哈工大自控课设上课讲义
哈工大(威海)自动控制系统课程设计
自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计设计题目：含有电流自适应调节器的双闭环调速调速系统设计院系：信息与电气工程学院班级：设计者：指导教师：设计时间：2017年1月课程设计（论文）任务书一、题目分析1.问题的提出双闭环调速系统以其快速性好、高稳定性、结构简单、控制方便等优点在直流调速系统中占有主要地位。
但电流的断续是双闭环调速系统中存在的一个问题。
当电枢回路电感不太大或电动机负载较轻时，由于在续流过程中，电感所存储的磁场能不足以维持电流连续，这就造成电枢回路电流的断续。
当电流断续时，系统的机械特性上翘变软成非线性特性。
此时，电动机若工作在机械特性的非线性区域，系统的调速性能将明显下降，甚至导致系统的不稳定。
因此，必须采取一定的措施来改善系统的特性。
1.1双闭环调速系统双闭环反馈调速系统是由单闭环系统发展而来的。
单闭环系统用PI调节器实现转速无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。
但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。
分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实现嵌套连接，如图1所示。
线路连接原理如图2所示。
其中，ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE表示电力电子变换器。
图1 转速、电流反馈控制直流调速系统框图把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。
这就形成了转速、电流双闭环直流调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。
1.2电流断续时系统的工作状态当电流断续时，电感的续流作用在一个波头内就已结束，每个波头结束时，电流都减至零，相当于l T 为零，这使得平均整流电压与平均整流电流之间的关系成为比例环节。
哈工大自动控制原理课件-第一章
1.2自动控制系统的组成及原理
（4）反馈信号：是被控变量经由传感器等元 件变换并返回到输入端的信号，它要与输入信 号进行比较(相减)以便产生偏差信号，反馈信 号一般与被控变量成正比。 （5）扰动(信号)是加于系统上的不希望的外来 信号，它对被控变量产生不利影响，又称干扰 或“噪声”。
(6)反馈量（Feedback Variable）： 通过检测 元件将输出量转变成与给定信号性质相同且数 量级相同的信号。
1.1自动控制的基本概念
近年来由于计算机与信息技术的迅速发展，控 制工程无论从深度上还是从广度上都在向其他 学科不断延伸与扩展，逐渐发展到以控制论、 信息论、仿生学为基础，以智能机为核心的智 能控制阶段。
本课程重点讲述经典控制理论，即本书的 前6章。
1.2自动控制系统的组成及原理
1.2自动控制系统的组成及原理
作业10% 作业共计5次 试验10% 一到两次试验 大作业10% 两次 期末考试70%
第1章 自动控制系统概述
本章主要内容：
自动控制的概念 自动控制系统的组成 自动控制系统的分类 对自动控制系统的基本要求及典型输入信号 自动控制理论的发展史
1.1自动控制的基本概念
自动控制作为重要的技术手段，在工业、农业、 国防、科学技术领域得到了广泛的应用。 自动控制：是指在无人干预的情况下，利用控制 装置(或控制器)使被控对象(如机器设备或生产过 程)的一个或多个物理量(如电压、速度、流量、液 位等)在一定精度范围内自动地按照给定的规律变 化并达到要求的指标。 例如，电网电压和频率自动地维持不变；数控机 床按照预定的程序自动地切削工件；火炮根据雷 达传来的信号自动地跟踪目标；人造卫星按预定 的轨道运行并始终保持正确的姿态等。这些都是 自动控制的结果。自动控制系统性能的优劣， 将 直接影响到产品的产量、 质量、 成本、 劳动条件 和预期目标的完成。
《自动控制原理教学课件》第1章绪论
通信技术研究所
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闭环控制系统
例：汽车驾驶控制系统
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通信技术研究所
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开环控制与闭环控制比较
定义：
开环控制是指系统的输出量对系统的控制作用无任何 影响的控制过程。
闭环控制是指系统的输出量对控制作用有影响的控制 过程，也称为反馈控制
本质区别：输出量是否参与控制
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通信技术研究所
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通信技术研究所
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人工控制示例——水池水位系统 控制目的：水池水位与要求值要相等 控制手段：改变进水阀门的开度
人工控制过程 1.测量过程（眼睛） 2.决策过程（大脑） 3.执行过程（手） 水池水位是被控变量， 水池是被控对象
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1.1.2 自动控制系统的组成 自动控制系统：被控对象和自动控制装置按一定方式
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开环控制系统的特点
（1）无反馈。作用信号由输入到输出单方向传递。 （2）结构简单，但须选高精度高稳定性元件 （3）控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳 定性，容易受干扰影响，缺乏精确性和适应性。 （4）响应速度快，无稳定性问题 （5）可根据给定值或可测量到的扰动量进行补偿
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自动控制理论主要研究闭环系统
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典型自动控制系统
比较元件
输入信号
e
r
—
串联 校正元件
—
b
放大 元件
m 执行
元件
反馈 校正元件
测量 元件
n
扰动
被控 对象
输出量 c
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通信技术研究所
哈尔滨工程大学 自动控制原理 第1章 线性系统的状态空间描述PPT课件
箱”内部的某些部分），是对系统的一种不完全描述。
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第1章 线性系统的状态空间描述
例如：
从输入—输出关系来看，它们具有相同的传递函数：
G(s) 1 s 1
但事实上这是两个内部结构完全不同的系统。这两个 系统是不等价的，一个是能控不能观，的一个是能观 不能控的。这表明系统的内部特性比起由传递函数表 达的外部特性要复杂得多，输入—输出描述没有包含 系统的全部信息，不能完整的描述一个系统。
Qu(t)u(t)
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第1章 线性系统的状态空间描述
三. 系统状态空间描述的基本概念
1．状态和状态变量：系统在时间域中的行为或运动
信息的集合称为状态。确定系统状态的一组独立（数
目最少）的变量称为状态变量，是完全决定系统当前
行为的一个最小变量组,记为 x1(t)， x2(t)， ， xn(t)。
几点说明：
3．状态空间：以n个线性无关的状态变量作为基底 所组成的 n 维空间称为状态空间Rn。
4．状态轨线：随着时间推移，系统状态x(t)在状态
空间所留下的轨迹称为状态轨线或状态轨迹。
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第1章 线性系统的状态空间描述
5．状态方程（※）：描述系统状态变量与输入变量之 间关系的一阶微分方程组(连续时间系统)或一阶差分方 程组(离散时间系统)称为系统的状态方程。状态方程表 征了系统由输入所引起的内部状态变化，其一般形式 为：
统行为所必需的系统变量的最少个数，减少变量数 将破坏表征的完全性，而增加变量数将是完全表征 系统行为所不需要的。
3）状态变量组选取上的不唯一性： 由于系统中变量的个数必大于n，而其中仅有n
个是线性无关的，因此决定了状态变量组在选取 上的不唯一性。 4）系统的任意选取的两个状态变量组之间为线性 非奇异变换的关系。
哈尔滨工程大学 自动控制原理 第4章 离散系统分析PPT课件
图4-3 S平面与Z平面的映射关系
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第4章 离散系统分析
二、离散系统稳定的充分必要条件
1．※ 稳定性定义（P349）：若离散系统在有界输入 序列作用下，其输出序列也是有界的，则称该离散系
统是稳定的。
2． 离散系统稳定的充分必要条件
1） ※ 时域中离散系统稳定的充要条件（P350） 当且仅当差分方程
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第4章 离散系统分析
闭环特征方程为：
D(z)1HG(z)1(z10 (1 1) (ze 1e) z1)0 z24.952z0.3680
特征根为：
z1 0 .0 7 6 ,z2 4 .8 7 6
z2 1 ∴该离散系统不稳定。
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第4章 离散系统分析
三、离散（※）
第4章 离散系统分析
第4章 离散系统分析
4.1 离散系统的稳定性与稳态误差（※） 4.2 离散系统的动态性能分析（简介）
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第4章 离散系统分析
4.1 离散系统的稳定性与稳态误差
一、S域到Z域的映射
S域到Z域的映射关系为： z esT
S域中的任意点用直角坐标表示为：sj 映射到Z域则为： z e ( j)T e Tej T
利用特征方程系数，按P353表7-4方法构造(2n-3)行， (n+1)列朱利阵列。
第4章 离散系统分析
具体步骤：
① 求离散系统在Z域的特征方程： D(z)=0
② 进行w变换（z
w w
1），得w域的特征方程：D(w)=0
1
③ 对w域的特征方程，应用劳思判据判断系统稳定性。 例3（ ※ P352例7-28） ：设闭环离散系统如图4-6所示， 其中T = 0.1s，求系统稳定时K的界值。
哈工大自控元件课设概要
计算出此力F约为56N。
发球装置的设计
考虑到市面上小型气动装置提供的作用力普遍 不超过20N,故采用弹性系数选择范围很宽、力与 位移呈线性关系的弹簧来提供推力。 由胡克定律与功能关系
1 2 1 2 1 2 kx1 kx 0 mv 2 2 2
计算可知，应采用弹性系数为1100N/m的弹簧。 由于直线电机高转矩、低转速的特性，并不能满 足发球频率6次/秒的要求，且给弹簧储能后不好 释放，这里采用非接触式的电磁开关，执行机构 简图如右： 前端磁性圆盘与弹簧焊接固定，上端滑槽内是 一个限位开关，可实现最大射速与最小射速之间 的任意调节，右端是一个电磁铁吸引圆盘并使弹 地四周的视觉传感器，我们不需要很高 的精度，只需要知道，在哪块区域里有网球即可，并 不需要通过这个传感器知道网球的精确位置。所以这 个传感器的分辨率不需要很高，但是需要有较大的可 视角。联想街道使用的监视器，这种监视器符合我们 的要求。初步选定龙视安 LS-Z633DM这种型号的监 视器。其产品参数如右图。查取其具体规格，得知在 使用4mm镜头焦距时，其可视角为69.9°，基本上可 以满足我们的远程监测网球的要求。
电磁铁的选择
弹簧长20cm，压缩10cm需要110N的力，可选 用直流吸盘式电磁铁，它在通电状态下可产生 强劲吸附力，省力省电，安全可靠，并可进行 远程操作。在多次比较价格及性能参数后，决 定选用乐青市鸣豫电气有限公司的设备： 留出一定裕量，选用吸引力为180N的型号 CNMYE1-P34，可以满足性能要求， 价格为78元，经济上也能接受。
小车状态
视觉传感器
视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个 或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。 视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉图像信息。 在这个系统中我们使用两类视觉传感器，一种固定在场地四个 角落，用于全局观察场地内网球的散落情况，另一种固定在机器人 上，用于在捡网球过程中对网球的精确观察，指导捡球装置的运行。
哈工大自动控制课程设计
课程设计说明书（论文）课程名称：自动控制原理课程设计设计题目：钻机控制系统设计与仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：1204201设计者：谢玉立学号：1120420130指导教师：王松艳、晁涛设计时间：2015年3月2日哈尔滨工业大学钻机控制系统设计与仿真一.人工控制根据受控对象框图，要求性能指标A1.开环放大倍数=100；2.剪切频率3.相位裕度4.谐振峰值5.超调量≦22％6.过渡过程时间≤0.7s7.角速度8.角加速度9.稳态误差：阶跃输入且干扰为零时，稳态误差为零；干扰为阶跃，输入为零时，稳态误差为0.01根据条件9得知。
1由输入引起的稳态误差：01)1()(11lim 0=⋅++⋅=→s s s s G s e s ssr得出)()1(1(lim=+++→s G s s s s s ）（1）2.由干扰引起的偏差信号ss s s G s s s E f 1)1()(1)1(1)(⋅+++-=01.01)(lim 1)1()(1)1(1lim )(lim 000-=-=⋅+++-⋅=→→→=s G s s s s G s s s s sE e s s f s ssf （2）由（1)和（2）得出校正环节 ，形式可以为1Ts 1s (K (s)v c ++=）τG 且 100v =K3由经验公式：srad c c s p w w t 58.23 65 0.719.01(5.2)19.01(5.124.602320sin 22.0)1sin 1(4.061.02≥⇒︒=≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+=︒≥⇒≥⇒≤-+=γπγγγσ）各环节Bode 图系统校正前不变部分手工绘制的Bode 图：得出：s r a dw 97.95.7200=︒=γ（1)可知：采用超前校正，由图斜率较大，故∆取20度︒=∆∆+-=200γγφm10-210-110101102-60-40-20204060ω(rad/s)L (ω)(d B )图2 校正前系统的开环Bode 图得018.011arcsin68.74m =⇒+-=︒=αααφφm4.171lg-=-α由Bode 图可知s rad m w 3.27= 此时︒=76.8γ 满足要求004914.0273.01==⇒=T w m τατ得校正环节1004914.0)10.273100(++=s s s G c （）校正环节Bode 图：图4 校正环节的Bode 图加入串联超前校正之后，系统的Bode 图如下：通过计算得满足条件 。
哈工大自动控制原理设计讲解
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：自动控制原理课程设计设计题目：随动系统的校正院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2014.2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书*注：此任务书由课程设计指导教师填写。
目录1、题目要求与分析 (1)1.1题目要求 (1)1.2题目分析 (1)2、人工设计 (1)2.1未校正系统的根轨迹 (1)2.2校正环节 (2)2.2.1 串联迟后校正 (2)2.2.2 串联迟后--超前校正 (4)3、计算机辅助设计 (6)3.1对被控对象仿真 (6)3.2对校正以后的系统仿真 (7)3.2.1 串联迟后校正 (7)3.2.2 串联迟后--超前校正 (8)3.3对校正后闭环系统仿真 (9)3.3.1 串联迟后校正 (9)3.3.2 串联迟后--超前校正 (10)4、校正装置电路图 (11)4.1串联装置原理图 (11)4.2校正环节装置电路 (11)4.2.1 串联迟后校正校正装置电路 (11)4.2.2 串联迟后—超前校正装置电路 (13)5、系统校正前后的nyquist图 (15)5.1系统校正前的nyquist图 (15)5.2系统校正后的nyquist图 (15)5.2.1 串联迟后校正的nyquist图 (15)5.2.2 迟后—超前校正的nyquist图 (16)6、设计总结 (16)7．心得体会 (17)1、题目要求与分析 1.1题目要求（1）、已知控制系统固有传递函数如下： G(s)=)1125.0)(15.0(8++S s s（2）、性能指标要求：a. 输入单位速度信号时，稳态误差e<0.15rad.b. 输入单位阶跃信号时，超调量σρ<35%,调整时间t s <10秒。
c.输入单位阶跃信号时，超调量σρ<25%,调整时间t s <4秒。
哈工大自控课设
Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计课程名称：自动控制原理设计题目：变焦控制系统的设计与仿真院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：金晶林玉荣设计时间：2014年3月2日*注：此任务书由课程设计指导教师填目录1.人工设计 (4)1.1固有环节的分析 (4)1.2性能指标的计算 (5)2.校正环节的设计 (6)2.1校正环节的分析 (6)2.2串联迟后环节的设计 (8)2.3串联超前环节的设计 (9)3.计算机辅助设计 (11)3.1固有环节的仿真 (11)3.2串联迟后校正的仿真 (13)3.3串联超前环节的仿真 (14)3.4系统的单位阶跃响应仿真 (15)3.5系统的斜坡信号响应仿真 (16)4校正环节的电路实现 (19)4.1校正环节的传递函数 (19)4.2确定各环节电路参数 (19)4.3绘制电路图 (20)5设计总结 (21)6心得体会 (22)1. 人工设计1.1固有环节的分析 该系统的物理背景为一个变焦系统。
固有环节的传递函数为：020.0025()0.05G s s s=+ 这是一个二阶的且开环增益特别小的传递函数，作其开环渐进幅频特性曲线，如图1所示。
图 1 固有环节的开环渐进幅频特性曲线通过作图得出固有环节的剪切频率为：0.0022/rad s ω=，相角裕度18090arctan(0.050.0022)89.99γ=︒-︒-⨯=︒。
可以得出该系统是稳定的，但显然不满足性能指标的要求。
101010101010101010固有环节的开环幅频渐进曲线L (d B )w (rad/s)1.2性能指标的计算性能指标要求为：剪切频率=50/c rad s ω，相角裕度45γ=︒，角速度53/rad s θ=，稳态误差0.003ss e rad ≤。
虽然本题没有直接对系统的动态性能指标有明确要求，但我们在设计控制系统时，对系统的动态过程要求一般体现为对超调量p σ和调整时间s t 的要求。
哈工大自动控制考研辅导班讲义数学模型
自动控制原理考研辅导班2011 11•讲法：•先简要介绍每章的重点内容•然后讲工大考题•数学模型•微分方程•传递函数•动态框图（3）复杂系统设中间变量，列写微分方程组。
取拉氏变换，变成线性代数方程组。
电子电路，直接写线性代数方程组。
方程个数应比中间变量个数多1。
绘框图求传递函数，或求解线性代数方程组求传递函数。
2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。
•利用框图变换规则，简化→移动→简化→…。
•框图变换法的难点和关键：解除交叉结构，形成典型的串联、并联和基本反馈环节。
2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。
•利用框图变换规则，简化→移动→简化→…。
•框图变换法的关键：解除交叉结构，形成典型的串联、并联和基本反馈环节，然后用等效环节代替。
•化简方法：将框图变换成串联、并联环节和反馈回路，再用等效环节代替。
•化简框图的关键：解除交叉结构。
• a ）回路内部的分支点， 向回路外输出信号; b ）回路内部的相加点，输入信号来自回路外部。
交叉结构：B A2）求复杂框图的传递函数（1）框图变换法。
（2）梅森增益公式（3）代数法•设定中间变量，•由框图列写变量的代数方程组，•求解代数方程组•上述方法可混合使用。
2. 考研点1）求复杂框图（信号流图）的传递函数。
2）求实际系统的微分方程、动态框图和传递函数。
3）把动态框图变换成信号流图。
哈尔滨工业大学考研题设支路电流232121)22RCs i i i Cs Cs++=+电压方程3231311()()()022R R i i i i i Cs Cs +++−−=312331RCs i Ri i Cs Cs+=−3121()33Cs i Ri i RCs Cs=−+31)i Cs1)i3Cs框图2in 321()212Cs i V i RCs Cs=−+•梅森公式•3个前向通路•2个反馈通路•3个回路，•回路相互有接触，•一个回路与1个前向通路不接触。
•化简框图可用梅森公式简化2.用求解线性代数方程组求传递函数 最简单的方法，用矩阵法123out 123out 123out 123out in 0 (21)203(1) 00 (1) 00 0 (21) 02i i RCs i CsV RCsi i RCs i V i RCsi RCs i V i i RCs i V CsV +++−=⎧⎪−++++=⎪⎨−+++=⎪⎪++++=⎩2010-1m 2的位移x 2是中间变量2个方程2212222()[()()][()()]()[()()][()()]()u t k y t x t f y t x t m y t k y t x t f y t x t m x t −−−−=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2212222()[()()][()()]()[()()][()()]()u t k y t x t f y t x t m y t k y t x t f y t x t m x t −−−−=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2212222()()()[()()][()()]()u t m x t m y t k y t x t f y t x t m x t −=⎧⎨−+−=⎩̇̇̇̇̇̇̇̇2222122222()()()[()()][()()]()U s m s X s m s Y s k Y s X s fs Y s X s m s X s ⎧−=⎪⎨−+−=⎪⎩s () )框图化简法。
哈工大自动控制1-绪论
自动控制 :
在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装 控制装置或控制器 置（称 ）, 使机器、 被控对象 被控量 设备或生产过程（ ）的某个工作状态或参 数（即 ）自动地按照预定的规律运行。
例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形 状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。
第一章 自动控制的一般概念
反馈控制系统的工作原理
从人取书的反馈控制系统方块图可见： 给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称 为参考输入量（信号）。 被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。
输出量通过测量装置返回系统的输入端，使之与输 入量进行比较，产生偏差信号的过程称为反馈。返回 的输出信号称为反馈信号。若反馈信号与输入信号相 减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之， 则称为正反馈。
美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构， 提出PID控制方法(1922)。 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器 (1925)，气压反馈控制器(1929)。
哈尔滨工程大学自动化学院
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自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法 (Negative Feedback Amplifier) (1927)
英国E.J. Routh建立 Routh判据(RouthHurwitz Stability Criteria)(1875年) 俄国A.M. Lyapunov博 士论文“论运动稳定性的 一般问题” (1892年)
哈尔滨工程大学自动化学院
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自动控制原理
第一章 自动控制的一般概念
经典控制（1935-1950）
哈工大自动控制原理课程设计
Harbin Institute of Technology课程设计说明书课程名称：自动控制原理设计题目：控制系统的设计和仿真院系：航天学院控制科学与工程系班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：2013.2.25---2013.3.10哈尔滨工业大学一、 设计题目与题目分析1. 设计题目1) 已知控制系统固有传递函数如下：G (s )=K s(0.003s +1)(s 2282.72+2×0.7s 282.7+1)(s 27962+2×0.0684s 796+1) 2) 系统性能指标要求：（1） 超调量σ≤20%；（2） 响应时间t s ≤0.15s ；（3） 稳态误差e ss ≤0.01mm ；（4） 最大速度ṙ=0.5m/min ；2. 题目分析根据系统固有传递函数和系统性能指标要求，确定设计思路如下：首先完成使对系统无静差度和放大倍数的设计，稳态误差满足性能指标要求；再根据Bode 图设计串联校正环节，限制系统的相角裕度和剪切频率，最终使系统对阶跃响应的超调量和调整时间符合性能指标要求。
二、 人工设计1. 稳态误差设计根据系统固有传递函数，系统的无静差度符合要求，且系统放大倍数应符合如下要求：0.560×1K≤0.01×10−3 得到：K ≥833.33在设计中，为方便计算并留有余量，取K =1000，并代入系统固有传递函数。
2. 串联校正环节设计绘制系统固有传递函数部分的Bode 图，见附录。
根据性能指标第12条中对超调量和响应时间的规定，根据经验公式：σp=0.16+0.4(1sinγ−1)t s=πc[2+1.5(1−1)+2.5(1−1)2]计算得到对系统相角裕度和剪切频率的要求：γ≥65.38°ωc≥45.55 rad/s根据系统固有传递函数，求出系统的相角裕度和剪切频率：γ=−80.6°ωc=393 rad/s由于固有相角裕度过小而剪切频率远远大于性能指标要求，可先选用串联迟后校正：G C1(s)=τs+1βτs+1β>1取相角裕度γ=70°，根据原有Bode图计算得到β=23.7，并选取τ=0.24，T=5.67，由此确定串联迟后校正环节为：G C1(s)=0.24s+1加入迟后校正后，再绘制Bode图（见附录），得到：γ=64.9°ωc=42.3 rad/s此时，剪切频率和相角裕度都比要求之偏小，应用串联超前校正：G C2(s)=τs+1ατs+1α<1取ϕm=10°，根据Bode图得到 α=0.7，τ=0.024，T=0.0166，，由此确定串联超前校正环节为：G C2(s)=0.024s+1 0.0166s+1加入串联迟后—超前校正后得到系统新的Bode图（见附录），并根据Bode 图，得到控制系统新的相角裕度和剪切频率为；γ=72.3°ωc=50.8 rad/s知系统已经符合性能指标要求，并进行验算得到系统地超调量和响应时间为：σ=17.99%t s=0.1287s经过验算，知控制系统经过串联迟后—超前校正后，已经符合性能指标要求。
哈工大自动控制原理课件
本课程提供全面的自动控制原理知识，包括基础概念、系统建模与分析、控 制器设计与实现和系统性能评估等内容。通过探索实践和应用，让学生掌握 知识和技能。
课程介绍
课程目标
了解自动控制原理的基本概念和原理。
重点内容
学习系统建模、控制器设计和系统性能评估的关键要点。
教学方法
采用授课讲解、课堂互动和实验案例分析等多种教学方法。
课程大纲
1. 基础概念 2. 系统建模与分析 3. 控制器设计与实现 4. 系统性能评估
课程资源
教材与参考书
提供课程所需教材和参考书籍。
课程作业和实验
布置具有挑战性的作业和实验项 目。
课程网站和论坛
为学生提供在线学习资源和与同 学交流的平台。
学习成果
知识与技能
通过学习，学生将获得扎实的自动控制原理知识和应用技能。
实践与应用
学生可以将所学知识应用于实际问题的解决和控制系统的设计。
教学方法
1 授课讲解
通过讲解基本概念和原理 验和案例分析
在课堂上进行问答和讨论， 加强学生参与和思考。
通过实验和案例分析加深 学生对知识的理解和应用 能力。
学习策略
1 预习与复习
在课程之前预习和课程之后复习，巩固所学知识。
(哈工大)系统辨识与自适应控制——第一讲
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Harbin Institute of Technology– HIT
uFPM d2r d t2
F d r
dt
步骤二：对摆杆进行受力分析，摆杆的受力如图4所示。
θ
N
mg
P
图4 摆杆受力分析图
摆杆水平方向上的力平衡方程如下，
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x1 x2
x2
(Mm)mgl1x(Mm)fx2 mlx4
(Mm)(J ml2) m2l2
mlu
x3 x4
x4
m2l2gx1
mlfx2 (J ml2)x4 (J
(Mm)(J ml2) m2l2
ml2)u
(12)
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问题：
(1). 效率低：随着系统复杂程度的增加，建模过程愈加复 杂； (2). 不方便“计算机〞在线决策。
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2. 系统辨识法(黑箱法)
能否根据“输入、输出数据〞获取“对象〞的数学模型 呢？
例：原被控对象的差分形式为：
x2
m2l2x22c
ox1ss
ixn1mlcuox1sx4mclox1s(Mm)m
(Mm)(Jm2)lm2l2c o2xs1
g s ilxn1(Mm)fx2
x3x4
x4
m
l2fcxox1sm2l2gs
ixn1c ox1s(Jm2)lx4(Jm2)lm22lsxixn1(Jm2)lu
哈工大自控元件课件
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
Ke
iq* ( s)
uq
K K cp ci s
Ks
Kf
1 R Ls
iq (s)
Kt
Te
Tl
1 Js D
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1 s
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无刷直流电机(BLDCM)的特性
无刷直流电机系统和 直流电机系统在原理上 具有相同的描述方程， 运行和控制特性相同。
自动控制元件及线路 19
无刷直流电机系统
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目
录
1。永磁交流伺服电机概述 2。无刷直流电动机系统
-- 无刷直流电动机 -- 无刷直流电动机系统 -- 无刷直流电动机的运行
-- 无刷直流电动机系统特性
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永磁交流伺服电机
电机定子上设有多相对称交流绕组，转子由永磁体激磁。 根据转子位置传感器的信号，对定子绕组施加电压产生多相对 称电流，进而得到与转子成固定位置关系的旋转磁场，带动转 子以同步速度旋转，即为永磁交流伺服电机。
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无刷直流电机驱动电路
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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无刷直流电机(BLDCM)的运行
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力矩方程：
Tem
j a ,b , c
e ji j
哈工大自控元件课件
自动控制元件及线路-2 -电气控制常识目录1。
磁场基本理论-磁场基本物理量-电磁基础定律2。
电气控制常识-线路、线缆-低压电器3。
电控线路举例电磁元件是利用磁场做媒介来实现信息（或能量）传递（或转换）的装臵。
磁场产生: 由永久磁铁产生由电流产生磁场分类：按电流性质直流磁场交流磁场磁路:磁通所经过的闭合回路称为磁路。
通过主要路径的磁通称为主磁通，另外还有少量的磁通不在此路径通过，称为漏磁通。
常见的铁心磁路一、磁力线定义：磁力线（或称B 线）是人们用来描述磁场的一种手段，每条磁力线上的任一点的切线方向都和该点磁场的方向一致。
A B C D磁力线的两个基本特征：第一，在任何磁场中每一条磁力线都是环绕电流的无头无尾的闭合曲线，即没有起点也没有终点；第二，在任何磁场中，每一条闭合的磁力线的回转方向和该闭合磁力线所包围的电流方向符合右手螺旋法则。
（a ）直线电流磁力线（b ）圆电流磁力线I I（c ）螺线管电流的磁力线I IN S（d ）永久磁铁的磁力线二、磁感应强度B定义：是表示在空间某点磁场强弱和方向的物理量，是一个空间矢量。
通俗的说，磁感应强度为通过某单位面积的磁力线的条数。
所以磁感应强度也称为磁密。
磁感应强度的方向：为该点磁场的方向。
+BFV 磁感应强度的单位为T （特）三、磁通Φ定义：通过磁场中一个给定面A 的磁力线的条数,简称磁通。
通过面积A 的磁通量为：n dAθB Φ=⎰A Bcos θdA=∫A B ·d A在均匀的磁场中磁通量：Φ=B·A磁通单位：Wb(韦伯）四、磁场强度H定义：在任何介质磁场中,某一点的磁感应强度B和同一点上介质磁导率μ的比值，即：H=B/μ单位：H —安每米（A/m）或安每厘米（A/cm）1-1 磁路的基本物理量五、磁导率μ定义：用来表示物质导磁能力大小的物理量称为导磁系数或磁导率。
单位：亨每米（H/m）-7真空的磁导率为：μ0= 4π 10 （H/m）空气的磁导率: 近似等于真空磁导率。
哈工大—现代控制理论课件
则线性化系统方程为：
Δx =结论： i = 1,2, , n ，则非线性 ① 若 Re(λi ) < 0 系统在 xe 处是渐近稳定的，与 g (x) 无关。 ,n ② 若 Re(λi ) > 0 Re(λ j ) < 0 i ≠ j = 1, 则不稳定。 ③ 若 Re(λ ) = 0 ，稳定性与 g (x ) 有关 i
第4章
系统的运动稳定性
例7： 一个弹簧－质量－阻尼器系统，系统的运动方程如下
m x + f x + kx = 0
令 m =1
x + f x + kx = 0
列写系统的状态方程并判定稳定性。
第4章
系统的运动稳定性
实际表明，很多情况下李亚普诺夫函数可取为二次型，因此二次型及其 定号性，是该理论的一个数学基础
要取决于高阶项系统的运动稳定性本章主要知识点42lyapunov意义下的稳定性稳定性定义各种稳定性之间的关系43lyapunov稳定性理论使用李氏第一法判定系统的稳定性二次型正定性李氏第二法的主要定理44线性系统的稳定性分析线性时变系统和线性定常系统的稳定性判定方法利用李雅普诺夫函数求解参数最优化问题45线性系统的有界输入有界输出稳定定义判定方法46非线性系统的稳定性分析克拉索夫斯基法
它是 x 的各元素
x1 , x2 ,
, xn 和时间 t 的函数。
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第4章
系统的运动稳定性
自治系统 非自治系统
x = f ( x (t ))
基本区别：自治系统的状态轨线不依赖于初始时刻 平衡状态（平衡点）： 对于所有t，满足 xe = f ( xe , t ) = 0 的状态 xe 称为平衡 状态. 平衡状态即为系统方程的常数解，或系统的一种静止 的运动。 线性系统,非线性系统的平衡点个数?()①
哈工大自动控制原理课件-第二章
2.1.2 非线性运动方程的线性化
例如，将具有两个自变量x、y的非线性函数在预定工作点(x0， y0)的邻域展开成泰勒级数：
z F（x, y） F（x 0 , y 0）（ F F ） x0 x （ ） x0 y x x x y y0 y y y0
1 2F 2F 2 （ 2 ） x0 (x) （ [ 2 ） x0 xy （ 2 ） x0 (y)2 ] x x x 2 x y y0 ！ xy y y0 y y y0
当系统中的变量对时间的导数不可忽略时，称系统处于动态，相 应的系统称为动态系统或动力学系统，对于动态系统，为了确定 输出量和其他变量，仅仅知道输入量是不够的，还必须知道一组 变量的初始值。 控制理论研究的是动态系统，动态系统数学模型的基础是微分方 程，又称为动态力程或运动方程。
第2章 控制系统的数学模型
数学模型有很多种形式，它们各有特点和最适用的 场所，本章介绍微分方程、传送函数和动态框图。
建立系统数学模型的方法有分析法(又称理论建模)和 实验法(系统辨识)。 分析法是根据系统中各元件所遵循的客观(物理、化 学、生物等)规律和运行机理，列出微分方程式。实 验法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输 出响应，并用适当的数学模型去逼近。
增量，方程为一个线性增量方程。它是将非线性函数在预定工作 点邻域进行线性化所使用的基本关系式。分析控制系统中的非线 性特性时大都是根据小偏差线性化的概念进行的。
2.1.2 非线性运动方程的线性化
几何意义：以过平衡点（工作点）的切线代替工作点附近 的曲线 y
y0＋y y0 A x y＝f (x) y
0 1(t ) 1
t 0 t 0
由拉氏变换的定义得1(t)的象函数为：
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哈工大自控课设Harbin Institute of Technology自动控制原理课程设计课程名称：自动控制原理设计题目：红外干扰分离系统院系：航天学院班级：设计者：学号：指导教师：金晶林玉荣设计时间：自动控制原理课程设计任务书姓 名： 院 （系）：航天学院 专 业：自动化 班 号：任务起至日期： 年3月2日 ——年3月16日课程设计题目：红外干扰分离系统1. 已知控制系统的固有传递函数（或框图）如下：（红外干扰分离系统）)127.0(22)(+=S S S G M=)(1S H 1)(=S H系统存在一个正弦干扰力矩 t A S F ωsin )(=: A=0~5，f=0~82．性能指标（1）开环放大倍数K ≥ （2）剪切频率 ≤≤c ω （3）相位裕度≥γ （4）谐振峰值M γ=（5）超调量p σ≤25% （6）过渡过程时间ms t s 25≤ （7）角速度s rad /2.0max =•θ （8）角加速度2max /8.0s rad =••θ （9）稳态误差mrad e ss 15.0≤ 3.设计要求与步骤（1）设计系统，满足性能指标。
（2）人工设计利用半对数坐标纸手工绘制系统校正前后及校正装置的Bode 图，并确定出校正装置的传递函数。
验算校正后系统是否满足性能指标要求。
目录1. 人工设计 (5)1.1固有环节的分析 ...................................................... 错误!未定义书签。
1.2性能指标的计算 ...................................................... 错误!未定义书签。
2.校正环节的设计................................................................. 错误!未定义书签。
2.1校正环节的分析 ...................................................... 错误!未定义书签。
2.2串联迟后环节的设计 .............................................. 错误!未定义书签。
2.3串联超前环节的设计 .............................................. 错误!未定义书签。
3.计算机辅助设计................................................................. 错误!未定义书签。
3.1固有环节的仿真 ...................................................... 错误!未定义书签。
3.2串联迟后校正的仿真 .............................................. 错误!未定义书签。
3.3串联超前环节的仿真 .............................................. 错误!未定义书签。
3.4系统的单位阶跃响应仿真 ...................................... 错误!未定义书签。
3.5系统的斜坡信号响应仿真 ...................................... 错误!未定义书签。
4校正环节的电路实现 ......................................................... 错误!未定义书签。
4.1校正环节的传递函数 .............................................. 错误!未定义书签。
4.2确定各环节电路参数 .............................................. 错误!未定义书签。
4.3绘制电路图 .............................................................. 错误!未定义书签。
5设计总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。
6心得体会 ............................................................................. 错误!未定义书签。
1. 人工设计1.1题目分析由于系统存在正弦干扰力矩，且不可测，是一个不稳定的量，我们不妨将此力矩设定为干扰最大时的正弦信号，即此时干扰为t S F π16sin 5)(=。
同时超调量和过渡过程时间要满足：ms t s p 25%,25≤≤σ。
依据经验公式：)1sin 1(4.016.0-+=γσp ---------------------------（1） ])1sin 1(5.2)1sin 1(5.12[2-+-+=γγωπc s t --------（2）可以得出：相角裕度ο7187.54≥γ，取余量可以令ο60≥γ，同时77.287≥c ωrad/s ，取余量可以令s rad c /300≥ω。
依据角速度s rad /2.0max =•θ，角加速度2max /8.0s rad =••θ，算出系统的输入信号：t S R 4sin 05.0)(=。
因为校正后系统需满足的开环放大倍数K 没有明确告知，且系统内存在正弦干扰信号，在校正环节没有出来前，所以无法通过稳态误差来确定K 的值，继而原系统的相角裕度与剪切频率参考价值不大，所以用串联超前迟后校正，不太方便。
这里开始考虑用希望频率法来解决问题。
计算中频段宽度：h 。
依据11sin +-=h h γ，ο60=γ，得出14≈h 。
从而求得：s rad hs rad c/80)/(12≈=•-ωω，同理s rad /11203=ω,取余量可以得出s rad /702≈ω，s rad /12003≈ω。
绘制希望频率的高频段。
高频段的对数幅频特性只要以较大斜率下降即可，所以不妨令s rad /40004=ω。
此时只剩下低频段的连接问题，不妨令开环放大倍数K 是未知量。
将1ω算出是关于K 的一个函数。
计算过程具体如下：假设系统波特图过点（0,20K lg ），横坐标70lg 2=ω，对应的64046.12))(lg(2070lg ==ωS G ,分析可知1ω应满足：64046.12lg 20)lg 70(lg 40lg 2011-=-+K ωω。
解出20lg 2064046.1270lg 40lg 1K-+=ω。
到此时，除了K ，其他的参数都已确定。
因为稳态误差小于等于mrad 15.0，输入为正弦信号，所以我们不妨先假定估算出一个K 值，不考虑干扰的情况下，假定系统为1型，应满足mrad e KAss 15.0=≤，05.0=A ,此时333≥K 。
因为实际时，有干扰在内，且输入是正弦信号，不是斜坡信号，所以K 要略大。
不妨令K=2500。
1.2 相关图样的绘画系统原波特图（阶跃响应）：-50050M a g n i t u d e (d B )10101010-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 23.2 deg (at 8.65 rad/s)Frequency (rad/s)图1校正后系统的波特图，如下：M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 24.2 dB (at 2.12e+03 rad/s) , P m = 60.2 deg (at 298 rad/s)Frequency (rad/s)图2校正环节波特图：M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf , P m = 90 deg (at 7.78e+09 rad/s)Frequency (rad/s)图3从上面的图样可以看到，校正环节极大的提高了系统的剪切频率，同时也一定程度上增大了相角裕度。
合并的图样：-150-100-50050100150M a g n i t u d e (d B )10-110101102103104105-270-180-90090P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 33.7 deg (at 12.2 rad/s)Frequency (rad/s)图4由上图，可以明确清晰地看出，原系统经过校正环节的叠加，达到了题目所需的要求。
2. 计算机辅助设计2.1原系统的计算机仿真相关图样先给出原系统的Simulink 仿真框图。
由题目可知，我们现在已知)(S G M 的表达式，1)( S H ，说明是单位负反馈。
仿真框图如下：图5开环时被控对象仿真连接图如下：图6图中构成了一个单位负反馈，一个积分环节，一个振荡环节，一个放大环节构成原系统的)(S G M 。
原系统的波特图计算机绘制如下：-50050M a g n i t u d e (d B )10-110101102-180-135-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 23.2 deg (at 8.65 rad/s)Frequency (rad/s)图7需要注意的是，画波特图时，被控对象时开环的。
原系统阶跃响应曲线：（此时被控对象仿真时闭环的）图8由图样可知，系统的过渡过程时间，达到1s多，完全达不到设计的要求。
2.2.校正后的计算机仿真相关图样：校正后的系统Simulink仿真框图：图9校正后的系统波特图：M a g n i t u d e (d B )10101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 24.2 dB (at 2.12e+03 rad/s) , P m = 60.2 deg (at 298 rad/s)Frequency (rad/s)图10校正后的阶跃响应曲线图：图11稳态误差满足时，稳态误差的图样：图123.校正装置电路图：图134.设计结论：（1）这个系统名为红外干扰分离系统，需要主要处理的就是，在外在干扰很大的情况下，甚至远大于输入信号时，如何消除干扰带来的巨大误差，并且让系统保持很大的快速性和稳定性。