哈工大自控课设上课讲义

自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计设计题目：含有电流自适应调节器的双闭环调速调速系统设计院系：信息与电气工程学院班级：设计者：指导教师：设计时间：2017年1月课程设计（论文）任务书一、题目分析1.问题的提出双闭环调速系统以其快速性好、高稳定性、结构简单、控制方便等优点在直流调速系统中占有主要地位。

但电流的断续是双闭环调速系统中存在的一个问题。

当电枢回路电感不太大或电动机负载较轻时，由于在续流过程中，电感所存储的磁场能不足以维持电流连续，这就造成电枢回路电流的断续。

当电流断续时，系统的机械特性上翘变软成非线性特性。

此时，电动机若工作在机械特性的非线性区域，系统的调速性能将明显下降，甚至导致系统的不稳定。

因此，必须采取一定的措施来改善系统的特性。

1.1双闭环调速系统双闭环反馈调速系统是由单闭环系统发展而来的。

单闭环系统用PI调节器实现转速无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。

但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。

分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实现嵌套连接，如图1所示。

线路连接原理如图2所示。

其中，ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE表示电力电子变换器。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统框图把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。

这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。

1.2电流断续时系统的工作状态当电流断续时，电感的续流作用在一个波头内就已结束，每个波头结束时，电流都减至零，相当于l T 为零，这使得平均整流电压与平均整流电流之间的关系成为比例环节。

课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：钻机控制系统设计与仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：1204201设计者：谢玉立学号：1120420130指导教师：王松艳、晁涛设计时间：2015年3月2日哈尔滨工业大学钻机控制系统设计与仿真一.人工控制根据受控对象框图，要求性能指标A1.开环放大倍数=100；2.剪切频率3.相位裕度4.谐振峰值5.超调量≦22％6.过渡过程时间≤0.7s7.角速度8.角加速度9.稳态误差：阶跃输入且干扰为零时，稳态误差为零；干扰为阶跃，输入为零时，稳态误差为0.01根据条件9得知。

1由输入引起的稳态误差：01)1()(11lim 0=⋅++⋅=→s s s s G s e s ssr得出)()1(1(lim=+++→s G s s s s s ）（1）2.由干扰引起的偏差信号ss s s G s s s E f 1)1()(1)1(1)(⋅+++-=01.01)(lim 1)1()(1)1(1lim )(lim 000-=-=⋅+++-⋅=→→→=s G s s s s G s s s s sE e s s f s ssf （2）由（1)和（2）得出校正环节 ，形式可以为1Ts 1s (K (s)v c ++=）τG 且 100v =K3由经验公式：srad c c s p w w t 58.23 65 0.719.01(5.2)19.01(5.124.602320sin 22.0)1sin 1(4.061.02≥⇒︒=≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+=︒≥⇒≥⇒≤-+=γπγγγσ）各环节Bode 图系统校正前不变部分手工绘制的Bode 图：得出：s r a dw 97.95.7200=︒=γ（1)可知：采用超前校正，由图斜率较大，故∆取20度︒=∆∆+-=200γγφm10-210-110101102-60-40-20204060ω(rad/s)L (ω)(d B )图2 校正前系统的开环Bode 图得018.011arcsin68.74m =⇒+-=︒=αααφφm4.171lg-=-α由Bode 图可知s rad m w 3.27= 此时︒=76.8γ 满足要求004914.0273.01==⇒=T w m τατ得校正环节1004914.0)10.273100(++=s s s G c （）校正环节Bode 图：图4 校正环节的Bode 图加入串联超前校正之后，系统的Bode 图如下：通过计算得满足条件 。

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：随动系统的校正院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2014.2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书*注：此任务书由课程设计指导教师填写。

目录1、题目要求与分析 (1)1.1题目要求 (1)1.2题目分析 (1)2、人工设计 (1)2.1未校正系统的根轨迹 (1)2.2校正环节 (2)2.2.1 串联迟后校正 (2)2.2.2 串联迟后--超前校正 (4)3、计算机辅助设计 (6)3.1对被控对象仿真 (6)3.2对校正以后的系统仿真 (7)3.2.1 串联迟后校正 (7)3.2.2 串联迟后--超前校正 (8)3.3对校正后闭环系统仿真 (9)3.3.1 串联迟后校正 (9)3.3.2 串联迟后--超前校正 (10)4、校正装置电路图 (11)4.1串联装置原理图 (11)4.2校正环节装置电路 (11)4.2.1 串联迟后校正校正装置电路 (11)4.2.2 串联迟后—超前校正装置电路 (13)5、系统校正前后的nyquist图 (15)5.1系统校正前的nyquist图 (15)5.2系统校正后的nyquist图 (15)5.2.1 串联迟后校正的nyquist图 (15)5.2.2 迟后—超前校正的nyquist图 (16)6、设计总结 (16)7．心得体会 (17)1、题目要求与分析 1.1题目要求（1）、已知控制系统固有传递函数如下： G(s)=)1125.0)(15.0(8++S s s（2）、性能指标要求：a. 输入单位速度信号时，稳态误差e<0.15rad.b. 输入单位阶跃信号时，超调量σρ<35%,调整时间t s <10秒。

c.输入单位阶跃信号时，超调量σρ<25%,调整时间t s <4秒。

Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计课程名称：自动控制原理设计题目：变焦控制系统的设计与仿真院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：金晶林玉荣设计时间：2014年3月2日*注：此任务书由课程设计指导教师填目录1.人工设计 (4)1.1固有环节的分析 (4)1.2性能指标的计算 (5)2.校正环节的设计 (6)2.1校正环节的分析 (6)2.2串联迟后环节的设计 (8)2.3串联超前环节的设计 (9)3.计算机辅助设计 (11)3.1固有环节的仿真 (11)3.2串联迟后校正的仿真 (13)3.3串联超前环节的仿真 (14)3.4系统的单位阶跃响应仿真 (15)3.5系统的斜坡信号响应仿真 (16)4校正环节的电路实现 (19)4.1校正环节的传递函数 (19)4.2确定各环节电路参数 (19)4.3绘制电路图 (20)5设计总结 (21)6心得体会 (22)1. 人工设计1.1固有环节的分析 该系统的物理背景为一个变焦系统。

固有环节的传递函数为：020.0025()0.05G s s s=+ 这是一个二阶的且开环增益特别小的传递函数，作其开环渐进幅频特性曲线，如图1所示。

图 1 固有环节的开环渐进幅频特性曲线通过作图得出固有环节的剪切频率为：0.0022/rad s ω=，相角裕度18090arctan(0.050.0022)89.99γ=︒-︒-⨯=︒。

可以得出该系统是稳定的，但显然不满足性能指标的要求。

101010101010101010固有环节的开环幅频渐进曲线L (d B )w (rad/s)1.2性能指标的计算性能指标要求为：剪切频率=50/c rad s ω，相角裕度45γ=︒，角速度53/rad s θ=，稳态误差0.003ss e rad ≤。

虽然本题没有直接对系统的动态性能指标有明确要求，但我们在设计控制系统时，对系统的动态过程要求一般体现为对超调量p σ和调整时间s t 的要求。

自动控制原理考研辅导班2011 11•讲法：•先简要介绍每章的重点内容•然后讲工大考题•数学模型•微分方程•传递函数•动态框图（3）复杂系统设中间变量，列写微分方程组。

取拉氏变换，变成线性代数方程组。

电子电路，直接写线性代数方程组。

方程个数应比中间变量个数多1。

绘框图求传递函数，或求解线性代数方程组求传递函数。

2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。

•利用框图变换规则，简化→移动→简化→…。

•框图变换法的难点和关键：解除交叉结构，形成典型的串联、并联和基本反馈环节。

2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。

•利用框图变换规则，简化→移动→简化→…。

•框图变换法的关键：解除交叉结构，形成典型的串联、并联和基本反馈环节，然后用等效环节代替。

•化简方法：将框图变换成串联、并联环节和反馈回路，再用等效环节代替。

•化简框图的关键：解除交叉结构。

• a ）回路内部的分支点， 向回路外输出信号; b ）回路内部的相加点，输入信号来自回路外部。

交叉结构：B A2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。

（2）梅森增益公式（3）代数法•设定中间变量，•由框图列写变量的代数方程组，•求解代数方程组•上述方法可混合使用。

2. 考研点1）求复杂框图（信号流图）的传递函数。

2）求实际系统的微分方程、动态框图和传递函数。

3）把动态框图变换成信号流图。

哈尔滨工业大学考研题设支路电流232121)22RCs i i i Cs Cs++=+电压方程3231311()()()022R R i i i i i Cs Cs +++−−=312331RCs i Ri i Cs Cs+=−3121()33Cs i Ri i RCs Cs=−+31)i Cs1)i3Cs框图2in 321()212Cs i V i RCs Cs=−+•梅森公式•3个前向通路•2个反馈通路•3个回路，•回路相互有接触，•一个回路与1个前向通路不接触。

•化简框图可用梅森公式简化2.用求解线性代数方程组求传递函数 最简单的方法，用矩阵法123out 123out 123out 123out in 0 (21)203(1) 00 (1) 00 0 (21) 02i i RCs i CsV RCsi i RCs i V i RCsi RCs i V i i RCs i V CsV +++−=⎧⎪−++++=⎪⎨−+++=⎪⎪++++=⎩2010-1m 2的位移x 2是中间变量2个方程2212222()[()()][()()]()[()()][()()]()u t k y t x t f y t x t m y t k y t x t f y t x t m x t −−−−=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2212222()[()()][()()]()[()()][()()]()u t k y t x t f y t x t m y t k y t x t f y t x t m x t −−−−=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2212222()()()[()()][()()]()u t m x t m y t k y t x t f y t x t m x t −=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2222122222()()()[()()][()()]()U s m s X s m s Y s k Y s X s fs Y s X s m s X s ⎧−=⎪⎨−+−=⎪⎩s () )框图化简法。

Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称：自动控制原理设计题目：控制系统的设计和仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2013.2.25---2013.3.10哈尔滨工业大学一、 设计题目与题目分析1. 设计题目1) 已知控制系统固有传递函数如下：G (s )=K s(0.003s +1)(s 2282.72+2×0.7s 282.7+1)(s 27962+2×0.0684s 796+1) 2) 系统性能指标要求：（1） 超调量σ≤20%；（2） 响应时间t s ≤0.15s ；（3） 稳态误差e ss ≤0.01mm ；（4） 最大速度ṙ=0.5m/min ；2. 题目分析根据系统固有传递函数和系统性能指标要求，确定设计思路如下：首先完成使对系统无静差度和放大倍数的设计，稳态误差满足性能指标要求；再根据Bode 图设计串联校正环节，限制系统的相角裕度和剪切频率，最终使系统对阶跃响应的超调量和调整时间符合性能指标要求。

二、 人工设计1. 稳态误差设计根据系统固有传递函数，系统的无静差度符合要求，且系统放大倍数应符合如下要求：0.560×1K≤0.01×10−3 得到：K ≥833.33在设计中，为方便计算并留有余量，取K =1000，并代入系统固有传递函数。

2. 串联校正环节设计绘制系统固有传递函数部分的Bode 图，见附录。

根据性能指标第12条中对超调量和响应时间的规定，根据经验公式：σp=0.16+0.4(1sinγ−1)t s=πc[2+1.5(1−1)+2.5(1−1)2]计算得到对系统相角裕度和剪切频率的要求：γ≥65.38°ωc≥45.55 rad/s根据系统固有传递函数，求出系统的相角裕度和剪切频率：γ=−80.6°ωc=393 rad/s由于固有相角裕度过小而剪切频率远远大于性能指标要求，可先选用串联迟后校正：G C1(s)=τs+1βτs+1β>1取相角裕度γ=70°，根据原有Bode图计算得到β=23.7，并选取τ=0.24，T=5.67，由此确定串联迟后校正环节为：G C1(s)=0.24s+1加入迟后校正后，再绘制Bode图（见附录），得到：γ=64.9°ωc=42.3 rad/s此时，剪切频率和相角裕度都比要求之偏小，应用串联超前校正：G C2(s)=τs+1ατs+1α<1取ϕm=10°，根据Bode图得到 α=0.7，τ=0.024，T=0.0166，，由此确定串联超前校正环节为：G C2(s)=0.024s+1 0.0166s+1加入串联迟后—超前校正后得到系统新的Bode图（见附录），并根据Bode 图，得到控制系统新的相角裕度和剪切频率为；γ=72.3°ωc=50.8 rad/s知系统已经符合性能指标要求，并进行验算得到系统地超调量和响应时间为：σ=17.99%t s=0.1287s经过验算，知控制系统经过串联迟后—超前校正后，已经符合性能指标要求。

自动控制元件及线路-2 -电气控制常识目录1。

磁场基本理论-磁场基本物理量-电磁基础定律2。

电气控制常识-线路、线缆-低压电器3。

电控线路举例电磁元件是利用磁场做媒介来实现信息（或能量）传递（或转换）的装臵。

磁场产生: 由永久磁铁产生由电流产生磁场分类：按电流性质直流磁场交流磁场磁路:磁通所经过的闭合回路称为磁路。

通过主要路径的磁通称为主磁通，另外还有少量的磁通不在此路径通过，称为漏磁通。

常见的铁心磁路一、磁力线定义：磁力线（或称B 线）是人们用来描述磁场的一种手段，每条磁力线上的任一点的切线方向都和该点磁场的方向一致。

A B C D磁力线的两个基本特征：第一，在任何磁场中每一条磁力线都是环绕电流的无头无尾的闭合曲线，即没有起点也没有终点；第二，在任何磁场中，每一条闭合的磁力线的回转方向和该闭合磁力线所包围的电流方向符合右手螺旋法则。

（a ）直线电流磁力线（b ）圆电流磁力线I I（c ）螺线管电流的磁力线I IN S（d ）永久磁铁的磁力线二、磁感应强度B定义：是表示在空间某点磁场强弱和方向的物理量，是一个空间矢量。

通俗的说，磁感应强度为通过某单位面积的磁力线的条数。

所以磁感应强度也称为磁密。

磁感应强度的方向：为该点磁场的方向。

+BFV 磁感应强度的单位为T （特）三、磁通Φ定义：通过磁场中一个给定面A 的磁力线的条数,简称磁通。

通过面积A 的磁通量为：n dAθB Φ=⎰A Bcos θdA=∫A B ·d A在均匀的磁场中磁通量：Φ=B·A磁通单位：Wb(韦伯）四、磁场强度H定义：在任何介质磁场中,某一点的磁感应强度B和同一点上介质磁导率μ的比值，即：H=B/μ单位：H —安每米（A/m）或安每厘米（A/cm）1-1 磁路的基本物理量五、磁导率μ定义：用来表示物质导磁能力大小的物理量称为导磁系数或磁导率。

单位：亨每米（H/m）-7真空的磁导率为：μ0= 4π 10 （H/m）空气的磁导率: 近似等于真空磁导率。