第1章 自动控制系统综合课程设计理论

引言位置随动系统是各种导航系统、大型雷达设施以及一些控制系统重要组成部分，因此，位置随动系统系统的研究就成为极为重要的课题。

自整角机是一种感应式自同步微电机，由于它在军事系统中的普遍使用而得到了广泛发展。

现在的自整角机已经能够满足很高的准确度要求，并能在很宽的温度、湿度、振动和冲击环境条件下正常工作，因而这种机电式传感器（自整角机）在位置随动系统中被广泛的采用。

位置随动系统应用广泛，尤其是基于自整角机的位置随动系统，根据教学任务安排，课程设计作为实验教学的重要环节，能够很大程度的提高我们的分析问题和解决问题的能力。

由于本人水平有限，课程设计中错误和不当之处在所难免，期望老师批评指正。

沈阳大学1 位置随动系统简介1.1 位置随动系统的组成1.1.1位置随动系统的定义位置随动系统最常见的是伺服系统（Servo-mechanism）。

广义的伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称为位置控制系统。

在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义的应用于利用反馈和误差修正信号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是输出的机械位移准确地实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确追踪[1]。

1.1.2位置随动系统的组成位置随动系统的结构和组成与其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

图1为一个典型的位置控制系统的基本组成，可以看出，这个系统由以下几部分组成：位置给定位置调节器速度控制器执行电机工作台位置检测图1 典型位置随动系统原理框图（1）位置检测器。

位置检测器的作用是将位置量参数转换为电信号，由仪表转换为数据指示，形成反馈通道给控制器提供决策的依据。

位置检测器可用光电编码器、旋转变压器、感应同步器等。

（2）位置调节器。

根据位置偏差信号实现位置的精确控制。

（3）速度控制器。

（4）可逆功率放大器。

（5）执行机构。

永磁式直流伺服电机SM作为带动负载的执行机构[1]。

1.1.3位置控制系统的分类采用不同的分类方法，可以得到不同类型的位置随动系统：（1）按控制原理（或方式）不同，表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式。

自动控制理论课程设计设计题目温度控制系统姓名乔垒垒学号 1009101022 专业自动化班级 1002班指导教师李俊华设计时间 2012年12月18日第一章绪论 (1)1.1自动控制理论的背景 (1)1.2自动控制理论的发张 (1)第二章温度控制系统总体方案设计 (3)2.1温度控制系统简易图 (3)2.2温度控制系统的方块图 (3)第三章各环节的建立 (4)3.1 电压放大电路 (4)3.2 功率放大电路 (5)3.3 直流伺服电动机电路 (5)第四章温度控制系统分析 (6)4.1根轨迹系统分析 (6)第五章系统分析校正 (8)5.1系统的分析 (8)5.2温度系统的校正 (9)第六章总结 (11)6.1学习体会 (11)参考文献 (12)第一章绪论1.1自动控制理论的背景自动控制原理是人类征服自然地生产实践活动中孕育、产生、并随着社会生产和科学技术进步而不断发展完善起来的。

自动控制原理的作用日益突出，自动控制技术的运用大大提高劳动生产率和产品质量，同时也改变了劳动条件，在在改善人类的居住环境和提高生活质量方面发挥了非常重要的作用。

自二十世纪中叶以来，在工程和科学发展中，自动控制技术的应用起着极为重要的作用。

导弹能够准确地命中目标，人造卫星能按预定的轨道运行并返回地面，宇宙飞船能准确地在月球着陆，并重返地球，都是由于自动控制技术迅速发展的结果。

工业生产过程中诸如对压力、温度、湿度、流量、频率、物位、成分等方面的控制，都是自动控制技术的重要组成部分。

《自动控制原理》是自动控制技术的理论基础，是一门理论性较强的工程科学。

根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。

经典控制理论的内容主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。

由于发展较早，现已成熟。

在工程上，相当成功地解决了大量实际问题，因此它是研究自动控制系统的重要理论基础。

第一章自动控制的基本知识⏹ 1.1自动控制的一般概念⏹ 1.2自动控制系统的组成⏹ 1.3自动控制系统的类型⏹ 1.4 对控制系统性能的要求1.1.1自动控制技术⏹自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。

自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。

自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。

1.1.2自动控制理论的发展过程⏹1945年之前，属于控制理论的萌芽期。

⏹1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。

⏹二十世纪六十年代初。

用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。

现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。

⏹七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。

例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。

1.2自动控制系统的组成1.2.1自动控制系统的结构与反馈控制理论⏹图中为放水阀，为进水阀，水箱希望的液位高度为。

当放水使得水箱液位降低而被人眼看到，人就会打开进水阀，随着液位的上升，人用大脑比较并判断水箱液位达到时，就会关掉。

若判断进水使得实际液位略高于，则需要打开放水而保证液位高度。

⏹在这个过程中，人参与了以下三个方面的工作：⏹用眼睛观察到实际液面的下降（实际液面高度）；⏹用大脑将实际液面与要求液面高度进行比较（与产生偏差）；⏹根据比较的结果（与偏差的正负），用手操作阀的开启或闭合。

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。

自动控制课程设计汇报人：2024-01-02•自动控制概述•自动控制原理•自动控制系统设计目录•自动控制系统实例分析•自动控制系统的应用与发展•课程设计任务与要求01自动控制概述定义与特点定义自动控制是一门研究如何通过自动调节和控制系统的参数、结构和行为，实现系统预定目标的学科。

特点自动控制具有快速响应、高精度、高稳定性和可靠性等特点，广泛应用于工业、农业、军事、航空航天等领域。

通过自动化控制，可以大幅提高生产效率，降低人工成本。

提高生产效率自动控制系统能够精确控制生产过程中的各种参数，从而提高产品质量。

保证产品质量在一些危险的环境中，自动控制系统可以替代人工操作，保障生产安全。

保障生产安全自动控制的重要性控制器用于接收输入信号，根据控制算法计算输出信号，控制被控对象的运行状态。

执行器根据控制器发出的控制信号，调节被控对象的参数或状态。

传感器用于检测被控对象的参数变化，并将检测信号转换为可处理的电信号。

调节机构根据执行器的调节信号，调整被控对象的参数或状态。

自动控制系统的基本组成02自动控制原理01开环控制系统是一种没有反馈的控制系统，其控制过程是单向的。

02开环控制系统的优点是结构简单，控制精度高，但抗干扰能力较弱。

03开环控制系统适用于对精度要求较高，但环境干扰较小的场合。

01闭环控制系统是一种具有反馈的控制系统，其控制过程是双向的。

02闭环控制系统通过实时监测被控对象的输出，将实际输出与期望输出进行比较，从而调整控制信号。

03闭环控制系统具有较好的抗干扰能力和适应性，适用于对精度和稳定性要求较高的场合。

A BC D控制系统的性能指标稳定性指系统在受到扰动后能否回到原始平衡状态的能力。

准确性指系统输出与期望输出的偏差大小，即系统的误差大小。

快速性指系统对输入信号的响应速度，即系统达到稳定状态所需的时间。

抗干扰性指系统对外部干扰的抵抗能力，即系统在受到干扰后仍能保持稳定和准确性的能力。

01常见的分析方法有：劳斯判据、赫尔维茨判据、奈奎斯特判据等。

第一章绪论一、自动控制技术自动控制技术被大量应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测、交通管理、科研开发、军事领域、特别是空间技术和核技术。

自动控制技术的广泛应用不仅使各种生产设备、生产过程实现了自动化，提高了生产效率和产品质量，尤其在人类不能直接参与工作的场合，就更离不开自动控制技术了。

自动控制技术还为人类探索大自然、利用大自然提供了可能和帮助。

二、自动控制理论的发展过程1.1945年之前，属于控制理论的萌芽期。

1945年，美国人伯德（Bode）的“网络分析与放大器的设计”奠定了控制理论的基础，至此进入经典控制理论时期，此时已形成完整的自动控制理论体系。

2.二十世纪六十年代初。

用于导弹、卫星和宇宙飞船上的“控制系统的一般理论”（卡尔曼Kalman）奠定了现代控制理论的基础。

现代控制理论主要研究多输入-多输出、多参数系统，高精度复杂系统的控制问题，主要采用的方法是以状态空间模型为基础的状态空间法，提出了最优控制等问题。

3.七十年代以后，各学科相互渗透，要分析的系统越来越大，越来越复杂，自动控制理论继续发展，进入了大系统和智能控制时期。

例如智能机器人的出现，就是以人工智能、神经网络、信息论、仿生学等为基础的自动控制取得的很大进展。

三、自动控制技术与人类历史发展1.自动计时漏壶：古代利用滴水、沙多少来计量时间的一种仪器。

水漏是以壶盛水，利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。

历史可追溯到夏、商时期。

沙漏是为了避免水因气温变化而影响计时精度而设计的。

其原理是通过流沙推动齿轮组，使指针在时刻盘上指示时刻。

最早记载见于元代。

2.记里鼓车：记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。

记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国古代机器人。

记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。

车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。

自动控制课程设计绪论一、课程目标知识目标：1. 理解自动控制的基本概念，掌握自动控制系统的分类及原理；2. 学会分析自动控制系统的数学模型，了解不同模型的建立方法；3. 掌握自动控制系统的性能指标及其计算方法。

技能目标：1. 能够运用所学的自动控制理论分析和解决实际问题，设计简单的自动控制系统的方案；2. 掌握使用相关软件工具进行自动控制系统仿真的基本操作；3. 培养团队协作能力，通过小组讨论、报告等形式，提高沟通与表达能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣，激发其探索精神和创新意识；2. 增强学生的责任感，使其认识到自动控制系统在工程实践中的重要性；3. 引导学生树立正确的价值观，关注自动控制技术在社会发展中的应用。

课程性质：本课程为理论与实践相结合的课程，旨在帮助学生掌握自动控制系统的基本原理、分析方法及其在实际工程中的应用。

学生特点：学生为高中年级学生，具备一定的数学基础和物理知识，对新技术和新事物充满好奇。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过案例分析、小组讨论等形式，提高学生的参与度和实践能力。

在教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。

将课程目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 自动控制基本概念：控制系统定义、分类、基本组成部分及其功能；参考教材章节：第一章 自动控制概述2. 自动控制系统的数学模型：线性微分方程、传递函数、状态空间方程；参考教材章节：第二章 控制系统的数学模型3. 自动控制系统的性能指标：稳定性、快速性、准确性及对应的性能指标计算方法；参考教材章节：第三章 控制系统的性能分析4. 自动控制系统的设计方法：PID控制、状态反馈控制、最优控制等；参考教材章节：第四章 控制系统设计5. 自动控制系统的仿真与实现：使用相关软件工具进行控制系统仿真；参考教材章节：第五章 控制系统仿真与实现6. 自动控制技术在工程实践中的应用案例分析；参考教材章节：第六章 自动控制技术在实际工程中的应用教学内容安排和进度：第1周：自动控制基本概念及控制系统分类；第2周：控制系统的数学模型；第3周：控制系统的性能分析及性能指标；第4周：控制系统设计方法；第5周：控制系统仿真与实现；第6周：自动控制技术在实际工程中的应用案例分析。

自动控制原理课程设计专业：自动化设计题目：控制系统的综合设计班级：学生姓名：学号：指导教师：分院院长：教研室主任：电气工程学院一、课程设计任务1、设计内容针对二阶系统)1()(+=s s Ks W ，利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。

当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数11)(++-=Ts Ts K s W cc α，其中132R R R K c +=，1)(132432>++=αR R R R R ，C R T 4=，“-”号表示反向输入端。

若K c =1，且开关S 断开，该装置相当于一个放大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。

2、设计要求1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(≤∞e ，开环截止频率ωc ’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°； 2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数；3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线；4）设校正装置R 1=100K ，R 2=R 3=50K ，根据计算结果确定有源超前校正网络元件参数R 4、C 值；5）绘制引入校正装置后系统电路图（设给定的电阻和电容：R=100K ，C=1μF 、10μF 若干个）；6）利用Matlab 仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对cR R数频率特性曲线,并验算设计结果；7）在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较；8）利用自动控制原理实验箱完成硬件设计过程，包括：搭建校正前后系统电路、输入阶跃信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。

3. 课程设计报告要求（1）设计报告包括内容1）理论计算校正装置的过程及手工绘制校正前、后对数频率特性；2）绘制系统电路图时各环节参数的计算过程（包括有源校正装置R4和C的计算过程）；3）利用Matlab仿真软件辅助分析设计的程序及校正前、后对数频率特性曲线；4）利用Matlab-Simulink建立校正前、后系统仿真模型，求单位阶跃响应曲线，并计算校正前后系统超调量、调节时间，给出结论；5）硬件设计过程及设计结果，给出结论。

自动控制系统课程设计1、课设目的1. 加强对随动控制系统的认识，掌握工程设计的方法。

2. 通过对随动系统的单元,部件及系统的调试,提高实际技能,培养分析问题解决问题的能力。

3. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。

4. 培养编制技术总结报告的能力。

2、控制对象130SZ02型直流电动机铭牌参数为Id=2.1AUd=220VP出=355WRs=5欧额定转速n=1500r/min额定转矩=23000克/厘米要求达到性能指标:D=10 S=+/-5%3、课设设计任务采用单相220V供电,设计采用电势反馈的可控硅直流调速系统。

其中包括:1.主电路设计2.触发电路的设计3.给定电压电路的设计4.电势反馈的设计5.保护装置的设计6.触发电路与主电路同步的设计7.整流装置内阻的测定8.测定触发器----整流装置的放大倍数4、设计要求4。

1设计计算1.系统方案论证,绘制电路原理图2.主电路元部件参数的选择与计算3.触发电路元部件参数的选择与计算4.保护装置元部件参数的选择与计算5.电流电压反馈电路的计算4．2设计实验1. 触发电路单元的调试2. 主电路调试3. 电流电压反馈环节的调试4. 整流装置内阻的测定5. 触发器----整流装置放大倍数的测定6. 系统开环调试并测定机械特性7. 系统闭环调试并测定机械特性8. 考虑到系统仿真所需参数的测定5、设计方案5．1总体的设计原理5．1．1整体设计框图要求：静差率S=+/-5%调速范围D=105．1．2被控对象被控对象:电动机(他励) n=(U-IdR)/CeΦ直流电动机有很好的调速特性，它被广泛地用于需要变速传动的各种场合。

1)调压调速：n趋近于U。

2)调励磁：因为是他励，所以励磁不变。

3)回路电流不可调原理图为:其机械特性图：N0 ΔNedS=ΔNed/N0*100%0 Ied5．1．3主电路设计电路系统主要采用的是单向桥式整流电路，所用器件是可控硅。

采用电压负反馈加上电流正反馈来控制主电路设计1、原理图：2、可控硅特点:实现了弱电对强电的控制.它有阳极A,阴极C,控制极G.导通条件: (1)A(+),C(-); (2)G(+), C(-)必须同时满足.注意:导通后G,C极电压和主电路就没关系了.关闭条件: A(-) C(+)3、保护装置:(1)电压保护：压敏电阻或硒堆。

目录自动控制系统综合课程设计总体要求 (1)一、适用专业 (1)二、基本要求 (2)三、基本做法 (2)四、评定成绩 (2)设计部分 (2)第一章MATLAB在控制理论中的应用 (2)第二章SIMULINK动态仿真集成环境 (18)永磁无刷直流电机控制系统仿真 (25)1．设计题目 (25)2．设计目的 (25)3．设计任务 (26)4．设计要求 (26)5．设计内容及步骤 (26)6．撰写自动控制系统综合课程设计与实践报告 (27)7．评定成绩 (27)具体设计过程 (28)一、总体的设计原理 (28)二、仿真设计 (32)三、改用PID设计 (37)四、实验数据的代入仿真 (42)五、实验数据用PID调整仿真 (45)附录 (50)附录一时域分析 (50)附录二根轨迹分析 (56)附录三频域分析 (58)附录四PID调节器建模与仿真分析的工作原理 (62)1 .PI调节器数学建模及MATLAB仿真 (63)2 PD调节器数学建模及MATLAB仿真 (64)3 PID调节器建模及性能仿真 (66)自动控制系统综合课程设计总体要求自动控制系统综合课程设计是一个实践性很强的教环节，以综合课程设计为重点，加强自动控制系统基本理论的学习和基本技能的训练，启发学生创新思维以及独立解决实际问题的能力。

自动控制系统日新月异的发展必将给我们提供很好的学习和训练的机会。

一、适用专业自动化、电气工程及其自动化、电子技术、应用电子技术、电力系统及其自动化等。

根据不同层次的专业和安排的学时数。

自动控制系统综合课程设计与实践的内容、要求可以有所不同。

鼓励和支持学生多做实用、创新和具有挑战性的项目。

二、基本要求1.综合运用自动控制系统课程中所学到的理论知识去独立完成一个自动控制系统综合课程设计与实践课题。

2.通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。

3.进一步熟悉实用的自动控制系统类型和特性，并掌握合理选用的原则。