自动控制原理课程设计报告

1、自动控制原理课程设计目 录一、 引言.1二、 自动控制的相关概念.1三、 课程设计目的.2四、 课程设计内容及要求.3五、 课程设计题目 .3六、 未校正系统分析.4七、 校正装置设计.6八、 校正装置电路仿真.10九、 总结与心得11十、 参考文献12一、 引言自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航空及航天等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们地劳动环境，丰富和提高了人民地生活水平。在今天的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出了重要贡献：20世纪90年代，实现了万米深海探测；通信和金融业已接近全面自动化；哈勃太空望远镜为研究宇宙提供了前所未有的机会；20

2、04年美国研制的勇气号和机遇号火星探测器完成了火星表面的实地探测。在控制技术需求推动下，控制理论本身也取得了显著进步。从线性近似到非线性系统的研究取得了新的成就，借助微分几何的固有非线性框架来研究非线性系统的控制，已成为目前重要的研究方向之一;离散事件动态系统理论的形成，扩展了对离散系统的描述和分析能力；分布参数系统的研究又有了新的突破；不定性h控制及系统对外扰的鲁棒性分析和设计已扩展到无穷维空间。实践证明，系统或参数识别技术对加工随机信息具有不可替代的应用价值。自适应自校正自组织系统的研究和应用又有新的发展。为了适应控制技术和控制理论发展形势的需要，对自动化专业的学生来说，掌握和运用自动控制

3、原理尤为重要。而课程设计正是考验学生掌握自动控制原理内容的重要环节，要想做好课程设计就要理解自动控制系统的基本要求。要提高控制质量，就必须对自动控制系统的性能提出一定的具体要求。尽管自动控制系统有不同的类型，对每个系统都有不同的特殊要求。但总的说来，都是希望设计的控制过程尽量接近理想的控制过程。工程上常常从稳、准、快三个方面来评价自动控制系统的总体精度。1.稳指控制系统的稳定性和平稳性。稳定性指系统重新恢复平衡状态的能力，它是自动控制系统正常工作的先决条件。一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的初始偏差应随时间的增长逐渐减小或趋于零。平稳性指过渡过程振荡的振幅与频率。即被控量围绕给定值摆动的

4、幅度和摆动的次数。好的过渡过程摆动的幅度要小，摆动的次数要少。2.快是指控制系统的快速性，即过渡过程继续的时间长短。过渡过程越短，说明系统快速性越好，过渡过程持续时间越长，说明系统响应迟钝，难以实现快速变化的指令信号。3.准是指系统在过渡过程结束后，其被控量（或反馈量）对给定值的偏差而言，这一偏差称为稳态误差，它是痕量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准的要求各有侧重。而且对同一系统，稳、快、准的要求常常是相互制约的。过分提高过程的快速性，可能会引起系统强烈的振荡，而过分追求稳定性，又可能使系统反应迟缓，最终导致准确性变坏。

5、如何分析和解决这些矛盾，将是本课题研究的主要内容。二、 自动控制的相关概念1. 含义所谓自动控制，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（即被控量）自动地按照预定的规律运行。2. 控制系统类型（1） 开环控制系统只有输入量的前向控制作用，输出量并不反馈回来影响输入量的控制作用，因而，我们将它称为开环控制系统（open-loopcontrolsystem）。开环控制系统可用下图表示。开环系统的优点结构简单，系统稳定性好，调试方便，成本低。因此，在输入量和输出量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因

6、素不大，或这些扰动因素可以预测并进行补偿的前提下，应尽量采用开环控制系统。开环控制的缺点当控制过程中受到来自系统外部的各种扰动因素，如负载变化、电源电压波动等，以及来自系统内部的扰动因素，如元件参数变化等，都将会直接影响到输出量，而控制系统不能自动进行补偿。因此，开环系统对元器件的精度要求较高。（2） 闭环控制系统闭环控制系统（close-loopcontrolsystem）又称反馈控制系统（feedbackcontrolsystem），是在闭环控制系统中，把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定值（参考输入）进行比较（相减），并利用比较后的偏差信号，以一定的控制规律产生控制

7、作用，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，逐步减小以至消除这一偏差，从而实现要求的控制性能。闭环控制的优点抑制扰动能力强，与开环控制相比，对参数变化不敏感，并能获得满意的动态特性和控制精度。闭环控制的缺点但是引入反馈增加了系统的复杂性，如果闭环系统参数的选取不适当，系统可能会产生振荡，甚至系统失稳而无法正常工作，这是自动控制理论和系统设计必须解决的重要问题。3. 自动控制系统的组成被控对象（或过程）又称控制对象或受控对象，指需要对它的某个特定的量进行控制的设备或过程。被控对象的输出变量是被控变量，常常记作或。被控对象除了受到控制作用外，还受到外部扰动作用。给定元件其作用是给出与期望的输出相对应的

8、系统输入量，是一类产生系统控制指令的装置。测量反馈元件如传感器和测量仪表，感受或测量被控变量的值并把它变换为与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件比较输入信号与反馈信号，以产生反映两者差值的偏差信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件也叫补偿元件，它是按某种函数规律变换控制信号，以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控制量按期望值变化。如电动机、气动控制阀等。三、 课程设计的目的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（

9、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。四、 课程设计内容及其要求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，

10、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。4确定校正装置的电路形式及电路参数。5完成设计报告五、课程设计题目已知开环传递函数为：gs=ks0.05s+1(0.25s+1) ，要求系统参数为：1) ，2) ，3) 。六、未校正系统分析未校正系统的开环传函为gs=ks0.05s+1(0.25s+1)1.根据系统开环传函可知，系统没有零点；开环极点为：p1=0,p2=-4,p3=-20。图6-1 开环传函的零极点图图6-2 系统的根轨迹2.作出系统的

11、根轨迹（1）实轴上的根轨迹：-,-20, -4,0；（2）渐近线：a=60,180或-60；交点：a=-8 ；（3）分离点：由1d+1d+4+1d+20=0,解得d=-1.89；则系统根轨迹如图6-2。3.随着系统根轨迹增益变化的系统动态性能分析（1）稳定性由系统开环传函克制闭环系统特征方程为ds=ss+4s+20+k*=s3+24s2+80s+k*=0令s=j,将其代入上式得 (j)3+24(j)2+80j+k*=0即80-3=0k*-242=0 . 由于0，故可解得 =45k*=80k=1920则当k* 1 rad/s，算出待校正系统的相角裕度为=180-90-arctan0.05c-ar

12、ctan0.25c|c=4.91=25.3940（2）由要求的 选择 c 。选取c=-6,而要求=40；于是c=-c=46 。由 =90-arctan0.05c-arctan0.25c ，解得校正后系统的截止频率c=2.8840 rad/s（3）确定滞后网络参数b和t。当c=2.8840 rad/s时，由图6-3可测得lc=2.2270db , 再由20lgb=-lc，解得b=0.4490。令1bt=0.1c,求得 t=7.7220s 。于是串联滞后校正网络的对数幅频特性曲线lc()如图6-5所示，其传递函数为gcs=1+bts1+ts=3.467 s + 17.722 s + 系统的开环传递

13、函数为gos=2219 s + 6407.722s4+186.3s3+641.8s2+80s图6-3 待校正系统的开环bode图图6-5 校正后系统的开环bode图 图6-6 待校正系统时间响应图6-7校正后系统时间响应（3） 验算性能指标=180+ 40图6-5 系统校正前后开环对数幅频特性图（4）matlab验算性能指标幅频裕度h（db）相角裕度()穿越频率x (rad/s)截止频率c (rad/s)待校正3.000025.38988.94434.9083校正后6.361042.77048.72852.8923设计要求401 rad/s(5)程序名:abc.mg=tf(640,1 24 8

14、0 0)%未校正系统传递函数h,r,wx,wc=margin(g)%计算未校正系统稳定裕度性能指标figure(1),gridmargin(g);%未校正系统稳定裕度图w=2.8840%相角裕度满足w=46时的截止频率lw=bode(g,w)%计算出在原来系统bode上w=2.8840时，开环传递函数的幅值大小b=1/lw%根据20*lg(b)+20*lg(lw)=0;求出b；t=1/(b*0.1*w)%根据1/bt=0.1*w求出t；gc=tf(b*t 1,t 1)%由bt值可得到，无源滞后网络传递函数gcgo=gc*g%由无源滞后网络传递函数gc和开环传递函数g可得校正后开环传递函数goh

15、1,r1,wx1,wc1=margin(go)%计算校正后系统的相角裕度，幅值裕度，截止频率，穿越频率figure(2),gridmargin(go)%校正系统稳定裕度图figure(3),gridbode(g,r-,go,b)%校正系统与未校正系统的bode图figure(4),gridsys1=feedback(g,1)%未校正系统的单位负反馈闭环传函step(sys1)%未校正系统的闭环传函阶跃响应figure(5),gridsys2=feedback(go,1)%校正系统的单位负反馈闭环传函step(sys2)%校正系统的闭环传函阶跃响应simulink动态仿真图：结构图由受控对象、校

16、正模块、求和器sum以及信号单元step fun和显示单元scope组成。图6-6 用simulink仿真的校正后阶跃响应曲线由上图可知，响应曲线为稳定在y=1的平滑曲线。系统的稳定性较好，响应速度较快。八、校正装置电路仿真根据选用的装置，使用multisim电路设计仿真软件（或其他硬件电路仿真软件）绘画模拟电路。求此系统的阶跃响应曲线。分析采用的校正装置的效果。校正前的multisim电路仿真：图8-1未校正前的电路模拟设计校正后的multisim电路仿真：图8-2加上校正网络的电路图图8-3校正后波形九、总结与心得本次课程设计，不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

17、在设计过程中，我们通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，一步一步分析和研究。在设计和分析过程中遇到不少问题，首先是因为对知识有所遗忘，matlab软件使用又比较陌生，不仅要复习自动控制原理的知识，还要学习各种软件的使用。另外在硬件仿真方面，由于在以前的学习过程中都比较忽视，只重视理论，因此，会让我们有点不知所措，但通过在网上搜索并与其他同学交流讨论。学会了硬件的设计，然后通过学习使用multisim电路设计仿真软件，实现校正前后的对比，得出我们的设计是符合要求的。经过这次设计实验，我们掌握和巩固了自动控制原理所学的基本知识。同时，做完此项设计后，我们懂得了除了具有对本课程的基础知识以及不同知识之间的联系有一定程度的掌握外，还要认真听取并