课程设计任务书2015

1、上海电力学院 自动控制课程设计任务书课程设计任务书1设计内容课程设计选题目录（提示：看清题目要求）题目题目来源备注1飞机控制系统附录A限7人2电缆卷线机控制系统实验模型见课本（个别数据修改为附录B给出数据）设计要求不同于课本内容1：建模；内容2：调节参数，达到较为理想的控制效果；内容3：选择控制方式，控制器，实现理想系统，并对于不同的控制方式效果做定性分析；内容4：抗干扰能力的分析；限8人34一级倒立摆PID控制策略分析实验模型见附录设计要求建模，设计控制器，调节角度、位置，实现理想输出曲线；限7+7人56一级倒立摆状态反馈控制策略分析实验模型见附录设计要求建模，设计控制器，调节角度、位置，实

2、现理想输出曲线；限7人7直流电机调速系统见附录C设计要求：见附录B限7人8电阻炉温度控制系统见附录D设计要求：见附录C限7人9小功率随动系统设计见附录设计要求：建模，自行对系统进行稳定性、稳态性能分析，并进行校正设计限7人10工业锅炉汽包水位控制见附录E设计要求：建立模型，设计控制方案，分析控制效果限7人2.2 课程设计步骤及要求课程设计过程中，充分发挥主观能动性，独立思考，独立完成课程设计报告。2.3 课程设计报告主要内容 （调试数据可以相似，论文请独立完成，如果主要内容重复超过50，相关人都按照最低分处理）一课程设计背景（控制对象描述和实际控制要求）控制对象的描述：分析系统的工作原理和任务

3、背景；系统设计的需求分析；（稳定性、快速性、超调量、鲁棒性（适应各种扰动）二控制对象建模 原理方框图/微分方程/状态方程三控制对象特性分析 对象特性？ 惯性、延迟、有自平衡、无自平衡、稳定（不稳定）、（线性）非线性、连续（离散）四控制策略的确定与实现控制策略：PID控制、串联校正、状态反馈、非线性、单回路、多回路、前馈、复合、补偿等；基于控制策略的实验模型（SIMULINK模型、实物实验平台）五实验分析 结合实验数据进行分析，得出结论，结论要表述准确；课程设计体会附录及其参考文献2.4 课程设计报告要求： 封皮（标头（上海电力学院电自学院）、题目、指导老师、学号、姓名）报告文档（有页眉和页数）

4、； 上交电子文档和打印文档；3. 课程设计评分标准 考核内容中期检查报告撰写答辩成绩比例205030附录A： 飞机运动控制系统 飞机的刚体运动线性方程式为高阶方程，但是，可以分为两个低阶形式，分别代表纵向运动和横向运动。纵向运动包括轴向（X），垂直方向（Z）和俯仰动作（和q），而侧向运动包括翻滚（，P）和偏移运动（和）。侧滑角是前进速度方向与飞机前端方向间夹角的亮度。虽然两种运动之间有少量的耦合作用，但通常忽略不计，所以对飞机的控制系统设计可以分别设计，实现纵向和横向的分别控制。任务1：侧向姿态控制侧面的近似线性模型如下：图11 侧向运动原理框图其中为方向舵偏差，为期望偏转速率；要求选择至少两

5、种以上控制方案，讨论，分析，最终实现：1 快速跟踪，实现无误差；2自然频率期望，阻尼比；任务2：纵向姿态控制纵面的近似线性模型如下：其中被控制量为h：高度，为高度偏差；控制器设计要求：1 至少有两种以上的设计方案，进行方案论证，最终实现：A 单调过渡；B 最快速过渡；C 无误差跟踪；附录B： 电缆卷线机控制系统使用一个转速计来测量电缆离开卷筒的速度，转速计的输出用来控制卷轴驱动电机的速度。该系统的框图如下图所示。当电缆绕满时，电缆卷筒的半径R为4m，当没有电缆时， 期望速度 + 转矩 实际的绳索速度R(t) 测速计转轴动态特性电机放大器 V(t) 图2 电缆卷线机控制系统卷轴的半径R为2m。若

6、电缆卷筒的转动惯量为，半径变化率为式中：卷轴厚度，电缆直径，电缆的实际速度，卷轴角速度转矩积分的倍。放大器的传递函数是K，电机的传递函数为，测速计为。要求1：若电缆的预期速度为50m/s，请对该系统进行SIMULINK仿真，当增益K=0.01,0.1,0.5时，分别计算系统在20s内的速度响应。其中，卷轴松开时，卷轴的转动惯量是随时间变化的，因为仿真过程中应在I的方程中将这个变化考虑在内。此外，在W=2,D=0.1以及t=0和R=3.5的情况下，选择增益K的取值，使系统的超调量小于20%并保证最快的响应速度。要求2：请将放大器选择以下内型控制方式，设定控制系统的性能指标，进行调试，实现理想性能

7、。i PI，PD和PID控制，实现理想系统；ii 超前或者滞后或者滞后超前控制，实现系统的镇定； 附录C：直流电机调速系统：目标是通过对电机输入一定的电压，使其带动负载以期望的角速度转动。1 系统框图直流电机最基本的组成部件为：定子和转子。其等效的电路图如图二所示。其中，和分别为转子绕组的等效电感和等效电阻，是转子绕组旋转时产生的电动势，n是输出转速。根据电路回路的电压平衡关系有： 是摩擦力矩，为空载时候的负载转矩；电力拖动系统部分折算到电动机轴上的飞轮惯量； 式中：N电枢绕组匝数；P磁极对数；a电枢绕组组支路数；要求1：利用SIMULINK建立电动机的仿真模型；要求2：若转速反馈支路的传感器

8、为一个测速发电机，传递函数为0.007，请建立系统整体模型，将放大器选择以下内型控制方式，设定控制系统的性能指标，进行调试，实现理想性能。i P，PI，PD和PID控制，实现理想系统；ii 选择电动机的状态变量，加入状态反馈，实现系统的镇定；iii分析各种控制方式的控制效果，分析抗干扰性能； 图3 电炉箱恒温控制系统附录D：电炉箱恒温控制系统直流电机+减速器调压器：，；加热炉：；热电偶：；要求1：利用SIMULINK建立电炉箱控制系统的仿真模型；要求2：分析加热炉的延迟时间长短的影响；要求3：设定加热炉的延迟时间15s，加入控制器。分析P、PI、PD、PID的控制效果，基于PID控制器调节到最

9、佳状态（无差、稳定、过渡时间300s,超调量18%）。要求4：选择合适的状态变量，加入状态反馈，分析每个状态反馈独立作用下的控制效果，调节合适的状态反馈参数，实现相对理想的控制；要求5：分析PID控制和状态反馈控制的优缺点；附录E：工业锅炉汽包水位控制 汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器爆管，水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。将蒸汽流量看作系统的扰动量，系统结构图如下：图4 整个控制系统形成两个闭合回路，其一是给水流量测量调节回路，称为水流量回路，其作用是消除给水侧的扰动，

10、稳定给水流量。其二是由水位变送器，控制器及给水控制回路组成，称为外回路，其作用是消除各种扰动对水位的影响。 执行器的传递函数为：；给水流量变送器：；汽包水位变送器：；锅炉的传递函数为：； 假定汽包水位给定值为0.3m;要求1：利用SIMULINK建立锅炉汽包水位控制系统的仿真模型；要求2：设计控制器，使得系统的稳态误差为0，超调量小于15，过渡过程时间40s；要求3：假设蒸汽量为60，蒸汽流量变送器值为1，试设计动态前馈补偿器，消除扰动对系统的影响，使得系统的稳态误差小于0.01，超调量小于15，过渡过程时间40s； 要求4：当要求的汽包水位改变为其他值，当蒸汽量改变为其他值，控制器的参数的调

11、节分析；附录F：A 解耦型的一级倒立摆的数学模型如下式所示,式中X为小车的位移; 为摆杆的摆角;u为输入,即小车的位移加速度;y为输出。B 耦合的一级倒立摆的数学模型如下式所示,式中X为小车的位移; 为摆杆的摆角;u为输入,即小车的位移加速度;y为输出。附录G：小功率随动系统框图1 介绍一下各个部件及其参数测定方法：A 伺服电位器：伺服电位器完成位置-电压的变换，是个比例环节。其系数Kr可由测得的数据拟合的直线的斜率求出。表1 h-U测量数据h 0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.70.8 0.9 1U 0 0.73 1.46 2.189 2.922 3.6494.378 5.111 5.846.5717.300B 运算放大器其增益能够在10以上保持稳定；C 直流力矩电机力矩电机能经常工作在堵转或低速的状态下，因此常在低速随动系统中作为执行元件。为了使测量和计算简便，以电机的转速为输出量，采用的传递函数，需确定电机时间常数和电机增益常数表2 电机的单位阶跃响应数据： T 0:0.02:0.24Y 0 1.1804 1.8964 2.3306 2.594