自动控制原理课程设计,已知开环传函设计控制器.
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。
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计
自动控制原理课程设计是针对自动控制原理课程的学习内容和要求进行的实践性教学任务。
其目的是通过设计和实现一个自动控制系统，加深学生对自动控制原理的理解和应用能力。
一般来说，自动控制原理课程设计包括以下几个步骤：
1. 选题：根据课程要求和学生的实际情况，选择一个合适的自动控制系统作为课程设计的对象。
可以选择一些简单的控制系统，如温度控制、水位控制等，也可以选择一些复杂的控制系统，如飞行器控制、机器人控制等。
2. 系统建模：对选定的控制系统进行建模，包括确定系统的输入、输出和状态变量，建立系统的数学模型。
可以使用传递函数、状态空间等方法进行建模。
3. 控制器设计：根据系统模型和控制要求，设计合适的控制器。
可以使用经典控制方法，如比例积分微分（PID）控制器，也可以使用现代控制方法，如状态反馈控制、最优控制等。
4. 系统仿真：使用仿真软件（如MATLAB/Simulink）对设计的控制系统进行仿真，验证控制器的性能和稳定性。
5. 硬件实现：将设计的控制器实现到实际的硬件平台上，如单片机、PLC等。
可以使用编程语言（如C语言、Ladder图等）进行编程。
6. 系统调试：对实际的控制系统进行调试和优化，使其达到设计要求。
可以通过实验和测试来验证系统的性能。
7. 实验报告：根据课程要求，撰写实验报告，包括实验目的、方法、结果和分析等内容。
通过完成自动控制原理课程设计，学生可以深入理解自动控制原理的基本概念和方法，掌握控制系统的设计和实现技术，提高自己的实践能力和创新能力。
自动控制原理课程设计
课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 一类位置随动系统的滞后校正初始条件：图示为一位置随动系统，放大器增益为Ka=15，电桥增益6K=,测速电机增益εk=，Ra=7Ω，La=10mH，J=0.005kg.m/s2，J L=0.03 kg.m/s2,f L=0.08,C e=1,Cm=3,f=0.1,K b 2t＝0.2,i=0.02要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、求出系统各部分传递函数，画出系统结构图、信号流图，并求出闭环传递函数；2、求出开环系统的截至频率、相角裕度和幅值裕度，并设计滞后校正装置，使得系统的相角裕度增加10度。
3、用Matlab对校正前后的系统进行仿真分析，比较校正前后区别，并说明原因。
时间安排：1.15～16 明确设计任务，建立系统模型1.17～19 计算频域性能指标，设计校正装置1.23～24 仿真分析，撰写课程设计报告指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的。
在很多情况下，随动系统特制被控量是机械位移的比还控制系统。
控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。
位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，调速系统的给定量是恒值，希望输出量能稳定，因此系统的抗干扰能力往往显得十分重要。
而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。
简言之，调速系统的动态指标以抗干扰性能为主，随动系统的动态指标以跟随性能为主。
在控制系统的分析和设计中，首先要建立系统的数学模型。
控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。
在自动控制理论中，数学模型有多种形式。
时域中常用的数学模型有微分方程、差分方程和状态方程；复数域中有传递函数、结构图；频域中有频率特性等。
自动控制原理课程设计报告
一、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-Loop Control System）。
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-Loop Control System）又称反馈控制系统（Feedback Control System），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。
《自动控制原理》课程设计报告书
信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：自动控制原理课程设计班级：自动化2010级3班学号：姓名：指导教师：2013年1月一．需求分析1.设计题目已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数)11.0(s G 0+=s s K）（用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。
2.设计要求及系统功能分析任务一：用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使闭环系统同时满足如下动态及静态性能指标：（1）在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的稳态误差005.0≤ss e ； （2）系统校正后，相位裕量045>γ （3）系统校正后，幅值穿越频率50c2>ω任务二：若采用数字控制器来实现任务一设计的控制器，给出数字控制器的差分方程表示或离散传递函数（Z 变换）表示。
仿真验证采用数字控制器后闭环系统的性能，试通过仿真确定满足任务一指标的最大的采样周期T. （注：T 结果不唯一）。
二．校正前系统性能分析校正前系统的开环传递函数为 )11.0()(0+=s s Ks G由设计要求（1）005.0≤ss e ,得K e ss 1=，故有200K ≥从而系统的开环传递函数为ss s G 102000)(20+=系统的闭环传递函数为2000102000)(20++=Φs s s系统的闭环单位斜坡响应的拉氏变换为)(12000s 102000120001020001)()(R s C '0232200s ss s s s s s s s Φ∙=++∙=++∙=Φ=）（即对)(s Φ的斜坡响应对应于对)('s Φ的阶跃响应。
系统的时域性能（程序参见《自动控制原理（第二版）》（吴怀宇、廖家平主编）Page102）%%系统未校正前闭环单位斜坡响应num=[2000];den=[1,10,2000,0]; t=[0:0.1:20];y=step(num,den,t); plot(t,t,t,y); grid;xlabel('time');ylabel('input and output'); title('校正前系统的斜坡响应');系统的频域性能（程序参见《自动控制原理（第二版）》（吴怀宇、廖家平主编）Page208）%%系统未校正前伯德图 num=[200];den=[0.1 1 0];sys=tf(num,den);w=logspace(-1,4,100) bode(h,w); grid;[Gm,pm,wcp,wcg]=margin(sys); Gmdb=20*log10(Gm); [Gmdb,pm,wcp,wcg]得到系统的稳态裕度：增益裕度gm 、相位裕度pm 、相角穿越频率wcg 、幅值穿越频率wcp由结果知：相位裕度000457580.12<=γ幅值穿越频率s rad s rad 501649.441c <=ω不符合系统的性能指标要求，因此需要进行校正，根据题目要求，采用串联超前校正。
自动控制原理课程设计
目录一．绪论 (2)1.1相关背景知识 (2)1.2课程设计目的 (2)1.3课程设计任务 (2)二．通过matlab求校正装置的传递函数 (3)三．系统校正前后的分析 (4)3.1特征根的对比 (4)3.2三种响应曲线的对比 (5)3.2.1校正前后的单位脉冲响应曲线对比 (5)3.2.2校正前后的单位阶跃响应曲线对比 (7)3.2.3校正前后的单位斜坡响应曲线对比 (8)四．动态性能的对比 (10)五．系统校正前后的根轨迹 (12)六．系统校正前后的Nyquist图 (14)七．系统校正前后的Bode图 (16)八.心得体会 (18)九.参考文献 (19)一．绪论1.1相关背景知识《自动控制原理》作为自动控制系列课程的实践性教学环节的教程，是新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材之一。
该课程综合性强、知识覆盖面广,要求学生具有《工程数学》、《电路》等基础知识,以及较强的计算能力。
而《自动控制原理课程设计》能够帮助学生进一步巩固自控基础知识,并结合电路、电子技术,加强实践操作能力，因此具有很重要的意义。
1.2课程设计目的1.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（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。
2.学会使用MATLAB 语言及Simulink 动态仿真工具进行系统仿真与调试。
1.3课程设计任务题目：已知单位负反馈系统被控制对象的传递函数为m m 1m 2012m n n 1n 2012n b b b b ()s s s G s a s a s a s a ----++++=++++ （n m ≥）。
参数n 210a ,a ,a ,a 和m 210b ,b ,b ,b 以及性能指标要求因小组而异。
本组题目: 已知单位负反馈系统的开环传递函数0K G(S)S(S 1)(0.125S 1)=++，试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相角裕量030γ>，静态速度误差系数1v K 10s -=设计要求：1）首先， 根据给定的性能指标选择合适的校正方式对原系统进行校正，使其满足工作要求。
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。
自动控制原理课程设计报告
自动控制原理课程设计报告自动控制是工程学的重要组成部分，它是一种数学模型，可以控制复杂的过程和系统，从而使其稳定运行，并获得最佳的性能。
自动控制的原理在许多工程领域中都有广泛的应用，如化工、航空航天、机械、电力等。
本文将介绍如何利用自动控制原理来设计一个系统，以优化系统性能。
首先要设计一个控制系统，可以实现对系统的自动控制。
控制系统的第一步是定义系统模型。
一般来说，系统模型有两种：非线性模型和线性模型，其中线性模型更为简单，也是设计自动控制系统的常用模型。
接下来，需要确定控制系统的类型。
一般来说，自动控制系统可以分为闭环控制系统和开环控制系统，其中闭环控制系统具有更高的精度和更好的稳定性，它通过检测控制量的反馈信号与设定值进行比较，以实现对系统的控制。
此外，还需要为控制系统设计一个优化的控制器，用于控制系统的运行状态。
一般来说，有两种主要的控制器：PID控制器和经验模型控制器。
PID控制器是最常用的控制器，它可以控制系统的振荡和滞后，并且可以根据不同情况自动调整参数。
另一种控制器是经验模型控制器，它主要用于复杂的非线性系统，可以有效的抑制噪声，并对系统的响应时间进行调节。
完成了以上步骤后，就可以搭建出一个自动控制系统，以达到优化系统性能的目的。
实际的设计过程要根据实际的应用场景进行相应的调整，实现最佳的系统性能。
例如，在机器人控制系统中，需要使用传感器和控制器来实现对机器人运动的控制，以达到最佳性能。
综上所述，自动控制原理在设计控制系统时十分重要，可以有效的解决复杂的控制问题，并有助于优化系统性能。
本文只是简要介绍了自动控制系统的基本原理，实际的设计和实现过程要根据具体的应用环境而定，还需要从不同的方面进行充分的研究。
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：(1) 掌握用频域法对系统进行超前串联设计校正的方法。
（2）学会用Matlab 进行系统仿真，进一步掌握Matlab 的使用。
二、设计要求：已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为()(0.11)(0.0011)o k G s s s =++， 试用Bode 图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足：（1）系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差0.001ss e ≤（2）系统校正后，系统的相角裕量4050γ≤≤三、设计思想：在设计、分析控制系统时，最常用的方法是频率法。
应用频率法对系统进行校正，其目的是改变频率特性的形状，使校正后的系统的频率特性具有合适的低频、中频和高频特性及足够的稳态裕量，从而满足系统所要求的性能指标。
频率法设计校正装置主要是通过对数频率特性（Bode 图）来进行。
开环对数频率特性的低频段决定系统的稳态误差，根据稳态性能指标确定低频段的斜率和高度。
为保证系统具有足够的稳态裕量，开环对数频率特性在剪切频率c ω附近的斜率应为20/dB dec -，而且应具有足够的中频宽度。
为抑制高频干扰的影响，高频段应尽可能迅速衰减 。
频率法进行校正设计时，常采用分析法和综合法。
分析法也称为试探法，该方法首先分析原系统的动态和静态特性，同时考虑系统性能指标要求，装置形式，然后确定校正装置参数，最后校验性能指标，如果满足要求，设计完成。
如不满足，重新选择参数，再设计。
综合法是根据系统性能指标的要求，确定系统期望的对数幅频特性，再和原系统特性相比较，确定校正方式、校正装置形式和参数。
本设计是为了完成对水箱流量控制系统校正装置的设计，有题目所给出的稳态误差及相角裕量的要求，又要求用超前校正网络装置来完成设计要求。
而串联超前校正正是利用超前校正网络的正相角来增加系统的相角裕量，以改善系统的动态特性。
因此，校正时应使校正装置的最大超前相角出现在系统的开环剪切频率处。
自动控制原理课程设计题目
第1组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(0.051)(0.11)K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置使系统的速度误差系数150v K s -≥，相位裕度为00402γ=±，剪切频率(100.5)c rad s ω=±。
第2组 已知单位负反馈系统的开环传递函数02K G(S)S (0.2S 1)=+，试用频率法设计串联超前校正装置，使系统的相角裕量035γ≥，静态加速度误差系数aK 10= 第3组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0K G(S)S(S 2)(S 40)=++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置，使系统的相角裕量040γ≥，静态速度误差系数1v K 20s -=第4组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()11(1)(1)26K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相位裕度为00402γ=±，增益裕度不低于10dB ，静态速度误差系数1v K 7s -=，剪切频率不低于1rad s第5组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(0.11)(0.011)K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置，使系统的相位裕度045γ>，静态速度误差系数250/v K rad s ≥， 幅值穿越频率30/C rad s ω≥第6组 已知单位负反馈系统的开环传递函数0K G(S)S(0.0625S 1)(0.2S 1)=++， 试用频率法设计串联滞后校正装置，使系统的相位裕度050γ=，静态速度误差系数1v K 40s -=，增益欲度30—40dB 。
第7组 已知单位负反馈系统的开环传递函数26()(46)G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后校正装置使系统的速度误差系数1v K ≥，相位裕度为00402γ=±，剪切频率0.090.01c rad s ω=±。
自动控制原理课程教案
自动控制原理课程教案第一章自动控制系统导论本章教学目标：1使学生掌握自动控制系统的相关概念2使学生理解和掌握自动控制的基本原理3使学生了解自动控制系统的分类和基本要求本章基本要求：1正确理解和掌握负反馈控制的原理2了解控制系统的组成与分类3能确定被控系统的被控对象，被控量和给定量，掌握根据原理图绘制系统方框图的方法。
本章各节的教学内容:1自动控制系统的基本原理2自动控制系统分类3对控制系统的基本要求4自动控制的发展简史5控制系统设计概论本章教学重点：1要求学生了解自动控制系统基本概念、基本变量、基本组成及工作原理2理解信息反馈的含义和作用，区别开环控制和闭环控制3绘制控制系统方框图本章教学内容的深化和拓宽：使学生了解更多工程实际中所用的控制系统，并深入了解它们的工作原理。
本章教学方式：采用工程实例和设疑方法引导学生用系统论，信息论观点分析广义系统的动态特征、信息流，理解信息反馈的作用。
绘制控制系统方框图。
在讲述控制理论发展史引入我国古代指南车和“二弹一星”特殊贡献科学家——钱学森在自动控制理论方面的成就，进行爱国主义和专业教育。
在讲述控制系统系统设计概论，引用转台转速控制和磁盘驱动读取系统的设计实例，强化设计训练。
本章教学过程中应注意的问题：本章概念较多，多举事例说明，以吸引学生的兴趣。
本章主要参考书目：《自动控制原理》吴秀华主编，中国水利水电出版社，2006年《自动控制原理》修订版，孙亮，北京工业大学出版社，2006 年《自动控制原理》胡寿松，北京航空航天大学，2006 年。
《自动控制原理》黄家英主编，东南大学出版社，1991年《自动控制原理》李友善主编，国防工业出版社，1989年《控制理论基础》王显正、陈正航主编，科学出版社，2000年第二章控制系统的数学模型本章教学目标：通过本章学习，使学生掌握不同域对应的不同种类的数学模型，学会系统微分方程和传递函数的求法，能绘制系统结构图和信号流图，会用结构图等效变换和梅森公式求系统的传递函数。
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.1. 课程设计问题描述：设计一个基于PID控制器的温度控制系统，该系统可以对加热器进行控制，使得加热器在正常工作温度范围内，能够稳定工作，并且能够自动调节加热器的加热功率，以确保系统能够快速、准确、稳定地达到所需的目标温度。
2. 设计目标：- 设计一个功能完整的温度控制系统，该系统可以通过PID控制器实现自动调节加热器的电力输出，以确保系统能够稳定工作。
- 设计一个能够迅速、准确地响应输入变化的系统，该系统对于任何输入变化都能够快速进行反应，以确保系统能够在最短时间内恢复到目标状态。
- 设计一个可靠的系统，该系统能够稳定工作，并且能够应对过度负载等异常情况，防止系统发生过载或损坏。
3. 计划实施步骤：- 步骤一：确定系统的物理参数与数学模型，以确定系统的特性和性能。
- 步骤二：精确计算系统的PID参数，以确保系统能够稳定工作并具有良好的响应性能。
- 步骤三：开发系统的硬件，包括传感器、控制器和执行器等组件。
- 步骤四：开发系统的软件，包括PID算法的实现和系统控制逻辑的实现等。
- 步骤五：进行系统的测试与验证，并对系统进行性能分析与评估。
- 步骤六：进行系统的优化，以进一步提高系统的性能和稳定性，并满足实际使用的需求。
- 步骤七：对系统进行部署，并进行实际使用与维护。
4. 关键技术问题：- 确定PID控制器的参数，并进行优化和调整，以实现系统的稳定性和性能。
- 设计和开发系统的硬件和软件，包括传感器、控制器和执行器等组件，以实现系统的功能和要求。
- 进行基于问题求解的综合性实验，将课堂学习的理论知识运用到实际中。
- 进行系统性能分析和评估，并进行系统可靠性评估与优化，以保证系统具有良好的稳定性和性能。
- 进行实验数据采集和处理，并进行数据可视化与分析，以获得更为细致、准确的数据信息。
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。
自动控制原理课程设计报告--开环传递函数
目录一、课设的任务与要求 (1)I、课设的题目与问题 (1)II课设的要求 (1)二、设计正文 (2)I、第一问 (3)1-1 题目的处理 (3)1-2 题目的代码 (3)1-3 运行的的结果 (3)1-4 比较 (4)II 、第二问 (4)2-1 题目的处理 (5)2-2 题目的代码 (5)2-3 运行的结果 (5)K>0 (6)K<0 (6)III、第三问 (6)3-1 题目的处理 (6)3-3 运行的结果 (7)3-4 结论 (8)IV、第四问 (8)第四问中的第一小题 (8)4-1-1题目的分析 (8)4-1-2题目的代码 (8)4-1-3运行结果 (9)4-1-4 系统的校正 (9)4-1-4-1 超前校正 (9)4-1-4-2 滞后校正 (10)第四问中的第二小题 (11)4-2-1题目的分析 (11)4-2-2题目的代码 (11)4-2-3 运行的结果 (12)4-2-4 系统校正 (12)4-2-4-1 超前校正 (12)4-2-4-2 滞后校正 (13)三、附录 (16)第一问 (16)第二问 (17)K>0 (17)K<0 (17)第三问 (18)第四问 (19)第一题 (19)未校正的单位阶跃响应图 (19)未校正前的BODE 图 (19)超前校正 (19)滞后校正 (21)第二题 (21)未校正的单位阶跃响应图 (22)可得未校正前的BODE 图 (22)超前校正 (22)滞后校正 (23)滞后—超前校正 (24)四、总结 (26)五、参考文献 (26)一、课设的任务与要求I 、课设的题目与问题题目：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数)11.0()(+=s s K s G k问题： 1. 分析系统单位阶跃响应的时域性能指标2. 当(),k ∈-∞+∞时，绘制系统的根轨迹，分析系统的稳定性3. 对系统进行频域分析，绘制其Nyquist 图及Bode 图，确定闭环系统的稳定性4. 用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计，使系统满足如下动态及静态性能指标：4.1设计串联校正满足下列性能指标（1）在单位斜坡信号t t r =)(作用下，系统的稳态误差01.0≤ss e ；（2）系统校正后，相位裕量0''45)(>c ωγ。
自动控制原理课程设计1
⾃动控制原理课程设计1⼀、设计⽬的：1、了解控制系统设计的⼀般⽅法、步骤。
2、掌握对系统进⾏稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析的⽅法。
3、掌握利⽤MATLAB 对控制理论内容进⾏分析和研究的技能。
4、提⾼分析问题解决问题的能⼒。
⼆、设计内容与要求：设计内容：1、阅读有关资料。
2、对系统进⾏稳定性分析、稳态误差分析以及动态特性分析。
3、绘制根轨迹图、Bode 图、Nyquist 图。
4、设计校正系统，满⾜⼯作要求。
设计条件：1、已知单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)=11S S 1S 126K ++ ???2、试⽤频率分析法设计串联滞后校正装置，使系统的相位裕度为402γ??=±，增益裕度不低于10dB ，静态速度误差系数v k =71s -，剪切频率不低于1/rad s 。
设计要求：1、能⽤MATLAB 解复杂的⾃动控制理论题⽬。
2、能⽤MATLAB 设计控制系统以满⾜具体的性能指标。
3、能灵活应⽤MATLAB 的CONTROL SYSTEM ⼯具箱和SIMULINK 仿真软件，分析系统的性能。
三、设计步骤：1、⾃学MATLAB 软件的基本知识。
包括MA TLAB 的基本操作命令、控制系统⼯具箱的⽤法等，并上机实验。
2、基于MATLAB ⽤频率法对系统进⾏串联校正设计，使其满⾜给定的频域性能指标。
求出校正装置的参数, β等的值。
校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数。
（1）求满⾜稳态误差要求的系统开环增益0k 。
由已知的单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)=11S S 1S 126K ++ ???，可知该系统为I 型系统，在单位斜坡信号作⽤下，速度误差系数0v K K =，可求得107v K K s -==。
故有，G(s)=711S S 1S 126++70.0830.667S S S ++ （2）、⽤MATLAB 求出系统校正前的幅值裕度和相⾓裕度,并画出Bode 图：在MA TLAB 中输⼊： G=tf(7,[0.083 0.667 1 0]); [Gm,Pm,Wcp,Wcg]=margin(G); margin(G)该程序执⾏后得到如下性能指标： Gm =1.2 Pm =3.46 Wcp = 3.47 Wcg = 3.24 即模稳定裕度：h L = 1.2dB 穿越频率：=3.47g ω/rad s相稳定裕度：03.46γ= 剪切频率：c ω = 3.24/rad s（3）、根据题意选择滞后校正装置，使该系统满⾜给定的频域性能指标：设校正后的截⽌频率为'ω，402γ??=±，所以取γ42=0'=γγ?ω?=+（）42 '?ω（）取-60'=γγ?ω?=-（）48 0γ=180+(')c G jw ∠= 48所以0(')180c G jw γ∠=- 132=-(')c G jw ∠=-0''90arctanarctan 26c c w w -- 得'c w =1.19 rad/s（4）、滞后校正装置的传递函数为: 1+()1+bTSG s TS=（b<1）20lg (')0c b L w +=20lgb+20lg7/1.18=0 得b=0.24因为1bT =(1/5~1/10）*'c w =0.1*1.19=0.119 35.01T =所以滞后校正传递函数为()18.4s G s 135.01s +=+（）（）校正后开环传递函数为：327=(0.0830.667)135.01s S S S ++++（）（5）、⽤MA TLAB 求出系统校正后的幅值裕度和相⾓裕度,并画出Bode 图：在MA TLAB 中输⼊：G=tf(7*[8.4 1],conv([0.083,0.667,1,0],[35.01 1])) [Gm,Pm,Wcp,Wcg]=margin(G); margin(G)得到的结果是： Transfer function:58.8 s + 7 -------------------------------------2.906 s^4 + 23.43 s^3 + 35.68 s^2 + s Gm =4.4951 Pm =39.248 Wcp =3.3647 Wcg = 1.3589即模稳定裕度：h L = 13.1dB穿越频率：=3.36g ω/rad s相稳定裕度：039.2γ= 剪切频率：c ω = 1.36/rad s由以上数据可以看出，在串联了⼀个滞后校正装置后系统稳定,=39.2γ，满⾜402γ??=±，增益裕度不低于10dB 。
自动控制原理课程设计（DOC）
⾃动控制原理课程设计（DOC）⾃动控制原理课程设计报告课程名称：⾃动控制原理设计题⽬：⾃动控制原理MATLAB仿真院系：⾃机学院班级：电⽓(1)班设计者：**学号：***004170219指导教师：************设计时间：2013年1⽉⼀．实验⽬的和意义：1. 了解matlab 软件的基本特点和功能，熟悉其界⾯，菜单和⼯具条；掌握线性系统模型的计算机表⽰⽅法，变换以及模型间的相互转换。
了解控制系统⼯具箱的组成，特点及应⽤；掌握求线性定常连续系统输出响应的⽅法，运⽤连续系统时域响应函数（impulse,step,lsim ）,得到系统的时域响应曲线。
2. 掌握使⽤MATLAB 软件作出系统根轨迹；利⽤根轨迹图对控制系统进⾏分析；掌握使⽤MATLAB 软件作出开环系统的波特图，奈奎斯图；观察控制系统的开环频率特性，对控制系统的开环频率特性进⾏分析。
3. 掌握MATLAB 软件中simulink ⼯具箱的使⽤；熟悉simulink 中的功能模块，学会使⽤simulink 对系统进⾏建模；掌握simulink 的⽅真⽅法。
⼆．实训内容1. ⽤matlab 语⾔编制程序，实现以下系统： 1）G(s)= 22641824523423++++++s s s s s s 程序:num=[5 24 0 18];den=[1 4 6 2 2];h=tf(num,den) h=tf(num,den) Transfer function:5 s^3 + 24 s^2 + 18 ----------------------------- s^4 + 4 s^3 +6 s^2 + 2 s + 2 2)G(s)=)523()1()66)(2423322+++++++s s s s s s s s （输⼊以下程序 n1=4*[1 2]; n2=[1 6 6]; n3=[1 6 6];num=conv(n1,conv(n2,n3)); d1=[1 1]; d2=[1 1]; d3=[1 1]; d4=[1 3 2 5];den1=conv(d1,d2); den2=conv(d3,d4);>> den=[den1 den2 0]; >> h=tf(num,den) Transfer function:4 s^5 + 56 s^4 + 288 s^3 + 672 s^2 + 720 s + 288 -----------------------------------------------------s^8 + 2 s^7 + s^6 + s^5 + 4 s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 5 s 2. 两环节G1，G2串联，求等效的整体传递函数G(s)G1(s)=32+s G2(s)=122^7++s s程序：n1=[2];d1=[1 3];sys1=tf(n1,d1); n2=[7];d2=[1 2 1];sys2=tf(n2,d2); sys12=sys1*sys2 Transfer function:14--------------------- s^3 + 5 s^2 + 7 s + 33.两环节G1，,G2并联，求等效的整体传递函数G(s)G1(s)=32+s G2(s)=122^7++s s输⼊以下指令：num1=[2];den1=[1 3];sys1=tf(num1,den1); num2=[7];den2=[1 2 1];sys2=tf(num2,den2); sys12=sys1+sys2 Transfer function:2 s^2 + 11 s + 23 --------------------- s^3 + 5 s^2 + 7 s + 34．已知系统结构如图，求闭环传递函数。
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二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：自动控制原理课程设计班级：自动化1105 班学号： 2011级姓名：张无忌指导教师：张三丰二○一三年十二月题目、任务及要求已知：某负反馈系统的开环传递函数 ()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛++=1101s s s K s H s G ，利用时域分析法，根轨迹法和频率分析法分析系统，并用频域法设计控制器。
一、 根轨迹法1）.绘制系统根轨迹图。
2）利用根轨迹图，求系统临界稳定时的K 值。
3）应用主导极点的概念，计算ξ=1/2时，系统的超调量和调节时间。
二、 时域分析法1）.利用劳斯判据，判断K 的稳定域。
2）计算当K=5时，将此三阶系统近似为二阶系统，并计算系统的暂态特性指标，超调量，调节时间。
3）当输入为单位斜坡信号时，计算系统的稳态误差。
三、 频域分析法1） 当K=5时，绘制系统开环幅相特性，应用奈氏判据判定系统的稳定性。
2） 当K=5时，绘制系统对数频率特性曲线，并计算相应裕量和增益裕量，并根据相位裕量和增益裕量判定系统稳定性。
四、 频域法设计要求系统在单位斜坡输入下稳态误差小于0.02，且相位裕量()︒≥45c ωγ，请利用串联校正方法，设计控制器()s G C ,并写出控制器的实现方式。
一．根轨迹法1） .绘制系统根轨迹图。
1.有n=3条开环极点，m=0条开环零点起点，（0,0j ）π，（-1,0j ），（10,0j ）2.在实轴上的根轨迹【-1,0】，（ -∞，-10】3.渐近线有n-m=3条与实轴的交点3/11-=σa与实轴的夹角：1);π π();2(3π);0(3π3π)12(==-==+=k k k a ϕ 4.分离汇合点[d*(d+1)*(0.1d+1)],=0d 1=0.4869 d 2=-608465(舍去）5.根轨迹与虚轴的交点S*(s+1)*(0.1s+1)+k=0将s=jw 带入上式得102=ω k=116.绘制根轨迹如下图：7.根使用matlab验证如下程序：num=1;den1=[conv(conv([1 0],[1 1]),[0.1 1])]; rlocus(num1,den1)grid仿真如图：2）临界稳定时取K=113）当ξ=1/2时由应用主导极点的概念，去掉（10,0j）的极点系统的开环传函为G(s)=)1(+s s k 则2n ξω=1，又2/1=ξ，n ω=22 超调量21%ξξδ-∏-=e=4.3% 调节时间s t =n ξω3=6二．时域分析法1）利用劳斯判据，判断K 的稳定域闭环特征方程为：01.11.023=+++K S S Sk s k s k s s 01231.11.01.11.111.0-{ K>01.11.01.1k ->0 }则0<k<112）当K=5时,系统闭环传递函数为51.11.0523+++=Φs s s s 闭环特征方程为01.11.023=+++K S S Ss 1=-10.5011 s 2=-0.2494+2.1675i s 1=-0.2494-2.1675i 有闭环主导极点的理论，将三阶近似为二阶为))((532s s s s s --=Φ=7616.44988.052++s s 182.21143.0==n ωξ 超调量21π%ξξδ--=e=69.67%调节时间s t =n ξω3=12.02873)当输入为单位斜坡信号时21sR s = )()()(11)(s R s H s G s E += k s sE e s ss /1)(lim 0==→当k=5时，稳态误差为e ss =0.2三．频域分析法1） 当K=5时，绘制系统开环幅相特性，应用奈氏判据判定系统的稳定性。
1,系统的开环频率特性为G （j ω）=)01.01)(1(5.522ωω++--)01.01)(1()1.01(5222ωωω++-j 幅相特性和相频特性分别为22)1.0(115)(ωωω++=w A =)(ωψωω1.0arctan arctan 900---系统为1型系统)0(+A ∞→=)0(ψ-900 )(∞A 0→ =∞)(ψ-2700开环幅相曲线与负实轴的交点：由Q （ω）=01-2ωT 1T 2=0（T 1=1，T 2=0.1）ω=ωg =1/10开环幅相曲线与负实轴的交点 为P （g ω）=-kT 1T 2/ (T 1+ T2)=-5/112,使用matlab 仿真：程序num=[5];den=[0.1 1.1 1 0];nyquist(num,den);roots(den)仿真奈斯图为2） 当K=5时，绘制系统对数频率特性曲线，并计算相位裕量和增益裕量，并根据相位裕量和增益裕量判定系统稳定性。
1,22)1.0(115)(ωωω++=w A =)(ωψωω1.0arctan arctan 900---由22)1.0(115)(ωωω++=w A =1 c ω=5系统的相频特性为=)(c ωψc c ωω1.0arctan arctan 900---=51.0arctan 5arctan 900---=-168.50 根据相位裕量的定义有+=180)(c ωγ)(c ωψ=1800-168.50=11.50由=)(g ωψg g ωω1.0arctan arctan 900---=-1800，计算的相角穿越频率为 g ω=10473.0)1.0(115)(22=++=g g g g A ωωωω根据增益裕量的定义 H=)(1g A ω=2.112 GM=20lgh=6.5dB由于GM=20lgh=6.5dB 〉0+=180)(c ωγ)(c ωψ=1800-168.50=11.50 〉0所以：系统稳定2,手绘bode 图如下：1型系统， 系统低频段斜率： -20dB\dec在T 1=1处 系统中频段斜率增加-20dB\dec在T 2=0.1处 系统高频段斜率再增加-20dB\dec穿越频率c ω=5，低频段渐进性延长线与实轴交点：W =K k=5050lg 20Kk lg 20)1(==L =33.983，使用matlab仿真验证：程序num=[5];den=[conv([1 1 0],[0.1 1])]; sys=tf(num,den);w=logspace(-1,4,100);bode(sys,w);grid;margin(sys);Gmdb=20*log10(Gm);[Gm,pm,wcp,wcg]相位裕量和增益裕量如图：在matlab 中输出系统的增益裕度，相位裕度，幅穿越频率和相角穿越频率分别为2.2000 13.5709 3.1623 2.1020四．频域法设计要求系统在单位斜坡输入下稳态误差小于0.02，且相位裕量()︒≥45c ωγ，请利用串联校正方法，设计控制器()s G C ,并写出控制器的实现方式。
经分析用滞后校正装置()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛++=1101s s s K s H s G要求系统在单位斜坡输入下稳态误差小于0.02，由k s sE e s ss /1)(lim 0==→ 则k=50K=50带入未校正的系统，()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛++=110150s s s s H s G 剪切频率501=c ω相应的相角稳定裕度为0110016.271.0arctan arctan 90180-=---=c c ωωγ计算未校正系统相频特性中对应于相角裕度为=+=εγγ240+15=550时的频率为2c ω由011002551.0arctan arctan 90180=---=c c ωωγ0.072c ω2 +1.12c ω-0.7=02c ω=0.6125故选定2c ω=0.612520)6125.0/1log(50log 20log 20=-β 6.81=β2c ω=1/τ=c ω/6=0.10211c ω=1/βτ=2c ω/β=0.001251G c (s)=180018.9001251.01021.06.811++=++s s s s 则校正后的传递函数为 G(s)= ()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=1101)1800()18.9(50)(s s s s s s G s H s G c 则校正后的相角稳定裕度为为0000457.458.9arctan 800arctan 1.0arctan arctan 90180>=+----=c c c c ωωωωγ 校正装置的bode 图num=[9.8 1];den=[800 1];sys=tf(num,den);w=logspace(-2,4,100); bode(sys,w);grid;margin(sys);Gmdb=20*log10(Gm); [Gm,pm,wcp,wcg]校正后仿真的图num=[conv([50],[9.8 1])];den=[conv([800 1],[0.1 1.1 1 0])]; sys=tf(num,den);w=logspace(-2,4,100);bode(sys,w);grid;margin(sys);Gmdb=20*log10(Gm);[Gmdb,pm,wcp,wcg]校正后的系统方框图如下五．设计总结1 设计中遇到的问题与解决方法：（1）在用MATLAB 输入程序得bode 图时，刚开始可能输入的程序缺少使得bode 图无法显示相位裕度Pm 和穿越频率的值，通过查看自动控制原理书上仿真程序加以思考后输入正确的程序后，就可以得到bode 图里相应的相位裕度和穿越频率。
（2）在选校正装置时走了弯路，花了不少时间，在求滞后校正网络的交接频率时尝试了多次，τ越大则相位裕度增大，最终选取τ=62 此次课程设计的小结与心得：（1）在本次课程设计中，通过分析未校正的系统，决定采用串联滞后校正方式进行校正，最后满足要求。
（2）这次课程设计中Matlab 软件的应用起到了很大的作用，在自动控制领域中，用它对控制系统进行时域分析，大大简化了计算中的绘图步骤。
在今后的学习中，需要发挥积极主动的精神，把所学的知识与实践结合在一起，努力掌握Matlab 等相关软件的使用方法。
)1.01)(1(50s s s ++ 180018.9=+s s。