自动控制系统课程设计说明书
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、设计任务书题 目:同时提高机器人转动关节的稳定性和操作性能，始终是一个具有挑战性的问题。
提高增益可以满足对稳定性的要求，但随之而来的是无法接受过大的超调量。
用于转动控制的电-液压系统的框图如下，其中，手臂转动的传动函数为)150/6400/(100)(2++=s s s G s试设计一个合适的校正网络，使系统的速度误差系数20=v K ，阶跃响应的超调量小于%10。
二、设计过程（一）人工设计过程解：根据初始条件，调整开环传递函数：G(s)=)1506400(1002++s s s要求kv=20，σp≤10%未加补偿时的开环放大系数K=100/s ，校正后K =kv=20/s,因此需要一个k1=51的比例环节，增加此环节后的幅值穿越频率变为20rad/s.计算相位裕度： 由20lg100-20lg80=60lgωc =3210080⨯=86.2rad/sγ0=180-+-18090arctan 16.172.1=-34<0因此系统不稳定先计算相位裕度，判断不稳定由bode 图知系统低频段已满足要求。
待补偿系统在希望的幅值穿越频率ωc附近的中频段的开环对数幅频特性的斜率是-20Db/dec,但该频段20lgG>0Db.因此考虑用滞后补偿。
技术指标为σp=10%，利用教材上的经验公式已无法达到要求。
在另一本教材（《自动控制原理》（第2版）），吴麒主编，清华大学出版社，有另一经验公式σp=γ2000-20利用此公式，得相位裕度γ>67% 技术指标对幅值穿越没有要求。
技术指标对幅值穿越频率ωc没有要求。
20lg G中ω<20时斜率为-20dB/dec ，拟将这部分作为中频段，取ωc=16rad/s在0dB 线上取ωc=16的点B过B 作-20dB/dec 直线至ω=80rad/s 处点C 。
延长CF 至点D ，点D 的角频率就是滞后补偿网络的转折频率ω1。
自动控制系统课程设计.ppt
保护电路
三相交流电源
三相全控桥
直流电动机
双闭环调速
触发电路
图2-3 系统设计框图
变流器主电路和保护环节设计
• 整流变压器
• 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电 压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小 电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔 离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变 压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y 联接。
课程设计的主要任务
• (一) 系统各环节的选型：
1、主回路方案确定； 2、控制回路选择；
• (二) 主要电气设备的计算和选择：
1、整流变压器计算； 2、晶闸管整流元件； 3、系统各主要环节的设计； 4、平波电抗器选择计算；
• (三) 系统参数计算：
1、电流调节器ACR中 、 计算； 2、转速调节器ASR中 、 计算；
本设计采用如下图阻容吸收回路来抑制过电压
图3-3 元件换相保护原理图
• 其中
C (2 ~ 4)IT 103
• 电阻功率选择 PR 1.75 fCUTm 2 10 6 (W )
• 过电流保护
• 将快速熔断器安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直 接串联。
• 选择时应注意以下问题： • ① 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 • ② 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 • ③ 溶体的额定电流 计算公式 三相交流电路的一次侧过电流保护 • 在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三
• β=0.77V/A，α=0.007Vmin/r
直流拖动系统系统总体设计
• 主要任务
1、系统总体方案的选择； 2、系统方案的实体设计； 3、系统各主要保护环节的设计； 4、系统的动态工程设计；
自动控制原理课程设计
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。
车库自动门控制系统plc课程设计说明书
车库自动门控制系统plc课程设计说明书摘要：1.设计目的和意义2.系统组成和原理3.PLC 硬件选型和配置4.PLC 程序设计与调试5.系统性能评价与优化正文：一、设计目的和意义随着科技的发展和城市化进程的加快，停车难问题日益凸显。
为解决这一问题，本设计提出一种基于PLC的车库自动门控制系统。
该系统具有较高的可靠性、稳定性和实用性，能够实现车辆的自动化管理，提高车库的利用率，减轻驾驶员寻找停车位的负担。
二、系统组成和原理车库自动门控制系统主要由传感器、PLC、执行器、驱动器和人机界面等组成。
系统的工作原理如下：1.传感器检测到车辆靠近，发送信号给PLC。
2.PLC接收到信号后，根据预设的程序控制执行器动作，如开启车库门、下降升降机等。
3.同时，PLC通过人机界面实时显示系统状态，方便操作人员了解运行情况。
三、PLC硬件选型和配置1.选择PLC型号：根据系统需求，选择具有足够输入/输出点数的PLC。
例如，选用西门子S7-200系列PLC。
2.配置输入/输出模块：根据传感器的类型和数量，配置相应的输入模块；根据执行器的数量，配置输出模块。
3.配置通信模块：为实现PLC与人机界面、其他设备之间的通信，配置合适的通信模块。
四、PLC程序设计与调试1.熟悉西门子软件和编程语言，掌握编程技巧。
2.了解车库的工艺流程，根据工艺写程序。
3.进行系统调试，确保各部件动作顺畅，满足设计要求。
五、系统性能评价与优化1.评价指标：系统的稳定性、可靠性、响应速度和停车效率等。
2.优化措施：针对系统存在的问题，进行相应的改进。
如增加传感器、优化程序设计、提高执行器速度等。
综上所述，本设计旨在实现车库自动门控制系统的自动化管理，提高车库利用率，缓解城市停车难题。
通过PLC编程和系统调试，确保系统的稳定性和可靠性。
自动控制原理课程设计
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。
汽车发动机散热器的自控系统课程设计说明书
汽车发动机散热器的自控系统课程设计说明书一、引言汽车发动机散热器是保证发动机正常运行的关键部件之一。
发动机工作时会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，会导致发动机过热，甚至造成发动机损坏。
为了解决发动机散热问题，本课程设计旨在设计一个自动控制系统来管理发动机散热器的散热效果，确保发动机温度在安全范围内。
二、系统设计该自控系统的设计思路如下：1.传感器部分：通过安装温度传感器来实时检测发动机的温度，并将检测结果发送给控制单元。
2.控制单元部分：控制单元接收来自传感器的温度数据，并根据预设的温度范围制定散热策略。
如果温度过高，控制单元将会自动开启散热器以加速散热；如果温度过低，则会自动关闭散热器以避免过量散热。
3.执行部分：控制单元通过输出控制信号来控制散热器的开关状态，以实现自动控制散热器的散热效果。
三、硬件设计本系统的硬件设计主要包括传感器部分和执行部分。
1.传感器部分：选择适用于汽车发动机温度检测的温度传感器，如NTC温度传感器。
将传感器安装在发动机的散热器上，以便实时检测发动机的温度。
2.执行部分：选择合适的继电器模块作为执行部分，通过继电器控制散热器的开关状态。
继电器模块的输入端接收控制单元输出的控制信号，输出端连接散热器的电源线。
四、软件设计该自控系统的软件设计主要包括控制单元的算法设计和执行部分的驱动程序设计。
1.控制单元算法设计：通过编程实现控制单元的温度策略。
当温度超过上限时，控制单元输出控制信号以打开继电器，使散热器工作；当温度低于下限时，控制单元输出控制信号以关闭继电器，停止散热器工作。
2.执行部分驱动程序设计：编写相应的驱动程序，实现控制单元与继电器模块的通讯和控制。
五、实验步骤1.搭建系统硬件框架：将温度传感器安装在散热器上，将继电器模块连接到散热器的电源线上。
2.编写控制单元的算法和执行部分的驱动程序：根据系统设计要求，编写相应的算法和驱动程序。
3.软硬件集成测试：将编写好的驱动程序与硬件连接起来，进行具体的测试，检查系统的功能和稳定性。
自动控制原理与系统课程设计
自动控制原理与系统课程设计设计背景自动控制原理与系统是自动化专业的核心课程之一，该课程主要介绍了自动控制的基本概念、原理和方法，以及自动控制系统的现代化应用。
通过学习，可以深入理解控制理论的实际应用和设计过程，提高工程实践能力和解决问题的能力。
为了加深对自动控制理论的理解和巩固学习成果，要求进行一次课程设计，设计任务为通过自动化控制实现特定的系统功能。
设计内容设计目标该设计的目标是设计一个通过PID控制实现温度控制的加热系统，实现目标温度精度控制在0.5°C以内，通过模拟实现控制器设计和调试。
设计要求1.设计加热系统，要求能够加热到指定温度，并实现精度控制。
2.使用PID控制算法设计控制器，实现对加热系统的控制；3.要求控制系统的误差在可接受范围内，同时控制器的输出能够稳定和快速响应；4.通过模拟实现控制器的调试和验证，检查控制器的性能；5.最后，完成实验报告和源代码提交。
设计步骤第一步：加热系统的设计首先，我们需要设计加热系统，并确定温度传感器的位置和控制区域。
设计加热器和温度传感器的位置需要满足加热均匀性和温度测量准确性的要求。
例如，可以将加热器放在系统的底部，而温度传感器处于加热器和系统顶部之间。
此外，我们还需要选择合适的加热元件、温度传感器等元器件。
第二步：控制回路的设计接下来，通过PID控制算法进行电路设计。
PID控制器的输入是测量温度与期望值的偏差，控制器输出作为加热器的控制信号，调节加热系统的输入来实现温度控制。
PID控制器的设计需要考虑以下几个方面：1.比例控制：控制器的输出与偏差成比例；2.积分控制：控制器的输出与过去偏差积累成比例；3.微分控制：控制器的输出与偏差变化率成比例；根据实验结果，需要对PID控制器进行参数优化以改善控制精度和系统响应速度。
第三步：系统调试和测试设计好系统之后，需要对系统进行调试和测试，设计穿插了多个模块，需要逐步逐个验证良好才能将它们联合起来。
自动控制系统课程设计
目录一、概述 (2)二、方案 (2)2.1、双闭环直流调速系统 (2)2.2、方案论证 (3)2.3、设计要求 (3)三、电路单元设计 (3)3.1、转速给定电路设计 (4)3.2、转速检测电路设计 (4)3.3、电流检测电路设计 (5)3.4、整流及晶闸管保护电路设计 (5)3.4.1、过电压保护和du/dt限制 (6)3.4.2、过电流保护和di/dt限制 (6)3.4.3、整流电路参数设计 (7)3.5、电源设计 (8)3.6、控制电路设计 (9)四、MATLAB系统仿真调试 (15)五、个人总结 (17)六、参考文献 (18)双闭环晶闸管直流调速系统一、概述在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。
电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。
这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。
有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。
尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。
因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。
直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
自动控制原理课程设计
总结词
自动控制系统是一种无需人为干 预，能够根据输入信号和系统内 部参数自动调节输出信号，以实 现特定目标的系统。
详细描述
自动控制系统通过传感器检测输 入信号，经过控制器处理后，输 出控制信号驱动执行机构，以调 节被控对象的输出参数。
自动控制系统分类
总结词
根据不同的分类标准，可以将自动控制系统分为多种类型。
生对自动控制原理的理解和应用能力。
03
教学效果
通过本次课程设计，学生能够掌握自动控制系统的基本原理和设计方法，
具备一定的系统分析和设计能力，为后续的专业学习和实践打下坚实的
基础。
课程设计展望
加强实践环节
在未来的课程设计中，可以进一步增加实践环节的比重，通过更多的实验和项目实践，提 高学生的动手能力和解决实际问题的能力。
软件测试与调试
对软件进行测试和调试，确保软件功能正确、 稳定。
控制系统应用实例
温度控制系统
以温度为被控量，实现温 度的自动控制，应用于工 业、农业等领域。
液位控制系统
以液位为被控量，实现液 位的自动控制，应用于化 工、水处理等领域。
电机控制系统
以电机转速或位置为被控 量，实现电机的自动控制， 应用于工业自动化、电动 车等领域。
详细描述
根据控制方式，自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环 控制系统；根据任务类型，可以分为调节系统、随动系统和 程序控制系统；根据控制对象的特性，可以分为线性控制系 统和非线性控制系统。
自动控制系统基本组成
总结词
自动控制系统通常由输入环节、控制环节、执行环节和被控对象组成。
详细描述
输入环节负责接收外部信号并将其传输给控制环节；控制环节通常由控制器组 成，用于处理输入信号并产生控制信号；执行环节接收控制信号并驱动执行机 构；被控对象是受控对象，其输出参数由执行机构调节。
自动控制系统课程设计
自动控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握自动控制系统的基本概念、分类及工作原理，理解并能够描述典型自动控制系统的结构组成。
2. 使学生了解自动控制系统中常用的数学模型，并能够运用这些模型分析系统的性能。
3. 让学生掌握自动控制系统的性能指标及其计算方法，能够评价系统的稳定性、快速性和准确性。
技能目标：1. 培养学生运用数学工具进行自动控制系统建模、分析及设计的能力。
2. 使学生具备使用相关软件（如MATLAB等）进行自动控制系统仿真的技能。
3. 培养学生解决实际自动控制工程问题的能力，提高团队协作和沟通表达能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣和热情，激发他们探索未知、勇于创新的精神。
2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践，养成良好的学习习惯。
3. 增强学生的环保意识，让他们明白自动控制技术在节能、减排等方面的重要作用，提高社会责任感。
本课程针对高年级学生，结合自动控制系统的学科特点，注重理论联系实际，强调知识、技能和情感态度价值观的全面发展。
通过本课程的学习，使学生能够为从事自动控制领域的研究和实际工程应用打下坚实基础。
二、教学内容1. 自动控制系统概述：介绍自动控制系统的基本概念、分类、应用领域，使学生建立整体认识。
教材章节：第一章 自动控制系统导论2. 自动控制系统的数学模型：讲解线性微分方程、传递函数、状态空间等数学模型，以及它们在自动控制系统中的应用。
教材章节：第二章 自动控制系统的数学模型3. 自动控制系统的性能分析：讲解稳定性、快速性、准确性等性能指标，以及相应的计算方法。
教材章节：第三章 自动控制系统的性能分析4. 自动控制系统的设计方法：介绍PID控制、状态反馈控制、最优控制等设计方法，培养学生实际设计能力。
教材章节：第四章 自动控制系统的设计方法5. 自动控制系统仿真：结合MATLAB等软件，讲解自动控制系统仿真的基本方法。
教材章节：第五章 自动控制系统仿真6. 自动控制系统的应用案例分析：分析典型自动控制系统的实际应用案例，提高学生解决实际问题的能力。
自动化专业控制系统综合课程设计
自动化专业控制系统综合课程设计自动化专业是现代工程领域中的一个重要学科，它涉及了工业自动化、机器人技术、控制系统等多个方面。
而控制系统作为自动化领域的核心内容之一，对于自动化专业的学生来说，掌握和熟悉控制系统的设计和实现是至关重要的。
为了培养学生的综合应用能力，自动化专业的课程设置了控制系统综合课程设计。
本次控制系统综合课程设计旨在通过实际案例，让学生将所学的理论知识应用于实践中，提升他们的控制系统设计和实施能力。
本文将以某某工厂的温控系统设计为例，介绍课程设计的主要内容和步骤。
首先，课程设计需要对某某工厂的温控系统进行需求分析。
在这一步骤中，学生需要了解工厂的生产过程和温度控制的要求，明确系统的输入和输出。
通过与实际工作人员的交流或对工厂现场的观察，学生能够获得必要的信息和数据。
接下来，学生需要进行控制策略的设计。
在温控系统中，常见的控制策略包括比例控制、积分控制、微分控制和模糊控制等。
学生可以根据实际需求和所学知识，选择合适的控制策略，并进行相应参数的调整和优化。
然后，学生需要进行控制系统的硬件选型和配置。
在这一步骤中，学生需要选择合适的传感器、执行器和控制器等硬件设备，并进行连接和配置。
同时，学生还需要编写相应的软件代码，实现传感器数据的采集和控制信号的输出。
接着，学生需要进行系统的调试和测试。
在这一过程中，学生需要确保控制系统的稳定性和可靠性。
通过对系统的模拟或实际操作，学生可以验证系统的性能和功能是否满足实际需求，并进行必要的调整和改进。
最后，学生需要对课程设计的结果进行总结和评估。
学生可以根据实际效果和实施过程中的问题，提出相应的改进和优化建议。
同时，学生还可以对自己在课程设计中的学习收获和不足进行反思和总结，以便更好地提升自己的能力和水平。
通过这样的综合课程设计，学生不仅可以将所学的理论知识应用于实践中，还可以培养自己的团队合作能力和解决问题的能力。
同时，学生还可以体验到真实工程项目的流程和挑战，为将来的工作做好准备。
自动控制基础课程设计
自动控制基础课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解自动控制的基本概念、原理及分类。
2. 学生能掌握数学模型在自动控制中的应用，包括传递函数、状态空间等。
3. 学生能描述自动控制系统的性能指标，如稳定性、快速性、准确性等。
技能目标：1. 学生能运用数学工具建立简单的自动控制系统的数学模型。
2. 学生能分析自动控制系统的动态性能，并进行简单的设计与优化。
3. 学生能通过实例分析和问题解决，培养实际操作和动手能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣和热情，激发他们探索未知、创新实践的欲望。
2. 培养学生严谨的科学态度，使他们能够客观、理性地分析自动控制问题。
3. 培养学生的团队协作精神，使他们能够在小组合作中发挥个人优势，共同解决问题。
本课程针对高中年级学生，结合自动控制基础课程的特点，注重理论知识与实际应用的结合。
课程目标旨在帮助学生建立扎实的自动控制理论基础，培养他们分析、解决实际问题的能力，并激发他们对自动控制技术的兴趣和热情。
通过本课程的学习，学生将能够掌握自动控制的基本原理，具备一定的自动控制系统分析与设计能力，为后续学习及未来发展奠定基础。
二、教学内容1. 自动控制基本概念：控制系统定义、分类及基本组成部分。
- 教材章节：第一章 自动控制概述2. 数学模型：传递函数、状态空间、线性系统特性。
- 教材章节：第二章 控制系统的数学模型3. 控制系统性能分析：稳定性、快速性、准确性、平稳性。
- 教材章节：第三章 控制系统的性能分析4. 控制器设计：比例、积分、微分控制，PID控制器设计及应用。
- 教材章节：第四章 控制器设计5. 自动控制系统实例分析：典型自动控制系统的分析及优化。
- 教材章节：第五章 自动控制系统实例6. 实验教学：动手实践，验证理论知识，培养实际操作能力。
- 教材章节：第六章 自动控制实验本章节教学内容按照课程目标进行科学组织和系统安排，注重理论教学与实验操作的相结合。
自动控制系统计算机仿真课程设计
自动控制系统计算机仿真课程设计一、设计背景自动控制系统是现代控制理论在工程实践中应用的一个重要领域，在诸如工业控制、航空航天、军事装备等领域都有广泛应用。
为了方便学生深入理解自动控制系统的原理和应用，让学生熟悉自动控制系统的建模、仿真和控制方法，本设计课程采用计算机仿真的方法进行教学。
二、设计目标1.让学生掌握自动控制系统的基本原理和应用，了解自动控制系统的各部分组成和功能。
2.培养学生独立进行系统建模和仿真的能力，掌握MATLAB等软件实现自动控制系统仿真的方法。
3.让学生通过实践掌握控制算法的设计和实现，提高学生的分析和解决问题的能力。
三、设计内容本课程设计分为以下四个部分：1. 自动控制系统建模本部分将在讲解自动控制系统的概念、原则和应用基础上，引导学生进行系统建模。
我们将以一个缸内压力的控制系统为例，进行建模和仿真的讲解。
学生需要完成系统建模、系统参数假设、控制策略设计等步骤。
在此基础上，我们将使用Simulink等软件进行系统的仿真，并分析仿真结果。
2. 控制系统性能分析本部分将以均方根误差和最大偏差两个指标为例，引导学生进行控制系统性能分析。
学生需要了解这两个指标的含义及其适用范围，进行仿真实验并分析实验结果。
3. 控制算法设计本部分将在讲解PID控制算法、自适应控制算法、模糊控制算法等基础上，引导学生进行控制算法的设计。
学生需要选择合适的控制算法进行仿真实验，并进行实验数据分析。
4. 系统鲁棒性分析本部分将以干扰抑制能力和控制鲁棒性为例，引导学生进行系统鲁棒性分析。
学生需要了解干扰产生的原因和控制方法，并进行仿真实验和数据分析。
四、设计要求1.学生需要具备基本的线性代数、微积分和控制理论基础，掌握MATLAB等软件的使用方法。
2.学生需要自主选定一个自动控制系统进行仿真实验，并在课程中完成建模、控制算法设计、实验仿真和数据分析等步骤。
3.学生需按时提交课程设计报告和仿真代码，课程设计报告中需包含设计题目、背景和目的、仿真实验步骤和数据分析结果等内容。
课程设计自动控制原理
课程设计自动控制原理一、教学目标本节课的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握自动控制原理的基本概念、原理和应用；技能目标要求学生能够运用自动控制原理分析和解决实际问题；情感态度价值观目标要求学生培养对自动控制原理的兴趣和好奇心，提高学生学习的积极性和主动性。
通过本节课的学习，学生将能够：1.理解自动控制原理的基本概念和原理；2.掌握自动控制系统的分析和设计方法；3.能够运用自动控制原理解决实际问题；4.培养对自动控制原理的兴趣和好奇心，提高学习的积极性和主动性。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括自动控制原理的基本概念、原理和应用。
具体包括以下几个方面：1.自动控制原理的定义和发展历程；2.自动控制系统的分类和基本原理；3.控制器的设计方法和应用；4.自动控制原理在实际工程中的应用案例。
教学内容的安排和进度如下：1.第一课时：介绍自动控制原理的定义和发展历程；2.第二课时：讲解自动控制系统的分类和基本原理；3.第三课时：介绍控制器的设计方法和应用；4.第四课时：分析自动控制原理在实际工程中的应用案例。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：通过教师的讲解，向学生传授自动控制原理的基本概念和原理；2.讨论法：引导学生参与课堂讨论，培养学生的思考能力和团队合作精神；3.案例分析法：分析实际工程中的应用案例，让学生更好地理解和掌握自动控制原理；4.实验法：安排实验环节，让学生动手实践，提高学生的实际操作能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，本节课选择和准备以下教学资源：1.教材：选用《自动控制原理》教材，作为学生学习的主要参考资料；2.参考书：推荐学生阅读《现代自动控制原理》等参考书籍，加深对自动控制原理的理解；3.多媒体资料：制作PPT课件，通过图片、动画等形式展示自动控制原理的相关概念和原理；4.实验设备：准备自动控制系统实验设备，让学生进行实际操作和观察。
《自动控制原理课程设计》教学大纲
自动控制原理课程设计教学大纲1. 引言自动控制原理课程设计是自动控制原理课程的重要组成部分，通过课程设计，能够帮助学生将理论知识与实际应用相结合，提高学生对自动控制原理的理解和运用能力。
2. 课程设计目的自动控制原理课程设计的目的是培养学生分析和解决实际工程问题的能力，以及运用自动控制原理知识进行系统设计和建模的能力。
通过课程设计，学生应能够熟练运用自动控制原理的基本理论知识，了解控制系统的设计方法，并能够独立完成控制系统的设计与调试。
3. 课程设计内容（1）理论学习：包括PID控制器的原理、校正与调节，控制系统的稳定性分析和设计，频域分析与设计，以及状态空间分析与设计等内容。
（2）实际应用：通过案例分析，让学生了解自动控制在现实生活中的应用，如温度控制系统、液位控制系统等。
（3）仿真实验：利用仿真软件进行控制系统设计与仿真实验，加深学生对理论知识的理解，以及对控制系统实际应用的认识。
4. 课程设计要求（1）掌握理论知识：学生应在课程设计中深入理解自动控制原理的基本理论知识，包括控制系统的稳定性分析、频域分析与设计等。
（2）熟练运用软件：学生应能够熟练运用MATLAB等仿真软件进行控制系统的设计与仿真实验。
（3）独立完成设计：学生应能够独立完成一个控制系统的设计与调试，并能够对系统性能进行评估和优化。
5. 总结回顾自动控制原理课程设计是一门理论与实践相结合的课程，通过课程设计，学生能够深入理解自动控制原理的基本理论知识，熟练运用相关仿真软件进行控制系统的设计与仿真实验，提高学生的工程实践能力和创新意识。
在今后的工程实践中，学生能够将所学知识与技能有效地运用于相关领域，为自动控制领域的发展做出贡献。
6. 个人观点与理解作为自动控制原理课程设计的教学大纲撰写者，我深感自动控制原理课程设计的重要性。
通过课程设计，学生能够更直观地理解自动控制原理的应用，提高自己的实践能力和创新意识。
希望学生能够在课程设计中认真学习，积极思考，不断完善自己的设计方案，提升自己的工程实践能力。
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、设计目的。
自动控制原理是现代工程技术中的重要基础课程，通过本课程设计，旨在帮助学生深入理解自动控制原理的基本概念和方法，掌握自动控制系统的设计和分析技能，提高学生的工程实践能力。
二、设计内容。
1. 选取合适的控制对象，通过调研和分析，选取一个合适的控制对象，例如温度、液位等，作为本课程设计的控制对象。
2. 建立数学模型，根据选取的控制对象，建立其数学模型，包括传递函数、状态空间方程等，为后续的控制器设计奠定基础。
3. 控制器设计，根据控制对象的数学模型，设计合适的控制器，可以选择比例积分微分（PID）控制器或者其他先进的控制算法。
4. 系统仿真与分析，利用仿真软件对设计的控制系统进行仿真，分析系统的稳定性、动态响应等性能指标。
5. 实际搭建与调试，在实际的控制对象上搭建控制系统，进行调试和实验验证，观察系统的实际性能。
6. 总结与展望，总结课程设计的过程和结果，对控制系统的性能进行评价，并展望未来的改进方向。
三、设计要求。
1. 设计过程要符合自动控制原理的基本原理和方法，确保设计的科学性和合理性。
2. 数学模型的建立和控制器设计要准确，仿真与实验结果要可靠。
3. 设计报告要清晰、完整、准确，包括设计思路、理论分析、仿真结果、实验数据等。
4. 设计报告要求能够体现出学生的独立思考和创新能力，具有一定的工程实践价值。
四、设计步骤。
1. 确定控制对象，根据实际情况，选择合适的控制对象，例如温度控制系统。
2. 建立数学模型，根据选取的控制对象，建立其数学模型，包括传递函数、状态空间方程等。
3. 控制器设计，根据控制对象的数学模型，设计合适的控制器，例如PID控制器。
4. 系统仿真与分析，利用仿真软件对设计的控制系统进行仿真，分析系统的性能指标。
5. 实际搭建与调试，在实际的控制对象上搭建控制系统，进行调试和实验验证。
6. 总结与展望，总结课程设计的过程和结果，对控制系统的性能进行评价，并展望未来的改进方向。
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计一、设计目的。
本课程设计旨在通过对自动控制原理的学习和实践，使学生能够掌握自动控制系统的基本原理和设计方法，培养学生的工程实践能力和创新意识。
二、设计内容。
1. 课程概述。
自动控制原理是现代工程技术中的重要基础课程，它涉及到控制系统的基本概念、数学模型、性能指标、稳定性分析、校正设计等内容。
通过本课程的学习，学生将了解到控制系统的基本工作原理，并能够运用所学知识进行实际系统的设计与分析。
2. 课程实践。
课程设计将包括以下内容：（1）控制系统的数学建模与仿真。
通过对不同控制系统的数学建模，学生将学会如何利用数学工具描述控制系统的动态特性，并通过仿真软件进行系统性能分析。
（2）控制系统的稳定性分析与校正设计。
学生将学习控制系统的稳定性分析方法，以及如何进行控制系统的校正设计，包括校正器的设计和参数整定等内容。
（3）控制系统的实际应用。
通过实际案例分析，学生将了解控制系统在工程实践中的应用，包括工业控制、航空航天、机器人等领域的应用案例。
三、设计要求。
1. 学生在课程设计中要求独立完成控制系统的建模与仿真，稳定性分析与校正设计，以及实际应用案例的分析。
2. 学生需要结合课程学习内容，运用所学知识解决实际控制系统设计与分析中的问题，培养学生的工程实践能力和创新意识。
3. 学生需要按时提交课程设计报告，报告内容需包括设计过程、结果分析、存在问题及改进措施等内容。
四、设计步骤。
1. 确定课程设计题目和内容。
学生需要根据课程要求确定课程设计题目和内容，明确设计目的和要求。
2. 学习相关知识。
学生需要认真学习自动控制原理课程相关知识，包括控制系统的基本原理、数学模型、稳定性分析方法等内容。
3. 进行系统建模与仿真。
学生需要运用仿真软件对所选控制系统进行数学建模，并进行系统性能仿真分析。
4. 进行稳定性分析与校正设计。
学生需要对系统进行稳定性分析，并进行控制系统的校正设计，包括校正器的设计和参数整定等内容。
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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：
工业大学教务处
*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
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。
图1 一级倒立摆结构示意图
图2 一级倒立摆系统框图
图3 直线一级倒立摆模型
采用牛顿—欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统，忽略了空气阻力和各种摩擦，将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统（如上图3），根据课程设计指导书的推导过程，最终可以计算出相关的传递函数，得到直线一级倒立摆的数学模型。
2.开环系统的仿真与校正
由上述系统建模结果知，直线一级倒立摆的开环传递函数为：
26705.00102125.002725.0)()(2-=Φs s V s
2.1倒立摆开环系统性能分析
在MA TLAB 中创立如下.m 文件，画出开环传递函数的根轨迹如图5所示。
图4 画根轨迹的程序
图5 开环传递函数的根轨迹
由开环传递函数的根轨迹分析知，闭环传递函数的一个极点位于右半平面，并且有一条根轨迹起始于该极点，并沿着实轴向左跑到位于原点的零点处，这意味着无论增益如何变化，这条根轨迹总是位于右半平面，即直线一级倒立摆系统系统总是不稳定的。
2.2根轨迹法校正
为了改善系统性能，在原点处增加一个额外的极点，绘出新的根轨迹如图6。
该根轨迹有三条渐近线，一条在负实轴方向上，另外两条根轨迹永远不会到达左半平面，所以系统仍然不稳定。
因此在左半平面增加一个远离其他零极点的极点，为了保证渐近线的数目为2，同时增加一个零点，要求其中极点相对较大而零点相对较小，得到一组零极点（这里取增加的极点为50'-=p ，增加的零点为10'-=q ），校正后系统
的根轨迹如图7所示。
也就是说采用串联校正装置的结构为50)10()(++=
s s K s C 时，适当选取K 值可使得系统稳定。
在此基础上，微调校正装置的零极点，可使系统的动态响应以及稳态指标满足要求。
图6 增加极点后的根轨迹
图7 校正后系统的根轨迹
2.3闭环系统仿真
MATLAB提供了一个强大的图形化仿真工具Simulink，加控制器的直线一级倒立摆Simulink模型如图8所示。
运行图8，得到加根轨迹校正仿真结果如图9。
由图9可以看出，系统稳态误差极小，但是稳定时间较长，闭环系统是稳定的。
图8 根轨迹校正的仿真模型
图9 根轨迹校正的仿真曲线
3.仿真分析
采用固高科技所提供的控制器程序，在MATLAB软件下进行仿真设计，其中控制系统仿真图如下所示。
采用双闭环控制结构，即倒立摆的摆角环和位置环共同控制的模式。
分别调整两个PID控制器的相关参数，在输入为阶跃的条件下记录倒立摆的摆角和位置随时间的变化情况，当PID Control1参数为Kp=60，Ki=20，Kd=10，位置环
的PID Control2参数为Kp=20，Ki=10，Kd=15时，输出的位置曲线和摆角曲线基本满足课设要求，稳态恢复时间约为5秒，稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化恰好等于0.1弧度，其波形如下图5。
图10 双闭环控制系统仿真图
图11 位移、角度响应曲线
4.实物调试
将固高Simulink模块中两个PID Control 的参数设置到Demo模块中，进行相关设置后编译程序，并使倒立摆和计算机建立联系，运行程序，缓慢提起倒立摆的摆杆到竖直向上的位置，在程序进入自动控制后松开。
实验中观察到运行程序的初始时期，倒立摆有倾倒的趋势，这时电机运动幅度较大，较短的一段时间后，倒立摆垂直立起，电机在很小的一段幅度左右摆动，说明倒立摆倒立成功。
图12 固高PID控制器Demo实物调试程序
5.结论与体会
在本次课程设计的实践中，通过我们小组成员的共同努力，包括课设前的相关理论计算和系统的仿真调试与校正、倒立摆实物的调试以及相关系统指标的分析与验证，最终实现了倒立摆的倒立并且满足课程设计中所要求的指标。
通过本次课程设计的学习，我们掌握了MATLAB仿真软件的使用方法及控制系统的调试方法，加深了对自动控制理论的认识理解，培养了理论联系实际的能力。
6.问题思考
①试采用一种PID参数整定方法，并仿真分析验证。
如何提高对于扰动的抑制能力？
PID 控制三者的控制方向不同，积分控制减小稳态误差但是加大暂态的超调和震荡，微分控制减小稳态误差，积分控制加快运动速率，减小调整时间，利用三者的协调配合，提高系统对干扰的抑制能力。
②能否分析摆杆初始偏角的影响。
初始偏角在实验数学模型构建时，将初始角度设为π，即在 180 度附近对θ进行控制，所以必须把杆竖直放置系统才会对倒立摆进行控制，初始杆数值向下为0度，无法进行角度控制。
③能否分析不同的控制方法中对参数不确定性的容忍程度( 鲁棒性)。
对比例控制而言，通过实验中的仿真可以看出k的变化对系统响应的改变不大，可以看出比例控制的鲁棒性很高。
而对于微分控制，微分控制减小稳态误差，稍加改变稳态误差就会有变化，对于积分控制，因为所需要的调整时间很短，稍加改变就会使时间有不小变化，且积分控制可以使系统的稳态误差得到本质性的改善，所以对积
分和微分控制的鲁棒性较小。
④你能否提出一种可行的控制方法，并说明理由。
本实验选择 PID 控制，是一种较成熟的有源矫正装置。
我们可以选择无源校正装置进行控制，因为我们要对系统进行超前矫正，所以我们可以使用相位超前校正装置，即加入相位超前 RC 网络既可以实现目的。
相位超前RC网络由一个并联的R和C 和一个电阻串联而成，它提供的传递函数的零点与极点都位于负实轴上，满足要求。
但是无源校正相对于有源校正有很多不足之处，比如要发挥无源校正的最大作用必须满足输入阻抗为零输出阻抗为无限大，这是几乎无法完成的，但虽有缺点，无源相位超前校正装置仍是一种较好的矫正系统。
⑤实际上的建模和理论上的模型有何差别？
实际建模之中存在大量干扰，比如实验设备的摩擦，风的干扰，以及实验设备本身的分辨率等，所以实际试验时有必要修改一些参数。
因为积分控制控制稳态误差，基本不能修改，所以微小改变 Kp，Kd 来控制。
⑥如何进行摆角和小车位置的双闭环控制？
采用两个 PID 分别控制小车的位置和小车的摆角，将二者并联反馈。
7.参考文献
[1]《自动控制理论》夏德钤翁贻方，机械工业 2012.11
[2]《基于根轨迹法的直线一级倒立摆控制系统设计》唐必清丽蓉辉
彦峰王筱，科学实践。