重庆大学城市科技学院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。

目录1 实验背景 (2)2 实验介绍 (3)3 微分方程和传递函数 (6)1 实验背景在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

自动控制原理是相对于人工控制概念而言的，自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。

在自动控制原理【1】中提出，20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时，由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。

在他们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论。

卡尔曼的能控性能观测性和最优滤波理论等，这些都标志着控制理论已从经典控制理论发展到现代控制理论的阶段。

现代控制理论的特点。

是采用状态空间法（时域方法），研究“多输入-多输出”控制系统、时变和非线性控制系统的分析和设计。

现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使控制理论开始向第三个发展阶段即第三代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。

在其他文献中也有所述及（如下）：至今自动控制已经经历了五代的发展：第一代过程控制体系是150年前基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。

简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。

第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。

它标志了电气自动控制时代的到来。

控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。

第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。

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。

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题：自动控制原理课程设计专业：电气工程及其自动化班级：期：2014.12.22-2014.12.29 成绩：重庆大学城市科技学院电气信息学院目录1设计目的 (1)2设计要求 (1)3设计题目 (1)4实现过程 (2)4.1校正前系统的Bode图计算与稳定性（手工） (2)4.2校正前系统的根轨迹计算与闭环系统稳定性（手工） (3)4.3校正前系统幅频特性Matlab分析 (5)4.4校正前系统的奈奎斯特图Matlab仿真分析 (6)4.5校正后系统的Matlab仿真分析 (7)4.5.1校正装置的幅频特性 (7)4.5.2校正后系统幅频特性分析 (8)4.5.3校正后系统奈奎斯特图分析 (9)4.5.4校正后系统的截止频率ωc、相位裕量γ、穿越频率ωx和幅值裕量h计算 (11)5总结 (11)6参考文献 (11)自动控制原理课程设计报告1设计目的更加熟练掌握Bode图的作图方法，能够使用劳斯判据判定系统稳定性。

能够画出根轨迹图，并且根据分析出系统的稳定性。

掌握根据要求设计校正装置，学会使用Matlab分析Bode图，系统稳定性，能够作出根轨迹图，并且分析系统相关参数，能够使用Matlab分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。

计算校正后系统的截止频率ωc、相位裕量γ、穿越频率ωx和幅值裕量h。

用MATLAB分别画出系统校正前、后的开环系统奈奎斯特图，并进行分析。

能够利用所学知识分析校正装置对系统的影响。

2设计要求1、手动画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定。

2、手动画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。

3、设计系统的串联滞后超前校正装置，使系统达到下列指标。

（1）静态速度误差系数K v ≥ 100s-1；（2）相位裕量γ ≥ 40°。

（3）截止频率ωc＝20rad/s。

4、给出校正装置的传递函数。

5、用MATLAB分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。

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课程编号j1630102课程名称自动控制原理课程设计学生姓名所在班级联系电话实施地点起止时间2012.12.24--2012.12.28指导教师职称副教授一、课程设计的意义:1．学习和掌握典型高阶系统动静态性能指标的测试方法。

2．分析典型高阶系统参数对系统稳定性和动静态性能的影响。

3．掌握典型系统的电路模拟和数字仿真研究方法。

二、课程设计的主要内容:典型三阶系统的结构方框图如图1所示：其开环传递函数为)1)(1()(21021++=S T S T S T K K S G ，本实验在此开环传递函数基础上做如下实验内容：1．典型三阶系统电路模拟研究；2．运用Simulink 对该典型三阶系统进行数字仿真研究。

； 3．分析比较电路模拟和数字仿真研究结果。

三、课程设计的实验步骤1、熟悉实验流程，设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路;2、利用Multisum 仿真模拟电路并观测的阶跃特性，并测出其超调量，调节时间和稳态误差；3、改变三阶系统模拟电路的参数，观测参数改变对系统稳定性与动态指标的影响。

4、调用上机软件Matlab 仿真程序，观测三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量，调节时间和稳态误差；5、改变三阶系统传递函数的参数，观测参数改变对系统稳定性与动态指标的影响。

6、完成三阶系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果比较，分析实验结果。

四、课程实验数据记录图1 典型三阶系统结构方框图图1 典型三阶系统的结构方框图1、三阶系统模拟电路2、改变参数K的值观察三阶系统模拟电路的阶跃特性(1)(1)K=7.5， T0=1，T l=0.1， T2=0.5σ %=0.71， Ts=14.6s , ess=0 (2)K=10， T0=1，T l=0.1， T2=0.5σ %=0.848， Ts=28.4s , ess=0(3)K=12， T0=1，T l=0.1， T2=0.5σ %=0.98, Ts= 无法计算 , ess=不存在(4)K=15， T0=1，T l=0.1， T2=0.53、改变时间常数观察三阶系统模拟电路的阶跃特性（1）K =15，T0=0.55，T l=0.25，T2=0.25(2)K =15，T0=0.55，T l=0.25，T2=0.554、K=10,参数T0,T1,T2的值都减少(1)K =10，T 0=0.55，T l =0.25，T2=0.055σ %=0.838， Ts=16.5s , ess=05、设计的数字模型及数字仿真结果 仿真图：该系统开环传递函数为12120120121()(1)*()*()*()11(1)(1)K K K K G S T S T S T S T S T S T S =----=++++其中T 0=10u *100k=1S ；T 1=1u *100k=0.1S ；T 2=1u *500k=0.5S ；K 1=100k /100k=1；K 2=500/R x ；即)15.0)(11.0()1)(1()(21021++=++=S S S KS T S T S T K K S G 其中，K =500/R x ，R x 的单位为k。

一、 设计目的：1、 了解控制系统设计的一般方法、步骤。

2、 掌握对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的方法。

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、 设计内容与要求：设计内容：1、阅读有关资料。

2、对系统进行稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析。

3、绘制根轨迹图、Bode 图、Nyquist 图。

4、设计校正系统，满足工作要求。

设计条件：已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(1)(0.251)K G S S S S =++，试用频率法设计串联校正装置，要求校正后系统的静态速度误差系数1v K 5s -≥，系统的相角裕度045γ≥，校正后的剪切频率2C rad s ω≥。

设计要求：1、 能用MATLAB 解复杂的自动控制理论题目。

2、能用MATLAB 设计控制系统以满足具体的性能指标。

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。

三、 设计方法，步骤，时间分配1、自学MATLAB 软件的基本知识。

包括MATLAB 的基本操作命令、控制系统工具箱的用法等，并上机实验。

Matlab 主窗口包括命令窗口（Command Window ），工作间窗口(Workspace)，当前目录窗口(Current Directory)，历史命令窗口(Command History)等。

在主窗口左下角的start 按钮，可以进行设置，演示，打开工具箱等操作。

2、基于MATLAB 用频率法对系统进行串联校正设计，使其满足给定的频域性能指标。

要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数T ，a 等的值。

静态速度误差系数15-≥s k v ,K v =0lim >-S )125.0()1(0+⨯+⨯S S S k S ,因此，50≥k 串联超前校正函数：G C (S)=TS aTS ++11在Command Window 中编写下列程序：0()(1)(0.251)K G S S S S =++ k0=5;n1=1;d1=conv(conv([1 0],[1 1]),[0.25 1]) ;sope=tf(k0*n1,d1);结果如下：Transfer function:5-----------------------0.25 s^3 + 1.25 s^2 + s第一次校正后系统的开环传递函数：Transfer function:17.5 s + 5---------------------------------------0.0011 s^4 + 0.2555 s^3 + 1.254 s^2 + s程序如下：nc1=[3.5 1]dc1=[0.0044 1]n2=conv(n1,nc1);d2=conv(d1,dc1);scope=tf(n2,d2)bode(n2,d2);hold on[gm,pm,wg,wp]=margin(n2,d2);第二次校正后系统的开环传递函数：2.135 s^2 + 18.11 s + 5-------------------------------------------------------6.27e-005 s^5 + 0.01566 s^4 + 0.327 s^3 + 1.311 s^2 + s程序如下：nc2=[0.122 1]dc2=[0.057 1]n3=conv(n2,nc2);d3=conv(d2,dc2);scope=tf(n3,d3)bode(n3,d3);[gm,pm,wg,wp]=margin(n3,d3)Bode 图：校正前后的Bode 图如图所示：经验证：校正前的系统的相角裕量γ= 7.3342e-006°，幅值穿越频率Wc=2.0000rad/s 。