武汉科技大学自动控制原理课程设计
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
自动控制原理课程设计
在本次自动控制原理课程设计中，我们将设计一个基于微处理器的温度控制系统。
该系统的目标是通过测量并控制一个封闭环境中的温度，使其始终保持在设定的范围内。
在该系统中，我们将使用一种温度传感器来获取环境的当前温度，并通过微处理器进行处理和控制。
首先，我们需要利用模拟电路将传感器的输出转换为数字量，以便微处理器进行处理。
这可以通过使用模数转换器来实现，该转换器将模拟信号转换为数字信号。
在微处理器中，我们将设计一个控制算法，通过与设定值进行比较来确定温度是否在设定范围内。
如果温度超出了设定范围，控制算法将生成一个控制信号，用于调节环境中的加热器或冷却器。
为了避免温度波动过大，我们可以设计一个比例控制算法，该算法根据温度偏差的大小调整控制信号的大小。
除了控制算法外，我们还需要设计一个用户界面，以便用户可以监视和调整系统的设置。
用户界面将使用显示器和按键来实现，显示器将显示当前温度和设定值，按键用于调整设定值。
为了保证系统的稳定性和安全性，我们还需要设计一些保护措施。
例如，当温度超出安全范围时，系统应该能够自动停止加热或冷却操作，并发出警报作为提醒。
最后，我们需要进行系统的测试和调试。
我们将使用模拟环境和实际环境进行测试，以确保系统在各种情况下都能正常运行。
通过这个设计项目，我们将能够深入了解自动控制原理的应用，并学习如何设计和实现一个实际的控制系统。
同时，我们还将培养系统设计和调试的技能，以及团队合作和沟通能力。
单位负反馈系统设计校正 自动控制原理课程设计武汉科技大学自动化.
武汉科技大学自动控制原理课程设计课程名称：单位负反馈系统设计校正班级：自动化2010级1006班学号：20100*****姓名：王立指导教师：熊凌2013年1月2日目录1课程设计内容以及要求 (1)1.1设计内容 ............................................................................................................................. 1 1.2 内容 .................................................................................................................................... 1 1.3设计要求 ............................................................................................................................. 2 2系统的分析 (2)2-1原系统的分析 .................................................................................................................... 2 2-2 超前校正系统 ................................................................................................................... 4 2-3 滞后校正系统分析 ........................................................................................................... 6 3 系统滞后超前分析 .. (9)3-1系统滞后超前校正 ............................................................................................................ 9 3﹣2校正系统的实现方式 .................................................................................................... 11 实验小结.. (13)1课程设计内容以及要求1.1设计内容已知单位负反馈系统的开环传递函数为：1()(1)(1)10100k G s Ks s s =++用用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。
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
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计是针对自动控制原理课程的学习内容和要求进行的实践性教学任务。
其目的是通过设计和实现一个自动控制系统，加深学生对自动控制原理的理解和应用能力。
一般来说，自动控制原理课程设计包括以下几个步骤：
1. 选题：根据课程要求和学生的实际情况，选择一个合适的自动控制系统作为课程设计的对象。
可以选择一些简单的控制系统，如温度控制、水位控制等，也可以选择一些复杂的控制系统，如飞行器控制、机器人控制等。
2. 系统建模：对选定的控制系统进行建模，包括确定系统的输入、输出和状态变量，建立系统的数学模型。
可以使用传递函数、状态空间等方法进行建模。
3. 控制器设计：根据系统模型和控制要求，设计合适的控制器。
可以使用经典控制方法，如比例积分微分（PID）控制器，也可以使用现代控制方法，如状态反馈控制、最优控制等。
4. 系统仿真：使用仿真软件（如MATLAB/Simulink）对设计的控制系统进行仿真，验证控制器的性能和稳定性。
5. 硬件实现：将设计的控制器实现到实际的硬件平台上，如单片机、PLC等。
可以使用编程语言（如C语言、Ladder图等）进行编程。
6. 系统调试：对实际的控制系统进行调试和优化，使其达到设计要求。
可以通过实验和测试来验证系统的性能。
7. 实验报告：根据课程要求，撰写实验报告，包括实验目的、方法、结果和分析等内容。
通过完成自动控制原理课程设计，学生可以深入理解自动控制原理的基本概念和方法，掌握控制系统的设计和实现技术，提高自己的实践能力和创新能力。
《自动控制原理》课程设计报告书
信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：自动控制原理课程设计班级：自动化2010级3班学号：姓名：指导教师：2013年1月一．需求分析1.设计题目已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数)11.0(s G 0+=s s K）（用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。
2.设计要求及系统功能分析任务一：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使闭环系统同时满足如下动态及静态性能指标：（1）在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的稳态误差005.0≤ss e ； （2）系统校正后，相位裕量045>γ （3）系统校正后，幅值穿越频率50c2>ω任务二：若采用数字控制器来实现任务一设计的控制器，给出数字控制器的差分方程表示或离散传递函数（Z 变换）表示。
仿真验证采用数字控制器后闭环系统的性能，试通过仿真确定满足任务一指标的最大的采样周期T. （注：T 结果不唯一）。
二．校正前系统性能分析校正前系统的开环传递函数为 )11.0()(0+=s s Ks G由设计要求（1）005.0≤ss e ,得K e ss 1=，故有200K ≥从而系统的开环传递函数为ss s G 102000)(20+=系统的闭环传递函数为2000102000)(20++=Φs s s系统的闭环单位斜坡响应的拉氏变换为)(12000s 102000120001020001)()(R s C '0232200s ss s s s s s s s Φ∙=++∙=++∙=Φ=）（即对)(s Φ的斜坡响应对应于对)('s Φ的阶跃响应。
系统的时域性能（程序参见《自动控制原理（第二版）》（吴怀宇、廖家平主编）Page102）%%系统未校正前闭环单位斜坡响应num=[2000];den=[1,10,2000,0]; t=[0:0.1:20];y=step(num,den,t); plot(t,t,t,y); grid;xlabel('time');ylabel('input and output'); title('校正前系统的斜坡响应');系统的频域性能（程序参见《自动控制原理（第二版）》（吴怀宇、廖家平主编）Page208）%%系统未校正前伯德图 num=[200];den=[0.1 1 0];sys=tf(num,den);w=logspace(-1,4,100) bode(h,w); grid;[Gm,pm,wcp,wcg]=margin(sys); Gmdb=20*log10(Gm); [Gmdb,pm,wcp,wcg]得到系统的稳态裕度：增益裕度gm 、相位裕度pm 、相角穿越频率wcg 、幅值穿越频率wcp由结果知：相位裕度000457580.12<=γ幅值穿越频率s rad s rad 501649.441c <=ω不符合系统的性能指标要求，因此需要进行校正，根据题目要求，采用串联超前校正。
武科大自控课程设计
武科大自控课程设计一、教学目标本课程的教学目标旨在帮助学生掌握自动控制基本理论、方法和应用，培养学生的科学思维和创新能力。
通过本课程的学习，学生应达到以下具体目标：1.理解自动控制的基本概念、原理和数学模型。
2.熟悉经典控制理论和现代控制理论的基本方法。
3.掌握自动控制系统的设计和分析方法。
4.能够运用MATLAB等工具进行控制系统分析和设计。
5.具备阅读和分析自动控制相关英文文献的能力。
6.能独立完成自动控制实验，具备实际问题解决能力。
情感态度价值观目标：1.培养学生的团队合作精神和自主学习能力。
2.增强学生对自动控制领域的兴趣，激发创新意识。
3.培养学生具备工程伦理和社会责任感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括自动控制基本理论、方法和应用。
教学大纲如下：1.自动控制概述：自动控制的基本概念、原理和数学模型。
2.经典控制理论：包括线性系统理论、非线性系统理论、稳定性分析、频率响应分析、根轨迹法等。
3.现代控制理论：包括状态空间法、最优控制、鲁棒控制、自适应控制等。
4.自动控制系统设计：包括模拟和数字控制系统设计，以及基于MATLAB的控制系统分析与设计。
5.自动控制应用：涉及工业自动化、机器人控制、生物医学工程等领域的应用案例。
三、教学方法为提高教学效果，本课程将采用多种教学方法相结合的方式：1.讲授法：用于阐述基本概念、理论和方法。
2.讨论法：鼓励学生参与课堂讨论，培养思考和表达能力。
3.案例分析法：分析实际应用案例，加深对自动控制理论的理解。
4.实验法：通过实验操作，掌握自动控制系统的设计和分析方法。
四、教学资源为支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：《自动控制原理》（第五版），吴恩达著。
2.参考书：《现代控制系统》，理查德·小奈森著。
3.多媒体资料：包括教学PPT、视频讲座、在线课程等。
4.实验设备：自动控制实验装置，包括传感器、执行器、控制器等。
武汉科技大学自动控制原理课程设计【范本模板】
信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称: 自动控制原理课程设计班级：自动化学号：姓名：指导教师：陈琳二○一三年十二月一、设计目的1.掌握控制系统的设计与校正方法、步骤。
2.掌握对系统相角裕度、稳态误差和剪切频率以及动态特性分析。
3。
掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。
4。
提高分析问题解决问题的能力。
二、设计任务与要求2。
1设计任务2）在MATLAB 中编写如下程序： h1=tf([30],［1 0］)； h2=tf （［1],[0.1 1］）; h3=tf （［1],[0.2 1］)； h=h1＊h2*h3；[num,den]=tfdata （h)；［mag,phase ，w]=bode(num ，den ）; subplot(211)；semilogx(w ，20*log10(mag ）)；grid subplot(212）；semilogx （w ，phase ）;grid[gm ，pm,wcg ，wcp ］=margin （mag ，phase ，w)未校正前bode 图:由图知,相位裕度为 -17.2054°,截止频率为 9。
7680 rad/s 。
因为系统不稳定,不宜采用相位超前校正，故采用滞后校正。
（2）详细设计1）根据系统相位裕度大于45度的要求，串联校正后相角裕度应为：0002702545=+=+=εγγ又因为：()02200270)2.0arctan(1.0arctan 90180=---=c c ωωγ即:222002.013.0arctan =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-c c ωω则可解的：1217.1-=s c ω当117.1-==s c ωω时,令未校正系统的开环增益为βlg 20，从而求出串联滞后校正装置的系数β，由于未校正系统的增益在11-=s ω时为30lg 20，故有2017.1lg 0lg 2030lg 20-=--β解的: 64.25=β选定： 1239.01-===s c ωτω 则: )11015.01-==s βτω于是，滞后网络的传递函数为：()()()39.064.2539.0++=s s s G c校正后系统开环传递函数为：()()()()()174.6512.011.0156.230++++=s s s s s s G 2）对于频率为11.0-=s ω,幅值为3的正弦输入信号稳态误差的检验： 因为系统的稳态误差传递函数为： ()()()s R s E =Φs er 所以有: ()()()()s G s s G c 0er G 1111s +=+=Φ 其频率特性为：()()()()()()()()39.03039.064.2512.011.039.064.2512.011.0++++++++=Φωωωωωωωωωj j j j j j j j j s er把1s 1.0-=ω带入()()()()()()()()39.03039.064.2510.2j 11.0j 39.064.2510.2j 11.0j j er ++++++++=Φωωωωωωωωωωj j j j j 得: ()0219.0j er =Φω又因为输入信号的振幅为3,所以稳态误差的振幅为()j 1.03er Φ，所以稳态误差的振幅为0。
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信息科学与工程学院
课程设计报告书
课程名称：自动控制原理课程设计
班级:自动化
学号：
姓名：
指导教师：陈琳
二○一三年十二月
一、设计目的
1．掌握控制系统的设计与校正方法、步骤。
2．掌握对系统相角裕度、稳态误差和剪切频率以及动态特性分析。
3.掌握利用MAＴLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能。
4．提高分析问题解决问题的能力。
二、设计任务与要求
2.１设计任务
３)对于频率ω=0．1，振幅为3的正弦输入信号,稳态误差的振幅不大于0.1。
ｈ2＝tｆ([1］,[0．1 1]）;
h3=tf（[1],[0.2 １］)；
h=h1*h2*h3;
[ｎum，ｄen］＝tfｄaｔa(ｈ);
[mag,phａse,w］=bode(num,den）;
suｂplot(２11);
semilogx(ｗ,20*lｏg１０（mａg));ｇrid
subplot(2１2);
seｍｉlｏgｘ(ｗ,pｈａse)；grid
[ｇm,pm，wcg,ｗcp]=margin（mag,pｈase,w）
未校正前bodｅ图:
由图知,相位裕度为 -１７.2０5４°,截止频率为 9.7６8０ r ａd/s ．。
因为系统不稳定,不宜采用相位超前校正,故采用滞后校正。
(2）详细设计
１）根据系统相位裕度大于45度的要求,串联校正后相角裕度应为：
0002702545=+=+=εγγ
又因为:
()0
2200270)2.0arctan(1.0arctan 90180=---=c c ωωγ
即: 0222002.013.0arctan =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-c c ωω
则可解的：
1217.1-=s c ω
当117.1-==s c ωω时，令未校正系统的开环增益为βlg 20,从而求出串联滞后校正装置的系数β，由于未校正系统的增益在11-=s ω时为30lg 20,故有
2017.1lg 0lg 2030lg 20-=--β
解的： 64.25=β
选定: 1239.031-===s c ωτω
则： )11015.01-==s βτω
于是，滞后网络的传递函数为:
()()()39.064.2539.0++=s s s G c
校正后系统开环传递函数为：()()()()()174.6512.011.0156.230++++=
s s s s s s G 2)对于频率为11.0-=s ω,幅值为3的正弦输入信号稳态误差的检验: 因为系统的稳态误差传递函数为: ()()()s R s E =
Φs er 所以有: ()()()()s G s s G c 0er G 1111s +=+=
Φ 其频率特性为:()()()()()()()()
39.03039.064.2512.011.039.064.2512.011.0++++++++=Φωωωωωωωωωj j j j j j j j j s er 把1s 1.0-=ω带入()()()()
()()()()39.03039.064.2510.2j 11.0j 39.064.2510.2j 11.0j j er ++++++++=
Φωωωωωωωωωωj j j j j 得: ()0219.0j er =Φω
又因为输入信号的振幅为３，所以稳态误差的振幅为()j 1.03er Φ,
所以稳态误差的振幅为0．0657＜0.１，故满足题目要求。
校正后系统结构图：
即：
校正装置的ｂode图:
校正后系统的bode图：(３）MＡTLAB编程代码及运行结果
１)编程代码
h1=ｔf([３0］,[1 0］）；
ｈ2=t ｆ([1],[０.1 1]);
h ３=ｔf （[1]，［0.2 １］);
ｈ４=tf([１ 0.39],［25．64 0．39])
ｈ＝h １*h2＊h ３*h4;
[n ｕｍ，d ｅn]＝tfda ｔa （h);
[mag,ph ａse,ｗ]=b ｏd ｅ(ｎum,den);
sub ｐlot(２11）;
ｓe ｍil ｏgx(ｗ,20＊log10（mag))；grid
subplot （２12);
s ｅｍilogx(w ，phase)；grid
[gm,p ｍ,wcg ，ｗcp]=ｍargin （ma ｇ，ｐhase,w)
2）运行结果
相位裕度:pm = 52．1244°;幅值穿越频率:w ｃｐ ＝ １.1８９7
校正后系统的ｂｏde 图
(4）校正实现的电路图及实验结果
（１)校正实现的电路图
C R 2=τ 12
21>+=R R R β
(2）实验结果
1）校正前的单位阶跃响应：
在MATLAB中编写如下程序:
nｕｍ=［30］;
den＝[0.02,0.3,１,3０]；
t=[０:0.1:１0];
[ｙ,x，ｔ]＝ｓtｅp(nｕｍ,den,t);
ｐlot(t，y);gｒid;
ｘlａbel('Time [sｅc] ｔ');
ylaｂeｌ(＇y');
校正前系统的单位阶跃响应2）校正后的单位阶跃响应:
在MATLAB中编写如下程序：
num＝[30 １１．7]；
dｅn＝[0.５128，7.７,２5．７6，30．３９,11.７];
t=[０:0．1:１0]；
[ｙ,ｘ,t］=ｓteｐ(nuｍ,deｎ,t)；
pｌot(t,ｙ);grｉd;
ｘｌabel('Tiｍe [seｃ] ｔ');
ylabeｌ('ｙ');
校正后系统的单位阶跃响应
（5）三种校正方法及装置的比较:
超前校正:因为原系统不稳定且开环相频特性曲线在幅值穿越频率附近有较大的负斜率,不宜采用相位超前校正;因为随着幅值穿越频率的增加，原系统负相角增加的速度将超过超前校正装置正相角增加的速度,超前网络就起不到补偿滞后相角的作用了。
滞后校正:滞后校正装置具有低通滤波的特性,利用它的高频衰减特性降低系统的幅值穿越频率, 可以提高系统的相角裕度，改善系统的动态性能。
滞后校正装置还具有相位滞后的特性,它具有积分的特性，由于积分特性可以减少系统的稳态误差，因此滞后校正通常用来改善系统的稳态性能。
此外,滞后校正装置能够在保持系统开环放大系数不变的情况下，减小剪切频率，从而增加了相角裕度,提高了系统相对稳定性；在保持系统相对稳定性不变的情况下，可以提高系统的开环放大系数,从而改善系统的稳态性能；此题要求的稳态性能较高,所以可以选用滞后校正。
滞后超前校正:在系统的动态和稳态性能都有待改善时,单纯采用超前或滞后校正往往难以奏效,在这种情况下采用滞后-超前校正效果较好,利用
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校正装置的滞后特性改善系统的稳态性能提高系统精度,而利用它的超前作
用来改善系统的动态性能提高系统的相角裕度和响应速度等。
此题主要要求稳态性能要好，因此用滞后装置即可。
四、总结
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，掌握自动控制原理中各种校正装置的作用及用法，学会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；对于串联滞后校正，通过校正前后系统Ｂode图的比较,我知道校正提高了系统相角裕度,降低了截止频率，并且引入了开环零极点。
此次课程设计让我进一步加深对MＡＴLＡB软件的认识和理解，学会了使用MATLAB语言来进行基本的数学运算,这让我感觉到MATLAB这个软件的优越性,用它来解复杂的数学方程式避免了传统复杂的解答过程，这都给我们提供了极大的便捷。
对于本次设计，我更加深入的了解了ＭATLAＢ中各种系统语言,学会了用它来进行系统建模、参数求解、系统仿真与调试、以及各种自动控制原理中的各种图形的绘画。
此外,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,才能提
高了自主解决问题的能力。
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