控制系统设计作业

《计算机控制系统》作业参考答案作业一第一章1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。

答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。

图1.3-2 典型的数字控制系统1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。

答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。

②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。

③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。

④分布式计算机控制系统。

以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。

1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。

与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：(1)控制规律灵活，可以在线修改。

(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.(3)抗干扰能力强，稳定性好。

《简单控制系统的设计》作业设计方案第一课时引言：本作业设计旨在帮助学生加深对简单控制系统的理解，提高学生的实际操作能力和创新思维。

通过设计一个简单的控制系统，学生将能够掌握控制系统的基本原理和实现方法，并在实践中培养解决问题的能力。

一、作业内容：1. 设计一个简单的温度控制系统，要求能够实现在设定温度范围内保持恒温。

2. 使用Arduino或Raspberry Pi等开源硬件平台进行搭建，并编写相应的控制程序。

3. 要求控制系统能够实时监测环境温度，并根据设定值分别启动加热或制冷设备。

4. 学生需要设计原理图、程序代码，并进行实际的硬件搭建和调试。

二、作业步骤：1. 硬件准备：准备Arduino或Raspberry Pi开发板、温度传感器、继电器模块、加热或制冷设备等硬件材料。

2. 硬件连接：将温度传感器和继电器模块连接到开发板上，并连接相应的加热或制冷设备。

3. 软件编写：学生需要编写相应的控制程序，实现对温度传感器数据的读取和对加热或制冷设备的控制。

4. 调试测试：学生需要对控制系统进行调试测试，验证系统的稳定性和准确性。

5. 报告撰写：学生需要撰写控制系统设计原理、程序代码、实验步骤和结果分析等内容的实验报告。

三、作业要求：1. 学生需要独立完成控制系统的设计和搭建，不能抄袭他人作品。

2. 学生需要按时提交实验报告，并参与实验结果的讨论和分享。

3. 学生需要积极思考控制系统设计过程中的问题，并提出改进意见。

4. 学生需要在实践中培养团队合作和创新意识，共同探讨解决方案。

结语：通过本次作业设计，相信学生将能够深入理解简单控制系统的设计原理和实现方法，提高实际操作能力和创新思维，为将来的科研和工程实践打下坚实基础。

希望学生们能够认真对待这次作业，并在实践中不断学习和成长。

第二课时一、设计背景本次设计方案是针对《简单控制系统的设计》这门课程的一项学生作业设计方案。

控制系统是现代工程领域中非常重要的一个概念，通过对控制系统的设计实践，可以帮助学生更好地理解控制系统的原理和应用。

《远程控制系统的组建》作业设计方案（第一课时）一、作业目标本次作业旨在帮助学生掌握远程控制系统的基本概念和组建方法，提高他们的实践操作能力和问题解决能力。

通过作业，学生将能够熟悉远程控制系统的基本组成和功能，掌握搭建远程控制系统的基本步骤和方法。

二、作业内容1. 搭建远程控制系统的基本步骤和方法（可选择一种常见的远程控制软件进行操作）* 安装远程控制软件* 创建远程连接邀请链接* 邀请他人加入远程控制* 建立连接并开始操作2. 完成一份作业报告，内容包括：* 远程控制系统的基本概念和功能介绍* 搭建远程控制系统的步骤和方法说明* 遇到的问题及解决方法* 个人总结和反思3. 在实际生活中寻找一个需要远程控制的场景，尝试使用远程控制软件进行操作，并记录操作过程和感受。

三、作业要求1. 独立完成作业，不得抄袭。

2. 作业报告字数不少于300字。

3. 结合实际场景进行操作，不得虚构或夸大事实。

4. 按时提交作业，作业报告需注明完成时间。

四、作业评价1. 评价标准：* 作业报告内容的完整性和准确性* 问题解决能力和实践操作能力* 与实际场景的结合程度和感受的描述2. 评价方式：* 教师评价：根据作业报告和提交的实际情况进行评分。

* 学生互评：邀请学生之间互相评价，交流经验和感受，加深对远程控制系统的理解和应用。

五、作业反馈在作业反馈环节中，学生可以向教师提出自己在作业中遇到的问题和困惑，教师将会及时给予解答和帮助。

同时，教师也会根据学生的作业情况，对教学方法和内容进行反思和改进，以提高教学质量。

通过本次作业，学生将能够掌握远程控制系统的基本知识和技能，为后续的学习和实践打下坚实的基础。

同时，通过实际操作和反思，学生也将能够更好地理解和应用所学知识，提高自己的综合素质和能力。

希望各位同学能够认真对待本次作业，积极参与实践操作，认真撰写作业报告，以便更好地掌握远程控制系统的知识和技能。

同时，也希望同学们能够积极提出自己的问题和建议，以便教师更好地改进教学方法和内容。

《控制系统的设计与制作》作业设计方案一、项目背景控制系统是摩登工程领域中非常重要的一部分，它可以应用于各种领域，如机械、电子、自动化等。

本次作业设计旨在帮助学生深入理解控制系统的原理和应用，通过设计与制作一个简单的控制系统，来提高学生的动手能力和实践能力。

二、设计目标1. 了解控制系统的基本原理和组成结构；2. 掌握控制系统的设计与制作方法；3. 提高学生的动手能力和实践能力。

三、设计内容1. 硬件设计：设计一个简单的控制系统，包括传感器、执行器、控制器等组件；2. 软件设计：编写控制系统的程序，实现对系统的控制和监控；3. 系统调试：对设计的控制系统进行调试，确保系统正常运行。

四、设计步骤1. 硬件设计：a. 选择传感器和执行器：根据设计要求选择合适的传感器和执行器，例如温度传感器、电机等；b. 设计电路：根据传感器和执行器的特性，设计控制系统的电路；c. 组装硬件：将传感器、执行器等组件按照设计要求组装成一个完备的控制系统。

2. 软件设计：a. 编写程序：根据控制系统的功能需求，编写相应的控制程序，实现对系统的控制和监控；b. 调试程序：对编写的程序进行调试，确保程序能够正常运行。

3. 系统调试：a. 毗连硬件和软件：将设计好的硬件和软件毗连起来，进行系统调试；b. 调试系统：对系统进行调试，检查系统是否正常运行，调整参数以优化系统性能。

五、作业要求1. 学生需按照设计要求完成硬件设计、软件设计和系统调试；2. 学生需提交设计文档和实验报告，包括设计思路、实验过程和结果分析等内容；3. 学生需在规守时间内完成作业，并参与作业展示和讨论。

六、评分标准1. 硬件设计：20分2. 软件设计：30分3. 系统调试：20分4. 设计文档和实验报告：30分七、作业展示学生需将设计好的控制系统进行展示，展示内容包括系统功能、设计思路、实验结果等，同时需要回答老师和同砚的问题，展示作业的完成情况和进修效果。

第6章控制系统的设计6.1学习要点1控制系统校正的概念，常用的校正方法、方式;2各种校正方法、方式的特点和适用性；3各种校正方法、方式的一般步骤。

6.2思考与习题祥解题6.1校正有哪些方法？各有何特点？答：控制系统校正有根轨迹方法和频率特性方法。

根轨迹法是一种直观的图解方法，它显示了当系统某一参数（通常为开环放大系数）从零变化到无穷大时，如何根据开环零极点的位置确定全部闭环极点的位置。

因此，根轨迹校正方法是根据系统给定的动态性能指标确定主导极点位置，通过适当配置开环零极点，改变根轨迹走向与分布，使其通过期望的主导极点，从而满足系统性能要求。

频率特性是系统或元件对不同频率正弦输入信号的响应特性。

频域特性简明地表示出了系统各参数对动态特性的影响以及系统对噪声和参数变化的敏感程度。

因此，频率特性校正方法是根据系统性能要求，通过适当增加校正环节改变频率特性形状，使其具有合适的高频、中频、低频特性和稳定裕量，以得到满意的闭环品质。

由于波德图能比较直观的表示改变放大系数和其他参数对频率特性的影响，所以，在用频率法进行校正时，常常采用波德图方法。

系统校正要求通常是由使用单位和被控对象的设计单位以性能指标的形式提出。

性能指标主要有时域和频域两种提法。

针对时域性能指标，通常用根轨迹法比较方便；针对频域性能指标，用频率法更为直接。

根轨迹法是一种直接的方法，常以超调量3% 和调节时间匚作为指标来校正系统。

频域法是一种间接的方法，常以相位裕量和速度误差系数作为指标来校正系统。

题6. 2校正有哪些方式？各有何特点？答：校正有串联校正方式和反馈校正方式。

校正装置串联在系统前向通道中的连接方式称为串联校正。

校正装置接在系统的局部反馈通道中的连接方式称为反馈校正。

如图6.1所示。

图6.1串联校正和反馈校正串联校正方式因其实现简单而最为常见。

反馈校正除能获得串联校正类似的校正效果外，还具有串联校正所不具备的特点：(1)在局部反馈校正中，信号从高能级被引向低能级，因此不需要经过放大；⑵能消除外界扰动或反馈环内部系统参数波动对系统控制性能的影响，提供系统更好的抗干扰能力。

控制系统整体方案设计整体方案设计是指在控制系统的设计过程中，对系统进行全面、整体的规划和设计。

下面是一个控制系统整体方案设计的示例，包括系统需求分析、功能模块划分、硬件选型和软件设计等内容。

1. 系统需求分析首先对控制系统的需求进行分析，包括系统的目标、功能和性能要求。

例如，某个控制系统的目标是实现对温度的精确控制，功能要求包括温度的设定、测量和调节，并且要求温度控制误差在一定范围内，系统响应时间快等。

2. 功能模块划分根据系统的需求，将系统划分为不同的功能模块。

以温度控制系统为例，功能模块可以划分为温度传感器模块、控制器模块和执行器模块等。

3. 硬件选型根据功能模块的划分，选择相应的硬件设备。

例如，在温度传感器模块选择一种适合的温度传感器，并考虑其测量范围和精度等指标；在控制器模块选择一种合适的控制器，可以是基于单片机或者FPGA的控制器，根据系统的复杂性和性能需求来选择；在执行器模块选择一种合适的执行器设备，如电磁阀或者电动机等。

4. 系统结构设计根据功能模块的划分和硬件选型，设计系统的整体结构。

例如，将温度传感器模块连接到控制器模块，控制器模块再连接到执行器模块，形成一个闭环控制系统的结构。

同时，考虑如何与外界进行通信和数据传输，例如使用串口、以太网或者无线通信等。

5. 软件设计根据系统的需求和结构设计，进行相应的软件设计。

例如，在控制器模块中设计温度控制算法，根据温度测量值来计算控制误差，并根据调节规律来调整执行器的输出。

同时，还需要设计相应的界面程序，用于设定温度和显示控制结果等。

6. 系统测试和调试在整体方案设计完成后，进行系统的测试和调试。

通过实际测试来验证系统的功能和性能是否满足需求，并进行相应的调整和优化。

以上是一个控制系统整体方案设计的基本步骤和内容，根据具体的系统需求和设计要求，可能会有所不同。

在实际设计过程中，需要充分考虑系统的稳定性、可靠性、实时性和可调节性等因素，以确保系统能够正常运行并满足实际应用需求。

《简单控制系统的设计》作业设计方案## 一、引言控制系统是摩登工程领域中的重要组成部分，其在自动化、机器人、航空航天等领域都有着广泛的应用。

本作业设计旨在通过设计一个简单的控制系统，让学生了解控制系统的基本原理和设计方法，培养学生的实践能力和创新认识。

## 二、作业目标1. 理解控制系统的基本观点和原理。

2. 掌握控制系统的设计方法和流程。

3. 培养学生的动手能力和解决问题的能力。

## 三、作业内容### 1. 系统设计学生需要设计一个简单的控制系统，可以选择以下其中一个项目：- 温度控制系统：通过传感器检测环境温度，并通过控制执行器（如风扇、加热器）来调节温度。

- 水位控制系统：通过传感器检测水位，并通过控制执行器（如水泵）来控制水位。

- 车辆避障系统：通过超声波传感器检测前方障碍物，并通过控制执行器（如电机）来避开障碍物。

### 2. 硬件搭建学生需要根据设计的系统，选购相应的传感器、执行器和控制器，并进行硬件搭建和毗连。

### 3. 程序编写学生需要编写控制系统的程序，包括数据采集、数据处理和控制执行器等部分。

### 4. 调试测试学生需要对设计的控制系统进行调试测试，验证系统的功能和稳定性，并对系统进行优化改进。

## 四、作业要求1. 作业需以小组形式完成，每组2-3人。

2. 需提交包括系统设计方案、硬件搭建图纸、程序代码和调试测试报告在内的完备文档。

3. 鼓励学生在设计中加入创新元素，提升系统性能和用户体验。

4. 作业评分将思量系统功能完备性、程序设计规范性、调试测试结果等因素。

## 五、参考资料1. 《控制系统工程导论》，朱自强，清华大学出版社。

2. 《控制工程基础》，王小川，高等教育出版社。

3. 相关网络资源和教学视频。

通过本作业设计，学生将深入了解控制系统的基本原理和设计方法，提升动手能力和解决问题的能力，为将来从事相关工程领域打下良好的基础。

第1章一、填空题1.按控制信号传递的路径不同，可将控制系统划分为：、和三种控制方式，其中控制精度最高的是控制方式。

（按给定值操纵的开环控制、按偏差调节的闭环（反馈）控制、带补偿调节的复合控制、带补偿调节的复合控制）2.对自动控制系统性能的基本要求可以归纳为“稳、快、准”三个方面，一个系统要能正常工作，其首先必须满足的最基本要求。

（稳定）3.控制系统的设计包含和设计两方面内容。

（分析）4.控制系统的仿真依据模型的种类不同，可分为、和三种形式。

（物理仿真、数学仿真、混合仿真）二、简答题1.简述控制系统CAD的发展历程，并简单分析控制系统CAD 和机械CAD或建筑CAD 的相同点和区别。

早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如Ziegler 与Nichols 于1942年提出的PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。

随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是20世纪70年代出现了控制系统的计算机辅助设计(computer-aided control system design , CACSD)方法。

近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD 软件频繁出现且种类繁多，其中MA TLAB已成为国际控制界的标准分析和辅助设计软件。

控制系统CAD 和机械CAD或建筑CAD的相同点是均是借助计算机软件进行设计；不同的是设计对象不同，其中控制系统CAD是借助计算机对控制系统进行仿真和设计，机械CAD是借助计算机对机械结构进行设计和计算，建筑CAD借助计算机辅助设计建筑结构，设计对象的不同决定了其各自使用的软件也不尽不同。

2.什么是控制系统的计算机仿真？控制系统的计算机仿真是利用计算机对控制系统进行数学仿真。

数学仿真就是根据实际系统中各个变化量之间的关系，构建出系统的数学模型，并利用此模型进行分析研究。

数学仿真的关键在于数学模型的构建和求解。

《闭环电子控制系统》作业设计方案第一课时一、设计目标本次作业设计旨在援助同砚加深对闭环电子控制系统的理解，在设计和试验中精通闭环控制系统的工作原理和方法，同时培育同砚的动手能力和解决问题的能力。

二、设计内容1. 硬件要求：Arduino开发板、蓝牙模块、电机、传感器等。

2. 软件要求：Arduino IDE开发环境、手机APP开发工具等。

3. 设计任务：设计一个闭环电子控制系统，实现通过蓝牙控制电机的转速，并实时监测电机的转速和温度。

三、设计步骤1. 硬件毗连：将Arduino开发板、蓝牙模块、电机和传感器按照电路图毗连好。

2. 软件编程：在Arduino IDE中编写程序，实现蓝牙模块和电机的通讯控制，以及传感器数据的采集和监测。

3. 手机APP开发：应用手机APP开发工具，设计一个简易的APP界面，实现通过蓝牙控制电机的转速和实时监测电机的状态。

4. 系统调试：对整个闭环电子控制系统进行调试和测试，确保系统正常工作并实现设计要求。

四、试验要求1. 按照设计步骤完成试验，并记录试验过程和结果。

2. 对试验中遇到的问题进行解决和分析，提出改进意见。

3. 撰写试验报告，包括试验目标、原理、方法、结果和结论等内容。

4. 试验过程中要注意安全，防止发生意外。

五、评分标准1. 完成试验设计要求的水平。

2. 技术实现的难度和创新性。

3. 试验报告的完备性和明晰度。

4. 试验过程中的表现和结果分析能力。

六、参考资料1. 《Arduino入门与实践》，清华高校出版社。

2. 《电子技术试验指导书》，高等教育出版社。

3. 《闭环控制系统原理与应用》，机械工业出版社。

七、总结通过本次作业设计，同砚可以深度了解闭环电子控制系统的原理和应用，提高试验能力和动手能力，培育解决问题的能力和创新思维。

期望同砚们能够勤勉完成试验设计，取得满足的效果，并将所学知识应用到实际工作和生活中。

愿大家在进修和实践中不息进步，成为优秀的电子工程师！第二课时一、设计目标本次作业设计旨在让同砚通过实际操作，深度理解闭环电子控制系统的工作原理和设计方法。