《自动控制原理》课程设计内容及要求

《自动控制原理》课程设计目录1、课程教学目的 (3)2、课程设计内容及基本要求 (3)2.1、课程设计内容 (3)2.2、设计基本要求 (3)3、所选设计题 (4)4、未校正系统分析 (4)4.1、绘画开闭环零极点图 (4)4.2、绘画根轨迹，并分析随根轨迹增益变化的性能 (6)4.3、作出单位阶跃响应，并分析性能指标 (7)4.4、绘出开环bode图，并分析频域性能指标 (9)5、选定合适的校正方案 (10)5.1、分析 (11)5.2、设计串联滞后校正网络的步骤 (11)5.3、参数计算 (11)6、判断校正装置 (11)7、绘画模拟电路 (12)7.1、模拟电路设计 (12)7.2、系统的阶跃响应曲线 (14)7.3、分析采用的校正装置的效果 (15)8、总结及设计心得 (15)9、参考文献 (15)一、课程教学目的1、培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用经典控制理论和相关课程知识的能力。

2、掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能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。

3、学会使用MATLAB语言及Simulink动态仿真工具进行系统仿真与调试。

4、学会使用硬件仿真软件对系统进行模拟仿真。

5、锻炼独立思考和动手解决控制系统实际问题的能力。

二、课程设计内容及基本要求1、课程设计内容（1）、给出有实际背景的数学模型，分别提出不同的设计题目及设计指标要求。

学生通过查阅相关资料，根据各自题目确定合理的控制方式及校正形式，完成设计。

（2）、学生首先要根据所学自动控制原理课程知识（时域分析法、频率法和根轨迹法）对系统进行性能分析。

根据设计题目要求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。

（3）、利用MATLAB语言及simulink动态仿真工具，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，并绘制打印出仿真框图、频率特性图及动态响应图。

自动控制原理课程设计一、引言自动控制原理课程设计是为了帮助学生深入理解自动控制原理的基本概念、原理和方法，通过实际项目的设计与实现，培养学生的工程实践能力和创新思维。

本文将详细介绍自动控制原理课程设计的标准格式，包括任务目标、设计要求、设计方案、实施步骤、实验结果及分析等内容。

二、任务目标本次自动控制原理课程设计的目标是设计一个基于PID控制算法的温度控制系统。

通过该设计，学生将能够掌握PID控制算法的基本原理和应用，了解温度传感器的工作原理，掌握温度控制系统的设计和实现方法。

三、设计要求1. 设计一个温度控制系统，能够自动调节温度在设定范围内波动。

2. 使用PID控制算法进行温度调节，实现温度的精确控制。

3. 使用温度传感器实时监测温度值，并将其反馈给控制系统。

4. 设计一个人机交互界面，能够实时显示温度变化和控制系统的工作状态。

5. 设计一个报警系统，当温度超出设定范围时能够及时发出警报。

四、设计方案1. 硬件设计方案：a. 使用温度传感器模块实时监测温度值，并将其转换为电信号输入到控制系统中。

b. 控制系统使用单片机作为主控制器，通过PID控制算法计算控制信号。

c. 控制信号通过电路板连接到执行器，实现温度的调节。

d. 设计一个报警电路，当温度超出设定范围时能够触发警报。

2. 软件设计方案：a. 使用C语言编写单片机的控制程序，实现PID控制算法。

b. 设计一个人机交互界面，使用图形化界面显示温度变化和控制系统的工作状态。

c. 通过串口通信将温度数据传输到电脑上进行实时监控和记录。

五、实施步骤1. 硬件实施步骤：a. 搭建温度控制系统的硬件平台，包括温度传感器、控制系统和执行器的连接。

b. 设计并制作电路板，将传感器、控制系统和执行器连接在一起。

c. 进行硬件连接调试，确保各个模块正常工作。

2. 软件实施步骤：a. 编写单片机的控制程序，实现PID控制算法。

b. 设计并编写人机交互界面的程序，实现温度变化和控制系统状态的实时显示。

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。

自动控制原理教学大纲一、课程简介自动控制原理是现代工程领域中的重要基础课程，通过本课程的学习，学生将掌握控制系统的基本原理、模型建立方法、稳定性分析与设计技术等内容，为将来从事相关工程领域的研究和工作打下坚实的基础。

二、教学目标1. 理解控制系统的基本概念和重要原理；2. 学习控制系统的数学建模方法，掌握各类控制系统的数学模型；3. 掌握控制系统的稳定性分析方法与稳定性判据；4. 学习控制系统的设计方法，包括比例积分微分（PID）控制器设计等；5. 能够运用所学知识解决相关工程问题，具备进一步深造的基础。

三、教学内容1. 控制系统基本概念1.1 控制系统的定义和分类；1.2 控制系统的基本组成及功能；1.3 控制系统的基本结构和工作原理。

2. 控制系统数学建模2.1 连续时间系统的数学建模方法；2.2 离散时间系统的数学建模方法；2.3 线性时不变系统的数学模型建立。

3. 控制系统的稳定性分析3.1 稳定性的定义与判据；3.2 时域分析方法；3.3 频域分析方法。

4. 控制系统的设计方法4.1 比例控制（P控制）；4.2 积分控制（I控制）；4.3 微分控制（D控制）；4.4 PID控制器设计。

5. 控制系统的应用5.1 控制系统在电气、机械、航空等领域的应用；5.2 控制系统在自动化生产线、机器人控制等方面的应用。

四、教学方法1. 理论讲解：通过教师授课、课件演示等方式，给予学生理论知识的系统学习。

2. 实例分析：通过案例分析、仿真实验等方式，帮助学生理解理论知识在实际问题中的应用。

3. 课堂互动：鼓励学生积极参与课堂讨论、提问等活动，加深对知识的理解。

4. 实践操作：组织学生进行相关控制系统设计、仿真实验等实践操作，提高实际应用能力。

五、评估方式1. 平时表现：课堂参与度、作业完成情况等；2. 期中考试：主要考察基础知识的掌握情况；3. 期末考试：综合考察学生对整个课程知识的掌握情况；4. 实验报告：针对控制系统设计实验等实践环节的评估。

名称：《自动控制原理》课程设计题目：基于自动控制原理的性能分析设计与校正院系：建筑环境与能源工程系班级：学生姓名：指导教师：目录一、课程设计的目的与要求------------------------------3二、设计内容2.1控制系统的数学建模----------------------------42.2控制系统的时域分析----------------------------62.3控制系统的根轨迹分析--------------------------82.4控制系统的频域分析---------------------------102.5控制系统的校正-------------------------------12三、课程设计总结------------------------------------17四、参考文献----------------------------------------18一、课程设计的目的与要求本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。

设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。

使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。

通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。

通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。

2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。

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。

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 。

《自动控制原理》课程标准一、课程说明二、课程定位自动控制原理是电气自动化专业的一门专业核心课程，专业必修课程。

本课程与前修课程《电工基础》、《模拟电子技术》、《传感器》课程相衔接，共同树立学生自动控制的理念；与后续课程《现代控制》、《交直流调速》、《电机调速综合实训》相衔接，共同培养自动控制系统综合应用分析能力。

通过理论学习的方式，了解自动控制系统的一些工程实例、熟悉典型自动控制系统的时域分析方法和频域分析方法，培养学生逻辑思维能力、综合分析能力、再学习能力。

三、设计思路根据对应的工作岗位、工作任务、必备的能力和素质需求进行调查，根据行业、企业发展需要和完成职业岗位实际工作任务所需要的知识、能力、素质要求，选取教学内容，采用现代化教学手段，注意培养学生面向工程的思维习惯，采用多元化的考核方法，使学生掌握控制原理的精髓，并为学生可持续发展奠定良好的基础。

四、课程培养目标通过对《自动控制原理》的学习，使学生能运用现代自动控制原理的基本理论、基本知识和基本技能，了解自动控制原理的发展现状。

完成控制系统组成原理、系统调试方法，具体应从下述3个方面展开表述：1．专业能力目标：（1）掌握对常用简单系统进行性能分析、并能够提出性能改良方案。

（2）掌握自动控制的基本概念及相关知识、自动控制系统的组成和工作原理。

（3）掌握自动控制系统常用数学模型的建立方法。

（4）熟悉自动控制系统性能及根轨迹分析方法，掌握稳定性分析、时域分析和频域分析的分析方法。

2．方法能力目标：（1）学生具有资料学习和吸收能力；（2）具有独立进行分析、设计、实施、评估的能力；具有获取、分析、归纳、交流、使用信息和新技术的能力；（3）具有将知识与技术综合运用与转换的能力。

3．社会能力目标：（1）培养学生严谨、规范的工作态度；吃苦耐劳、诚实守信的优秀品质；（2）良好的职业道德和精益求精的敬业精神。

具有良好的科学文化素质和技术业务素质，能很快适应岗位要求，有发展潜力。

自动控制原理-教案一、课程简介1.1 课程背景自动控制原理是工程技术和科学研究中的重要基础，广泛应用于工业、农业、医疗、航空航天等领域。

本课程旨在介绍自动控制的基本理论、方法和应用，使学生掌握自动控制系统的基本原理和设计方法，具备分析和解决自动控制问题的能力。

1.2 教学目标（1）理解自动控制的基本概念、原理和分类；（2）掌握线性系统的数学模型建立和求解方法；（3）熟悉系统的稳定性、瞬态和稳态性能分析；（4）学会设计简单的线性控制器；（5）了解自动控制技术的应用和发展趋势。

二、教学内容2.1 自动控制的基本概念（1）自动控制系统的定义和分类；（2）自动控制系统的组成和基本环节；（3）自动控制系统的性能指标。

2.2 线性系统的数学模型（1）连续时间线性系统的数学模型；（2）离散时间线性系统的数学模型；（3）系统的状态空间表示。

2.3 系统的稳定性分析（1）连续时间线性系统的稳定性；（2）离散时间线性系统的稳定性；（3）系统稳定性的判定方法。

2.4 系统的瞬态和稳态性能分析（1）连续时间线性系统的瞬态响应；（2）离散时间线性系统的瞬态响应；（3）系统的稳态性能分析。

2.5 控制器的设计方法（1）PID控制器的设计；（2）状态反馈控制器的设计；（3）观测器的设计。

三、教学方法3.1 讲授法通过课堂讲授，系统地介绍自动控制原理的基本概念、理论和方法。

3.2 案例分析法通过分析实际案例，使学生更好地理解自动控制系统的原理和应用。

3.3 实验法安排实验课程，让学生亲自动手进行实验，培养实际操作能力和问题解决能力。

3.4 讨论法组织学生进行课堂讨论，促进学生思考和交流，提高分析和解决问题的能力。

四、教学评估4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等，占总成绩的30%。

4.2 期中考试通过期中考试检验学生对自动控制原理的基本概念、理论和方法的掌握程度，占总成绩的30%。

4.3 期末考试通过期末考试全面评估学生对自动控制原理的掌握程度，占总成绩的40%。

完整版自动控制原理教学大纲一、基本信息1.课程名称：自动控制原理2.学时：48学时3.学分：3学分二、课程目标本课程的目标是让学生掌握自动控制的基本概念、原理和方法，了解常见的控制系统的设计与分析，并具备解决工程实际问题的基本能力。

三、课程内容1.自动控制概述-自动控制的定义与发展-自动控制系统的基本组成-自动控制系统的分类与应用2.信号与系统-信号的分类与表示-基本信号的性质与处理方法-系统的数学描述-系统的时域与频域分析3.闭环控制系统-闭环控制系统的定义与特点-闭环系统的数学模型-闭环系统的性能指标与评价方法-闭环系统的稳定性与稳态误差-常见的闭环控制器设计方法4.开环控制系统-开环控制系统的定义与特点-开环系统的数学模型-开环系统的稳定性与稳态误差-常见的开环控制器设计方法5.联立方程与传递函数-多变量系统的联立方程-传递函数的定义与性质-多输入多输出系统的传递函数表示方法6.系统的时域性能指标-响应的时间特性-系统的稳态误差分析-超调量与振荡周期-系统的阻尼比与自然频率7.根轨迹法与频率法-根轨迹法的基本原理与应用-频率法的基本原理与应用-根轨迹法与频率法的综合应用8.PID控制器与系统校正-PID控制器的定义与结构-PID控制器的参数调节方法-系统的校正与补偿四、教学方法1.理论讲授：通过课堂教学向学生传授自动控制的基本概念、原理和方法。

2.实例演示：通过实例演示，帮助学生理解和应用所学的知识。

3.实验操作：安排实验操作，培养学生的实际动手能力和问题解决能力。

4.讨论与交流：鼓励学生进行讨论与交流，加深对自动控制原理的理解。

五、评价方式1.平时表现：包括出勤情况、课堂参与度等。

2.作业与实验报告：要求学生按时完成作业和实验，并提交相应的报告。

3.期中考试：进行一次期中考试，考察学生对自动控制原理的掌握程度。

4.期末考试：进行一次期末考试，考察学生对整个课程的综合理解和应用能力。

六、参考教材1.《自动控制原理教程》（第五版），胡寿松，清华大学出版社2.《自动控制原理》（第八版），奚振中，高等教育出版社3.《自动控制原理与应用》（第九版），朱小丹，机械工业出版社七、备注根据实际教学进度和学生背景，可适当调整课程内容、教学方法和评价方式。