉冲宽度、控制输出，并将这些步骤放入一个循环中。
这样就可以实现对电路或设备的持续控制。
自动控制原理课程设计
用MATLAB 进行控制系统的超前校正设计1 超前校正的原理及方法1.1 超前校正的概念所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，是系统整个特性发生变化。
校正的目的是为了在调整发大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标的情况下，通过加入的校正装置，是系统性能全面满足设计要求。
超前校正就是在前向通道中串联传递函数为：1(),11aTsGc s a Ts +=>+的校正装置，其中参数a ，T 为可调，如图1.1所示。
)t 图1.1 超前校正校正的目的是为了在调整放大器增益后仍然不能满足设计要求的性能指标的情况下，通过加入校正装置，使系统性能能够满足设计要求。
1.2 超前校正的原理超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，如增加相位裕度，提高系统稳定性等。
最大超前相角m ϕ 及最大超前相角时的频率m ω超前校正的频率特性：1()1c jaT G j jT ωωω+=+相频特性：()c arctgaT arctgT ϕωωω=-将上式对ω求导并令其为零，最大超前角频率：m ω=最大超前角频率：同时还易知 ''m c ωω=ϕm 仅与衰减因子a 有关。
a 值越大，超前网络的微分效应越强。
但a 的最大值受到超前网络物理结构的制约，通常取为20左右（这就意味着超前网络可以产生的最大相位超前大约为65度）如果要得大于的相位超前角，可用两个超前校正网络串联实现，并在串联的两个网络之间加一个隔离放大器，以消除它们之间的负载效应。
利用超前网络或PD 控制器进行串联校正的基本原理，是利用超前网络或PD 控制器的相角超前特性。
只要正确地将超前网络的交接频率1/aT 或1/T 选在待校正系统截止频率的两旁，并适当选择参数a 和T ，就可以使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求，从而改善系统的动态性能。
使校正后系统具有如下特点：低频段的增益满足稳态精度的要求；中频段对数幅频特性的斜率为-20db/dec ，并具有较宽的频带，使系统具有满意的动态性能；高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声的影响。
自动控制原理课程设计
总结词
自动控制系统是一种无需人为干 预，能够根据输入信号和系统内 部参数自动调节输出信号，以实 现特定目标的系统。
详细描述
自动控制系统通过传感器检测输 入信号，经过控制器处理后，输 出控制信号驱动执行机构，以调 节被控对象的输出参数。
自动控制系统分类
总结词
根据不同的分类标准，可以将自动控制系统分为多种类型。
生对自动控制原理的理解和应用能力。
03
教学效果
通过本次课程设计，学生能够掌握自动控制系统的基本原理和设计方法，
具备一定的系统分析和设计能力，为后续的专业学习和实践打下坚实的
基础。
课程设计展望
加强实践环节
在未来的课程设计中，可以进一步增加实践环节的比重，通过更多的实验和项目实践，提 高学生的动手能力和解决实际问题的能力。
软件测试与调试
对软件进行测试和调试，确保软件功能正确、 稳定。
控制系统应用实例
温度控制系统
以温度为被控量，实现温 度的自动控制，应用于工 业、农业等领域。
液位控制系统
以液位为被控量，实现液 位的自动控制，应用于化 工、水处理等领域。
电机控制系统
以电机转速或位置为被控 量，实现电机的自动控制， 应用于工业自动化、电动 车等领域。
详细描述
根据控制方式，自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环 控制系统；根据任务类型，可以分为调节系统、随动系统和 程序控制系统；根据控制对象的特性，可以分为线性控制系 统和非线性控制系统。
自动控制系统基本组成
总结词
自动控制系统通常由输入环节、控制环节、执行环节和被控对象组成。
详细描述
输入环节负责接收外部信号并将其传输给控制环节；控制环节通常由控制器组 成，用于处理输入信号并产生控制信号；执行环节接收控制信号并驱动执行机 构；被控对象是受控对象，其输出参数由执行机构调节。
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自动控制原理课程设计题目 PWM开关放大器驱动控制系统校正装置设计
专业电气工程及其自动化
姓名
班级学号
指导教师职称副教授
一、设计目的
通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、一般电学系统自动控制方法的基础上，用MATLAB 实现系统的仿真和测试。
二、设计要求
收集和查阅有关技术资料，独立完成所承担的设计课题的全部内容，初步掌握设计原则、设计方法、设计步骤、和设计规范的应用；
对工程设计方案进行选择和分析；绘制设计图；
撰写说明书，具体要求如下：
1、根据所学控制理论知识（频域法、根轨迹法等）进行人工设
计校正装置，初步设计出校正装置传递函数形式及参数；
2、在 MATLAB 下，用 simulink 进行动态仿真，在计算机上对人工设计系统进行仿真调试，使其满足技术要求；
3、确定校正装置的电路形式及电路参数（选作）；
4、完成设计报告。
三、设计题目
某型脉冲宽调（ PWM ）开关放大器驱动控制系统校正装置设计。
已知某型脉冲宽调（ PWM ）开关放大器驱动控制为单位反馈系统，其开环传递函数为：G0 s K
，使用 bode 图设计法对系
s(s 1)( s 4)
统进行滞后串联校正设计，使系统满足：静态速度误差系数K V10s 1；系统校正后的增益裕量K g10dB ;系统校正后的相角裕量50 。
四、设计原理
所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的
机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。
串联校正设计比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种
必要的形式变化。
当一个系统的动态响应是满足要求的，为改善稳态性能，而又不影响其动态响应时，可采用串联滞后校正装置。
可增加一对相互靠得很近并且靠近原点的开环零、极点，使系统的开环放大倍数提高倍，而不影响对数频率特性的中、高段特性。
串联滞后校正装置还可利用其低通滤波特性，将系统高频部分的
幅值衰减，降低系统的剪切频率，提高系统的相角裕量，以改善系统的稳定性和其他动态性能，同时应保持未校正系统在要求的开环剪切频
率附近的相频特性曲线基本不变。
四、设计步骤
1、根据静态速度误差系数K V确定开环增益K;
2、利用已确定的开环增益K ，画出校正前系统的对数频率特性
bode 图，并求出相角裕量
0 ，幅值裕量K g；
3、在bode 图上求出未校正系统相角裕量期望值处的频率
c2，c2作为矫正后系统的剪切频率，用来补偿滞后校正网络
c2处
的相角滞后，通常取 5 ~15；
4、令未校正系统在
c2
处的幅值为20 lg，由此确定滞后网络的值；
5、确定滞后校正网络的第二个转折频率为c21
c2 ~ c 2 ；210
6、校正装置的传递函数为G c s s 1
；s1
7、画出校正后系统的bode 图，并校验性能指标。
若不满足要求，可改变值重新设计。
五、设计过程
原开环传递函数为
K
G0 s
s(s 1)( s 4)
其标准形式为
0.25K
G0 s
s(s 1)(0.25s1)
根据题目静态误差系数
K V10s 1
由
K V lim sG s H s
s 0
lim0.25K
s 1 0.25s 1
s 0
0.25K
10
可得
K 40
故原开环传递函数为
G0
10
s
s( s 1)(0.25s 1)
根据
G j c H j c1
180( c )
K g20 lg G j g H j g dB
A c1
2
c1c1
10
1 0.25
1
c1
21
c1
90 arctan c1arctan0.25 c1可求得未校正前各参数
K g 5.89dB c12.78r a d/s0180c115
使用 MATLAB画出准确的 bode 图
>>num=10;
>>f1=[1,0];f2=[1,1];
>>f3=[0.25,1];
>>den=conv(f1,conv(f2,f3));
>>bode(num,den);
其 bode 图如下图所示：
当取7 时，未校正系统中对应相角裕量
期望值50 7 57
时
的频率当
c2
c2
0.488rad / s
0.488rad / s时，令未校正系统的开环对数幅值为20 lg，从
而可求出校正装置的参数，即
L c220 lg25.3dB
18.41
选取
1c2
0.0488
2
10
20.49
滞后校正装置的传递函数为
s 120.49s1
G c s
s 1 377.22s 1
则校正后系统的开环传递函数为
40(20.49s1)
G s G0 s G c s
s(s 1)( s 4)(377.22s1)使用 MATLAB 画出 bode 图
>>num=10*[20.49,1];
>>f1=[1,0];f2=[1,1];
>>f3=[0.25,1];f4=[377.22,1];
>>den=conv(f1,conv(f2,conv(f3,f4)));
>>bode(num,den);
则进行校正后系统的bode 图为
可得校正后系统参数
K g 18.8dB51
与题目所要求符合
将校正前后 bode 图进行比较
使用 MATLAB
>>num=10;
>>f1=[1,0];f2=[1,1];
>>f3=[0.25,1];
>>den=conv(f1,conv(f2,f3));
>>bode(num,den);
Hold on
>>num=10*[20.49,1];
>>f1=[1,0];f2=[1,1];
>>f3=[0.25,1];f4=[377.22,1];
>>den=conv(f1,conv(f2,conv(f3,f4)));
>>bode(num,den);
六、在 MATLAB中，用SIMULINK进行仿真根据题目，输入脉冲信号，则有
未校正前
仿真结果校正后
仿真结果
七、设计体会
这一次的自动控制原理课程设计是对本学期《自动控制原理》所学部分的一次综合应用，设计的过程中，用到了以前各章的知识点，
在我一步步解决问题时也遇到了不少麻烦，通过与同学交流，查找各方面资料，终于一一解决。
可以说，通过本次课程设计与书本知识的
回顾，我对自动控制原理这门课有了更深层次的理解，对于好多以往不清楚的概念，不明就里的话我都重新学习理解，尤其是对我所进行
的串联滞后校正这一部分内容的反复研习，感觉受益匪浅。
并且真正在实践中体会到了思考、学习的乐趣。
在这次的课程设计中我也第一
次使用到了MATLAB这一设计软件，通过书本上的介绍，我对MATLAB 有了初步的了解，并学会了一些基本的操作，比如画bode 图，进行动态仿真。
我真切体会到MATLAB 功能的强大，但目前我
所了解的只是皮毛中的皮毛，需要日后不断地自主学习才能有更深层
的掌握，另外，在用WORD 进行设计论文的编排中,，我也学习了像公式编辑器等不少新东西，感触颇深。
总而言之，这是我第一次进行课程设计，学到了不少实用的东西，但论文仍然有诸多不足之处，需以此为基础，在以后的设计中不断完善，提高自己的水平。
八、参考文献
【1】谢克明 .自动控制原理（第二版） .北京 .电子工业出版社【2】胡寿松 .自动控制原理习题集（第二版） .北京 .科学出版社。