哈工大自动控制原理课程设计

Harbin Institute of Technology自动控制原理设计论文课程名称：自动控制原理设计题目：液压伺服系统校正院系：测控技术与仪器系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：哈尔滨工业大学自动控制原理大作业一、 设计任务书考虑图中所示的系统。

要求设计一个校正装置，使得稳态速度误差常数为-14秒，相位裕度为，幅值裕度大于或等于8分贝。

利用MATLAB 画出已校正系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应曲线。

二、 设计过程1、 人工设计1）、数据计算由图可知，校正前的开环传递函数为：0222s+0.10.025(20s 1)G =0.1(s 0.14)(1)44s s s s s +=++++ 其中按频率由小到大分别含有积分环节和放大环节，-20dB/dec ；一阶微分环节，10.05/w rad s =，0dB/dec;振荡环节，22/w rad s =，-40dB/dec;稳态速度误差：0202s+0.1e ()lim (s)lim 0.025(s 0.14)ss s s sG ss s →→∞===++。

显然，此时的相位裕度和稳态速度误差都不满足要求。

为满足题目要求，可以引入超前校正，提高系统的相位裕度和稳态速度误差。

2）、校正装置传递函数 （1）、稳态速度误差常数的确定为使稳态速度误差常数为-14秒,设加入的开环放大倍数为k,加入校正装置后的稳态速度误差满足： 11e ()4k 0.025kss v ∞=== 解得K=160；将K=160带入，对应的传递函数为：0222s+0.14(20s 1)G (s)=1600.1(s 0.14)(1)44s s s s s +=++++ 则校正前（加入k=160的放大倍数后）幅值穿越频率：018.00/c w rad s =，相位裕度：o 00.1631c r =； （2）、校正装置的确定这里采用超前补偿，由前面算得k=160，故设加入的校正装置传递函数为：111G (s)T 1c aT s s +=+ 设计后要求o =50γ,则o 0-=500.163149.8369o o γγ-=；a 满足：01sin 49.83691a a -=+ 解得：a =7.33，取a =8.取1010/18.00/c w rad s w rad s =<=作为第一个转折频率，取第二个转折频率为21*80/w a w rad s ==；在伯德图上过3rad/s 处做斜率为-20dB/dec 的线。

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：自动控制理论课程设计设计题目：直线一级倒立摆控制器设计院系：电气学院电气工程系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2016.6.6-2016.6.19手机号码：哈尔滨工业大学教务处直线一级倒立摆控制器设计摘要：采用牛顿—欧拉方法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型。

采用MATLAB 分析了系统开环时倒立摆的不稳定性，运用根轨迹法设计了控制器，增加了系统的零极点以保证系统稳定。

采用固高科技所提供的控制器程序在MATLAB中进行仿真分析，将电脑与倒立摆连接进行实时控制。

在MATLAB中分析了系统的动态响应与稳态指标，检验了自动控制理论的正确性和实用性。

0.引言摆是进行控制理论研究的典型实验平台，可以分为倒立摆和顺摆。

许多抽象的控制理论概念如系统稳定性、可控性和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来，通过倒立摆系统实验来验证我们所学的控制理论和算法，非常的直观、简便，在轻松的实验中对所学课程加深了理解。

由于倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法。

本次课程设计中以一阶倒立摆为被控对象，了解了用古典控制理论设计控制器(如PID控制器)的设计方法和用现代控制理论设计控制器(极点配置)的设计方法，掌握MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法。

1.系统建模一级倒立摆系统结构示意图和系统框图如下。

其基本的工作过程是光电码盘1采集伺服小车的速度、位移信号并反馈给伺服和运动控制卡，光电码盘2采集摆杆的角度、角速度信号并反馈给运动控制卡，计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策(小车运动方向、移动速度、加速度等)，并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，通过皮带带动小车运动从而保持摆杆平衡。

Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计论文课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：控制系统的设计与仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：哈尔滨工业大学自动控制原理课程设计任务书 设计题目：控制系统的设计与仿真一 题目要求1．已知控制系统直流电机的主要参数如下：电机转动惯量=m J 1.1B.FTS^2 负载转动惯量=l J 35kg.m^2 电机转矩灵敏度=t K 6B.FT/A 反电势系数=e K 8.1v/rad/s 电机电枢电阻=a R 4 电机电枢电感=a L 0.03H2．控制系统固有传递函数（或框图）待求；3．性能指标A（1）开环放大倍数60≥K （2）剪切频率 9040≤≤C ω （3）相位裕度50≥γ （7）角速度=•θ97°/s （8）角加速度=••θ350°/s ² （9）稳态误差≤SS e 0.5° 性能指标B（1）开环放大倍数400100≤≤K （2）剪切频率 10050≤≤C ω （3）相位裕度 60≥γ （7）角速度=•θ80°/s （8）角加速度=••θ300°/s ² （9）稳态误差≤SS e 0.2°二 设计过程 2.0固有传递函数已知控制系统直流电机的主要参数如下：电机转动惯量=m J 1.1B.FTS^2 负载转动惯量=l J 35kg.m^2 电机转矩灵敏度=t K 6B.FT/A 反电势系数=e K 8.1v/rad/s 电机电枢电阻=a R 4Ω 电机电枢电感=a L 0.03H根据已知参数可以根据自动控制元件书上有关直流电动机上的内容， 结合起来求出控制系统的固有传递函数,如图2.0 其中1m=3.281ft(英尺),J=Jm+Jl图2.0经过计算，得出固有函数的方框图)1049.0)(133(725.1)(0++=s s s G2.1人工设计2.1.1分析与选择校正方法原传递函数进行标准化化简得)11049.0/1)(1133/1(12367.0)1049.0)(133(725.1)(0++=++=s s s s s G可轻易得出原传递函数无剪切频率任务要求中对开环放大倍数K 的要求为开环放大倍数60≥K原放大倍数K0=0.12367，放大环节需要增加，设定开环放大倍数增致K=150，得到G1，则Kc=1212.9)11049.0/1)(1133/1(150)(2++=s s s G2.1.2总体设计方案—基于图解法合理运用校正环节析图像可知，需要加积分环节，而且放大环节需要增加 设定开环放大倍数增致K=150，得到G2 其中Kc=150/0.12367=1212.9)11049.0/1)(1133/1(150)(2++=s s s s G计算此时剪切频率c ω以及相角裕度γ11)1049.0/1(1)133/1(150)(222=++=c c c c j j j j G ωωωω相位裕度 ︒-=192.0γ 剪切频率 97.3=c ω分析Bode 图可知，仍需要加入环节使得剪切频率增大，且相位裕度增大， 所以加入一阶微分环节5s+1，经过整理加入校正环节11)1049.0/1(1)133/1()15(150)(22=+++=c c c c c j j j j j Ge ωωωωω当前的放大倍数 K=150 相位裕度 ︒=3.62γ 剪切频率 7.69=c ω 性能指标要求A 为：（1）开环放大倍数60≥K （2）剪切频率 9040≤≤C ω（3）相位裕度50≥γ性能指标B（1）开环放大倍数400100≤≤K （2）剪切频率 10050≤≤C ω （3）相位裕度 60≥γ可知现在已经达成性能指标A 和B 的要求 此时有ss s Gc )15(9.1212)(+=2.1.3顺馈校正性能指标A 要求：角速度=•θ97°/s ，角加速度=••θ350°/s ²，稳态误差≤SS e 0.5° 性能指标B 要求：角速度=•θ80°/s ，角加速度=••θ300°/s ²，稳态误差≤SS e 0.2° 设输入信号为R （t ）=ASinwt ，带入=•θAw ，=••θAw^2 稳态误差为)(w ss j E A e =加入顺馈环节可以有效减小系统稳态误差 设顺馈环节为Gb(s),有)(1)()(1)(2s G s G s G s E b +-=应有)()(2s G s G b =1时误差减小，15)(+=s ss G b2.1.4人工绘制校正前，后以及校正装置的Bode 图校正前开环传递函数)11049.0/1)(1133/1(12367.0)(0++=s s s G校正后)11049.0/1)(1133/1()15(150)(+++=s s s s s Ge校正装置ss s Gc )15(9.1212)(+=2.2计算机辅助设计2.2.1对被控对象仿真（1）被控对象开环传递函数仿真框图系统在Simulink 下的框图如图 2.1图2.1其Bode 图形如图2.2-200-150-100-50M a g n i t u d e (d B )10-310-210-110101102103104-180-135P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = InfFrequency (rad/sec)图2.22.2.2加入放大环节后的仿真（1）加入放大环节后开环传递函数的仿真框如图2.3图2.32.2.3加入积分环节后校正系统的仿真（2）加入积分环节后开环传递函数的仿真框如图图2.4图2.4其Bode 图如图2.5-150-100-50050M a g n i t u d e (d B )10-110101102103-270-225-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = -1.04 dB (at 3.74 rad/sec) , Pm = -0.192 deg (at 3.97 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2.5可以看出当前的放大倍数 K=150 相位裕度 ︒-=192.0γ 剪切频率 97.3=c ω2.2.4加入微分环节后系统的仿真（1）加入微分环节后开环传递函数的仿真框如图2.6图2.6Bode 图如图2.7-100-5050100M a g n i t u d e (d B )10-210-110101102103104-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/sec) , Pm = 62.3 deg (at 69.7 rad/sec)Frequency (rad/sec)图2.7可以看出当前的放大倍数K=150；相位裕度︒=3.62γ；剪切频率7.69=c ω所以也是校正后的开环传递函数2.2.5校正环节的仿真校正环节的仿真框如图2.8图2.8对应Bode 图如图2.97580859095100105M a g n i t u d e (d B )10101010-90-45P h a s e (d e g )Bode Diagram Gm = Inf , Pm = InfFrequency (r ad/sec)图2.92.2.6校正后闭环系统的仿真（1）校正后闭环系统的仿真方框图如图2.10图2.10（2）对稳态误差的仿真输入A:26.883 Sin3.608t情况下稳态误差的仿真，如图2.11图2.11输入B:21.333 Sin3.75t情况下稳态误差的仿真，如图2.12图2.12通过读取scope观察稳态误差极小，满足条件3 校正装置电路图3.1校正装置的方框图校正环节的电路图，如图3.1TsTs K s Gc )1()(+=图3.14总结1．在这次自动控制原理课程设计中，通过已经得到了的实际的工程背景，我学会了利用Matlab 绘制Bode 图以及仿真的手段来分析以及解决实际问题的方法。

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：控制系统直流电机院系：控制科学与工程-自动化班级：设计者：学号：指导教师：强盛设计时间：2015年3月哈尔滨工业大学一、人工设计 (4)1.控制系统校正前的传递函数： (4)2.对于性能指标A： (5)（1）问题分析： (5)（2）采用超前校正时： (6)3.对于性能指标B： (8)（1）问题分析： (8)（2）减小误差 (8)二、计算机辅助设计 (8)1. 对于性能指标A (8)（1）被控对象开环simulink图 (8)（2）被控对象的开环bode图 (9)（3）校正以后的simulink图 (10)（4）校正以后的bode图 (10)（5）最后校正完成的闭环simulink图 (11)（6）阶跃响应时的仿真曲线 (11)2. 性能指标B (12)（1）被控对象开环simulink图 (12)（2）被控对象的开环bode图 (12)（3）校正以后的simulink图 (13)（4）超前校正以后的bode图 (14)（5）超前校正之后的闭环simulink图 (14)（6）阶跃响应时的仿真曲线 (15)（7）正弦响应的仿真曲线 (16)（8）用正弦信号输入时，采用顺馈控制的simulink图 (17)（9）加入顺馈控制之后的正弦响应的仿真曲线 (18)三、校正装置电路图 (19)1. 对于性能指标A： (19)(1)超前环节的电路参数 (19)(2)放大环节的电路参数 (20)2. 对于性能指标B： (20)（1）超前环节和放大环节 (20)（2）顺馈环节 (20)四、设计总结 (21)五、设计心得 (22)一、人工设计1.控制系统校正前的传递函数：根据直流电机的工作原理及其公式可得：uKtd d t d d T t d d TT aeMm11212313a=++θθθKK J R TMea M=RL Taaa =JnJ Lm J 21+=将已知条件代入上式，12.171712.0=+=J018.538.941.58.919212.1712=⨯=⨯⨯=TM00625.01210375=-⨯=T autd d td d td d a21018.53331.01212313=++θθθ由于T T M a <<，因此T a 可以忽略，上式第一项变为0. 对上式取拉氏变换，得()()()s s s s U sa 21018.53112=+θθ所以传递函数()()()()1018.53211+==s s s s s G U aθ2.对于性能指标A ： （1）问题分析：由指标（1），将传递函数改写为()1018.534000+=s s G系统的闭环特征方程为：0400018.532=++s s所以由劳斯判据可得：s 253.018 1s 1400 0s1 0该系统稳定，固有传递函数的bode 图如下：修改开环放大倍数为400-40-30-20-100102030405060M a g n i t u d e (d B )10-310-210-110-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/s)此时的剪切频率和相角裕度分别为：s rad c 74.2=ω 13.2︒=γ本题要求超调量%30≤σp ，过渡过程时间s t s 2≤ 根据经验公式⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=1sin 14.016.0γσp ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-1sin 125.21sin 15.12γωγπc s t 求得︒≥82.47γ，s rad c447.4≥ω实际的γ比要求的小很多，因此采用超前校正。

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自动控制原理设计报告课程名称：自动控制原理设计题目：核反应棒控制系统院系：电气工程及自动化学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2011年12月20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。

目录第一章、设计思路 (5)1.1超前补偿方法 (5)1.2闭环主导极点方法 (5)第二章、手工设计部分 (5)2.1、数据计算………………………………………………………………^52.2开环传递函数补偿前后的伯德图 (6)2.3电路实现 (7)第三章、计算机辅助设计部分 (8)3.1 simulink仿真框图 (8)3.2伯德图 (8)3.3阶跃响应曲线 (10)第四章、设计心得体会 (11)第五章、参考文献 (11)第一章设计思路根据题目要求很容易求出系统的开环传递函数为G(s)=Ka/[s2(0.025s+1)]可知系统是三阶的，属于高阶系统，题目有三个要求①设计合适的校正网络，使得系统足够稳定，②系统的阶跃响应的超调量在10%到20%之间，③调节时间不大于2s。

系统的阶跃响应的超调量和调节时间都是系统的动态性能指标，因此如果想要必须从系统的动态指标入手，找出设计突破口。

在设计过程中我先后采用了两种设计思想，第一中是超前滞后补偿思想和闭环主导极点补偿思想。

1.1超前补偿方法高阶系统性能指标间的关系式（经验公式）为：Mr=1/sinγ;σp=0.16+0.4(Mr-1)ts=π[2+1.5（Mr-1）+2.5(Mr-1)2]/wc根据以上公式可求出γ>58。

且wc>3.3rad/s。

因为当wc=3.3rad/s时γ=-10左右，如果采用超前补偿进行相位补偿的话，应该补偿的相位裕度超过了70度，但是当补偿角度大于60度时补偿网络很难实现，因此我考虑使用两次超前补偿，但是经过计算发现，要使第二次超前补偿补偿角度最大（达到60度），第一次超前补偿角度最多也只能达到5度左右。

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。

自动控制原理本科教学要求自动控制专业的自动控制原理课程包括自动控制原理Ⅰ和现代控制理论两部分，分两个学期讲授。

《自动控制原理I》教学大纲课程编号：T1043010课程中文名称：自动控制原理课程英文名称： Automatic Control Theory总学时： 100 讲课学时：88 实验学时：16习题课学时：0 上机学时：学分：6.0授课对象：自动控制专业本科生先修课程：电路原理、电子技术和电机方面的有关课程；复变函数和线性代数教材：《自动控制原理》（第三版）李友善主编，国防工业出版社，2005年参考书：《自动控制原理》（第四版）胡寿松主编，科学出版社，2001年《Linear Control System Analysis and Design》（第四版）清华大学出版社，2000年一、课程教学目的：自动控制原理是控制类专业最重要的一门技术基础课。

这门课主要讲解自动控制的基本理论、自动控制系统的分析方法与设计方法。

本课程的主要任务是培养学生掌握自动控制系统的构成、工作原理和各件的作用;掌握建立控制系统数学模型的方法。

掌握分析与综合线性控制系统的三种方法：时域法、根轨迹法和频率法。

掌握计算机控制系统的工作原理以及分析和综合的方法。

了解非线性控制系统的分析和综合方法。

建立起以系统的概念、数学模型的概念、动态过程的概念。

通过课程的学习使学生掌握分析、测试和设计自动控制系统的基本方法。

结合各种实践环节，进行自动控制领域工程技术人员所需的基本工程实践能力的训练。

从理论和实践两方面为学生进一步学习自动控制专业的其他专业课如:过程控制、数字控制、飞行器控制、智能控制、导航与制导、控制系统设计等打下必要的专业技术基础。

自动控制原理课程是自动控制专业学生培养计划中承上启下的一个关键环节，因此该课程在自动控制专业的教学计划中占有重要的位置。

二、教学内容及基本要求第一章控制系统的一般概念（2学时）本课程的目的及讲授内容，自动控制的基本概念和自动控制系统，开环控制与闭环控制，控制系统的组成，控制系统的基本要求。

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。

【关键字】系统Harbin Institute of Technology课程设计论文课程名称：自动控制元件及线路设计题目：捡乒乓球机器人小车的设计院系：航天学院控制科学与工程系班级：1304105班设计者：杨明阳01徐云飞02姚晨蔚16指导教师：马广程设计时间：2016年3-5月捡乒乓球机器人小车摘要：随着科学技术的日益发展，越来越多的科技被应用在了生活的方方面面。

当然也包括运动赛场上，帮助选手以及裁判解决一部分的麻烦，使得比赛进行的更加流畅。

这里为解决乒乓球比赛上乒乓球的捡取问题，设计了一种以单片机作为主控制器的自动捡球机器人。

该捡球机器人采用风扇产生的吸力来实现捡球；利用超声波传感器实现对乒乓球的自动识别；通过红外传感器监测周围环境，实现自动躲障。

本系统会在裁判对每一个球做出判决后开始工作，先按照预定路线绕场地前进，同时在行进过程中利用传感器寻找掉落的小球。

当找到目标并确认后，改变预定路线转而向目标前进，最终捡起乒乓球，之后再回到原点。

完成捡球功能，保证比赛的连续性。

关键词：捡乒乓球机器人超声波传感器红外传感器过程控制目录1.功能设计----------------------------------------------------------42.系统的性能指标和技术要求------------------------------------------43.背景及意义--------------------------------------------------------44.系统的总体结构与设计方案------------------------------------------54.1 预定路线前进---------------------------------------------------64.2 目标寻找-------------------------------------------------------74.3 捡起目标乒乓球-------------------------------------------------94.4 判断乒乓球是否捡起---------------------------------------------94.5 绕开障碍-------------------------------------------------------94.6 返回原点------------------------------------------------------105.执行元件---------------------------------------------------------105.1 行进电机的选择------------------------------------------------105.1.1 直流伺服电机结构-------------------------------------------105.1.2 直流伺服电机驱动原理---------------------------------------115.1.3 直流伺服电机的分类及特点-----------------------------------115.1.4 指标的计算和直流伺服电机的选择-----------------------------125.1.5 直流伺服电机调速-------------------------------------------15直流伺服电机调速原理------------------------------------15直流速度控制方式----------------------------------------155.2 捡球装置的选择------------------------------------------------225.2.1 捡球原理级实现---------------------------------------------235.2.2 吸球管设计-------------------------------------------------246.测量元件---------------------------------------------------------266.1 测速传感器的选取----------------------------------------------266.1.1 三种传感器的对比分析---------------------------------------266.1.2 对光电编码器的论证分析和选取-------------------------------286.2 位置和躲障传感器的选取----------------------------------------346.2.1 常用传感器及特点-------------------------------------------346.2.2 根据超声传感器实现定位和物体识别---------------------------366.2.3 根据红外感器实现障碍躲躲-----------------------------------416.3 根据红外传感器实现捡球信号的反馈------------------------------446.4 传感器设计中的缺陷及可改进的地方------------------------------456.4.1 传感器设计中的缺陷-----------------------------------------456.4.2 传感器设计中可改进的部分-----------------------------------457.单片机-----------------------------------------------------------467.1 常用单片机----------------------------------------------------467.2 单片机选型----------------------------------------------------477.3 所选单片机特点及可行性----------------------------------------478.系统硬件清单-----------------------------------------------------489.自评-------------------------------------------------------------48 9.1 优点----------------------------------------------------------489.2 缺点以及不足--------------------------------------------------4910.分工------------------------------------------------------------4911.心得体会--------------------------------------------------------50参考文献-----------------------------------------------------------50一、功能设计1.裁判做出判决后自行定位乒乓球掉落位置2.迅速移动至掉落乒乓球所在位置3.捡起乒乓球，并回到起点4.行进过程中躲避场地选手以及其他人员或障碍5.利用尺寸确认目标乒乓球二、系统的性能指标和技术要求1.机器人移动至乒乓球顶点位置精度±3cm2.机器人移动速度≤2 m/s3.紧急刹车时间≤0.3s4.总捡球时间≤21s5.判断乒乓球是否捡起6.能够辨认出乒乓球和障碍物三、背景及意义随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。

Harbin Institute of Technology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：高精度五轴转台方位系统设计与仿真院系：航天学院班级：1104201设计者：学号：指导教师：李志诚由嘉设计时间：2014年2月哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书目录1、题目要求与分析 (5)1.1题目要求 (5)1.2 题目分析 (5)2、人工设计 (6)2.1 校正方法的选择 (6)2.2 串联迟后校正 (7)2.2.1 串联迟后校正计算 (7)2.2.2 验算 (8)2.3 局部反馈校正 (9)2.3.1 局部反馈校正计算 (9)2.3.2 验算 (11)2.4 校正结果的检验及修正 (11)3、计算机辅助设计 (12)3.1 校正前的开环simulink模型图 (12)3.2 校正前的开环Bode图 (13)3.3 校正后的开环simulink模型图 (14)3.4 校正后的开环Bode图 (14)3.5 校正后的闭环simulink模型图 (15)3.6 校正后的闭环单位阶跃响应仿真曲线 (15)3.7 校正后的闭环正弦响应仿真曲线 (16)4、校正装置电路图 (17)4.1 串联装置原理图 (18)4.2 串联迟后校正环节装置电路 (18)4.2 局部反馈校正环节装置电路 (18)5、设计总结 (19)6、心得体会 (20)1、题目要求与分析 1.1题目要求（1）、对于高精度五轴仿真转台方位系统，已知其固有传递函数为)18.5325.26491(87.95)()(2++=ss s s I s Q（2）、性能指标要求：a. 最大角速度s /500；b. 最大角加速度s /3500；c. 动态误差小于5角秒；d. 剪切频率高于50 1/s ；e. 相角裕度大于45度1.2 题目分析根据题目所给原系统传递函数如下：)18.5325.26491(87.95)()(2++=ss s s I s Q可画出原控制系统的方框图如下令=)(s G 1)18.5325.26491(87.95)()(2=++=s s s s I s Q可求得s rad c /190=ω 代入G(s)得0225)(-=∠c j G ω 045-=γ校正前的Bode 图如附录一所示。

哈工大自动化课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握自动化领域的基本概念，理解自动控制系统的原理与结构；2. 培养学生运用数学模型描述自动化系统的动态行为，分析系统性能；3. 引导学生了解自动化技术在工业、农业、医疗等领域的应用。

技能目标：1. 培养学生运用控制理论知识解决实际问题的能力；2. 提高学生进行自动化系统设计与调试的实践操作技能；3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对自动化技术的兴趣，培养其探索精神；2. 引导学生认识自动化技术在社会发展中的重要作用，增强社会责任感；3. 培养学生严谨求实的科学态度，提高其创新意识和创新能力。

本课程针对哈尔滨工业大学自动化专业学生，结合学科特点和教学要求，将课程目标分解为具体的学习成果。

课程旨在帮助学生系统地掌握自动化领域的基础知识和实践技能，培养其具备解决实际问题的能力，同时注重培养学生的团队协作、沟通表达和创新能力，使其成为适应社会发展需求的自动化专业人才。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 自动控制理论基础：涵盖自动控制系统的基本概念、数学模型、稳定性分析等内容，对应教材第1-3章。

2. 控制系统设计：介绍控制系统设计方法、控制器参数整定技巧，包括PID控制、模糊控制等，对应教材第4-6章。

3. 自动化技术应用：分析自动化技术在工业、农业、医疗等领域的具体应用案例，对应教材第7-8章。

4. 实践教学环节：组织学生进行自动化系统设计与调试，提高实践操作技能，包括实验、课程设计等。

具体教学安排如下：1. 自动控制理论基础（第1-3章）：6学时，讲解基本概念、数学模型、稳定性分析等内容。

2. 控制系统设计（第4-6章）：8学时，介绍设计方法和控制器参数整定技巧。

3. 自动化技术应用（第7-8章）：4学时，分析自动化技术应用案例。

4. 实践教学环节：6学时，组织学生进行课程设计和实验。

教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节和课程目标，旨在帮助学生全面掌握自动化领域的基础知识和实践技能。

自动控制原理教学大纲
开课实验室：能源学院实验中心（基础）课程总学时：50
课程名称：自动控制原理课程编号：T1024020
实验学时：6学时上机学时：2
面向专业：能源动力类专业实验类别：专业基础课实验
开课学期：6
一、实验教学的指导思想和教学目的
1．指导思想：压力、流量、液位高度的测量与控制是热工过程控制系统经常遇到的，通过课程和实验教学让学生了解热工过程控制系统设计和调试过程。

2．教学目的：通过对双筒水位控制系统控制器的设计和控制系统的调试，使学生利用所学知识进行控制器参数设计与调试过程中加深对所学理论的理解和综合利用知识的能力。

二、实验教学的基本要求
1．要求学生掌握每一个实验的实验原理、方法、步骤；
2．要求学生能认真完成实验，并对实验所得到的数据进行相应的处理；且必修
实验需交实验报告。

3．要求对实验指导书中所提出的问题加以思考，开发学生的创造性思维。

三、实验教材
自动控制原理实验指导书
四、实验考核
1．实验考核成绩占课程总成绩的10%；以实验报告的成绩为准。

2．实验缺席者每次扣5分。

五、实验项目表（学生选做两项共计六学时实验）
能源学院教学院长：实验中心主任：。