重庆大学 自动控制原理课程设计
重庆大学 电气工程考研 教学大纲-自动控制原理201109
自动控制原理（I）教学大纲一、课程名称：自动控制原理（I）二、课程代码：15012545三、课程英文名称：Principles of Automatic Control（I）四、课程负责人：左为恒五、学时与学分：总学时：72学时（课堂教学66学时，实验12学时，注：实验以6学时计算）总学分：4.5学分六、课程性质：学科大类基础必修七、适用专业：电气工程与自动化八、选课对象：自动化、电气工程与自动化本科专业学生九、预修课程：高等数学、积分变换、线性代数、电路原理、电子技术、电机学等十、课程教材：左为恒、周林主编.自动控制理论基础.机械工业出版社，2007年9月第一版十一、参考书目：夏德钤主编，自动控制理论（第2版），机械工业出版社，2003胡寿松主编，自动控制原理（第4版），科学出版社，2000十二、开课单位：电气工程学院十三、课程的性质、目的和任务：该课程为电气工程与自动化本科专业的一门专业基础必修课程。
学习本课程主要目的是要求学生掌握自动控制原理的基本知识、学习控制系统的数学模型、时域特性、稳定性、稳态特征、动态特性和频率特性，以及分析和设计自动控制系统的基本校正方法。
课程从不同的角度讨论了单输入单输出经典控制理论与多输入多输出现代控制理论。
通过本课程的学习，使学生对反馈控制系统的基本原理有更深入地认识，进而培养学生的思维能力与分析、计算能力。
通过本课程的自控原理模拟实验与MA TLAB语言辅助分析实验，使学生进一步了解并掌握分析与设计控制系统的基本理论和基本方法，为后续相关课程打下理论基础。
十四、课程基本要求：《自动控制原理》课程是电气工程与自动化专业的一门必修主干专业基础课，占有极其重要的地位。
本课程涉及的基本概念较多，理论性、逻辑性较强，涉及内容广泛。
在教学过程中，要求教师对控制系统基本概念应有透彻讲解，对基本原理应作详尽的分析。
要求学生必须熟练掌握对控制系统的分析、计算和设计方法等。
十五、课程描述及主要内容：该课程分析讨论了经典自动控制理论与现代控制理论相关知识。
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。
重庆大学自控原理课程设计实验报告
课程设计的工作计划：
1、布置课程设计任务；消化课程设计内容，查阅并参考相关资料，进行初步设计（3天）；
2、按课程设计的要求进行详细设计（3天）；
3、进行实时控制实验，并按课程设计的规范要求撰写设计报告（3天）；
4、课程设计答辩，实时控制验证（1天）。
7、完成课程设计报告。
参考资料：
1、固高科技有限公司.直线倒立摆安装与使用手册R1.0，2005
2、固高科技有限公司.固高MATLAB实时控制软件用户手册，2005
3、Matlab/Simulink相关资料
4、谢昭莉，李良筑，杨欣.自动控制原理（上）.北京：机械工业出版社，2012
5、胡寿松.自动控制原理（第五版）.北京：科学出版社，2007
学习态度尚可，动手能力一般，能遵守组பைடு நூலகம்纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，动手能力较差，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
报告技术水平与撰写质量
50
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。报告结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，图纸非常工整、清晰
任务下达日期2015年12月29日
完成日期2016年12月30日
指导教师（签名）
学生（签名）
摘要
通过对一级倒立摆系统进行数学建模，得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数：
首先从时域角度着手，分析直线一级倒立摆的开环单位阶跃响应和单位脉冲响应，得出该系统的开环响应是发散的这一结论。
利用根轨迹分析法，并借助Matlab一级其中的Simulink仿真系统辅助分析。通过加入超前校正校正环节，得到系统的校正函数，并且校正后的系统满足课设的要求，即最大超调量： ，调整时间： 。同样，利用频域分析法也得到校正环节的传递函数。对系统进行校正系统的静态位置误差函数常数为10，相位裕量为 ，增益裕量等于或大于 。最后利用PID控制器设计出校正函数，并且也满足最大超调量： ，调节时间： 。
重庆大学城市科技学院自动控制原理课程设计
1
自动控制原理课程设计报告
一、设计目的
（1）掌握控制系统设计与校正的步骤和方法。 （2）掌握对控制系统相角裕度、稳态误差、剪切频率、相角穿越频率以及 增益裕度的求取方法。 （3）掌握利用 MATLAB 对控制系统分析的技能。熟悉 MATLAB 这一解决具体 工程问题的标准软件，能熟练地应用 MATLAB 软件解决控制理论中的复杂和工程 实际问题， 并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基 础。 （4）提高控制系统设计和分析能力。
2
三、实现过程 3.1、系统概述
MATLAB 是美国 Math works 公司推出的一套高性能的数值分析和计算软件。 MATLAB 名字由 MAT rix 和 LAB oratory 两词的前三个字母组合而成。 1984 年 推向市场以来， 历经二十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程 应用开发环境。它将矩阵运算、数值分析、图形图像处理、仿真实验、编程技术 结合在一起，为用户提供了强有力的科学及工程问题分析、计算和设计工具。 数值计算和符号计算功能 MATLAB 以矩阵作为数据操作的基本单位，提供了十分丰富的数据计算函 数。MATLAB 和著名的符号计算语言 Maple 相结合，使得 MATLAB 具有符 号计算功能。 绘图功能 MATLAB 提供了众多的绘图操作，如二维、三维简单图像和复杂图像的绘 制；另外 MATLAB 还可以用于设计图形用户界面，提供人机交互工作环境。 编程语言 MATLAB 具有程序结构控制、函数调用、数据结构、输入输出等程序语言 的特征，而且简单易学、编程效率高。 MATLAB 工具箱 MATLAB 除基本部分外还提供各种可选的工具箱。MATLAB 工具箱分为两 大类：功能性工具箱和科学性工具箱。 MATLAB 系统包含五个主要部分： MATLAB 开发环境； MATLAB 数学函数库； MATLAB 语言； ,MATALB 图形处理系统； MATLAB 应用程序接口（API） Math works 公司的网址如下。 www 网址： 匿名 FTP 服务： 的影像站点：Novell.felk.cvut.cz 新闻组：comp.soft-sys.matlab www 及 FTP 的 internet IP 地址：141.212.100.10 Math works 公司的技术服务联系方式如下。 技术支持：support@ BUG 报道：bugs@ 文件库：matlib@
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报告1
自动控制原理课程设计课题：自动控制原理课程设计专业：电气工程及其自动化班级：期：2014.12.22-2014.12.29 成绩：重庆大学城市科技学院电气信息学院目录1设计目的 (1)2设计要求 (1)3设计题目 (1)4实现过程 (2)4.1校正前系统的Bode图计算与稳定性（手工） (2)4.2校正前系统的根轨迹计算与闭环系统稳定性（手工） (3)4.3校正前系统幅频特性Matlab分析 (5)4.4校正前系统的奈奎斯特图Matlab仿真分析 (6)4.5校正后系统的Matlab仿真分析 (7)4.5.1校正装置的幅频特性 (7)4.5.2校正后系统幅频特性分析 (8)4.5.3校正后系统奈奎斯特图分析 (9)4.5.4校正后系统的截止频率ωc、相位裕量γ、穿越频率ωx和幅值裕量h计算 (11)5总结 (11)6参考文献 (11)自动控制原理课程设计报告1设计目的更加熟练掌握Bode图的作图方法，能够使用劳斯判据判定系统稳定性。
能够画出根轨迹图，并且根据分析出系统的稳定性。
掌握根据要求设计校正装置，学会使用Matlab分析Bode图，系统稳定性，能够作出根轨迹图，并且分析系统相关参数，能够使用Matlab分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
计算校正后系统的截止频率ωc、相位裕量γ、穿越频率ωx和幅值裕量h。
用MATLAB分别画出系统校正前、后的开环系统奈奎斯特图，并进行分析。
能够利用所学知识分析校正装置对系统的影响。
2设计要求1、手动画出未校正系统的Bode图，分析系统是否稳定。
2、手动画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。
3、设计系统的串联滞后超前校正装置，使系统达到下列指标。
（1）静态速度误差系数K v ≥ 100s-1；（2）相位裕量γ ≥ 40°。
（3）截止频率ωc＝20rad/s。
4、给出校正装置的传递函数。
5、用MATLAB分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。
《自动控制原理》课程设计
名称：《自动控制原理》课程设计题目：基于自动控制原理的性能分析设计与校正院系：建筑环境与能源工程系班级：学生姓名：指导教师：目录一、课程设计的目的与要求------------------------------3二、设计内容2.1控制系统的数学建模----------------------------42.2控制系统的时域分析----------------------------62.3控制系统的根轨迹分析--------------------------82.4控制系统的频域分析---------------------------102.5控制系统的校正-------------------------------12三、课程设计总结------------------------------------17四、参考文献----------------------------------------18一、课程设计的目的与要求本课程为《自动控制原理》的课程设计，是课堂的深化。
设置《自动控制原理》课程设计的目的是使MATLAB成为学生的基本技能，熟悉MATLAB这一解决具体工程问题的标准软件，能熟练地应用MATLAB软件解决控制理论中的复杂和工程实际问题，并给以后的模糊控制理论、最优控制理论和多变量控制理论等奠定基础。
使相关专业的本科学生学会应用这一强大的工具，并掌握利用MATLAB对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。
通过使用这一软件工具把学生从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。
通过此次计算机辅助设计，学生应达到以下的基本要求：1.能用MATLAB软件分析复杂和实际的控制系统。
2.能用MATLAB软件设计控制系统以满足具体的性能指标要求。
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。
重庆大学自动控制原理课程设计
自动控制理论课程设计倒立摆系统的控制器设计学生姓名：***指导教师：***班级：自动化01班重庆大学自动化学院二O一三年十二月目录目录 (1)倒立摆系统概述 (2)1.数学建模 (3)1.1直线一级倒立摆数学模型概述 (3)1.2直线一级倒立摆的物理模型 (3)1.2.1小车受力分析 (4)1.2.2摆杆受力分析 (5)1.3系统实际模型 (6)2 开环响应分析 (6)3 频率特性法 (7)3.1 频率响应分析 (7)3.2 频率响应设计 (9)3.3 Simulink仿真 (13)4 根轨迹法设计 (14)4.1原系统的根轨迹分析 (14)4.2根轨迹校正 (14)4.2.1确定期望闭环零极点 (15)4.2.2设计控制器 (15)4.3 Simulink仿真 (18)5.PID控制分析 (19)6.总结 (20)参考文献： (20)倒立摆系统概述随着科学技术的迅速发展，新的控制方法不断出现，倒立摆系统作为检验新的控制理论及方法有效性的重要实验手段得到广泛研究。
倒立摆控制系统是一个典型的非线性、强耦合、多变量和不稳定系统，作为控制系统的被控对象，许多抽象的控制概念都可以通过倒立摆直观地表现出来。
倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。
当摆杆到达期望的位置后，系统能客服随机扰动而保持稳定的位置。
通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。
其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发生中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。
倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。
按照倒立摆的结构类型可以分为：悬挂式、直线、环形、平面倒立摆等。
本设计是以直线一级倒立摆为被控对象来进行设计的。
重庆大学-自动控制原理-第一章 自动控制原理
电气工程与自动化专业 专业基础课(必修课)
为自动控制学科专业基础课
1
第一章
序
论
自动控制理论概述
(开关量与模拟量控制)
第一节
输入量
பைடு நூலகம்
开环控制和闭环控制
控制量
控制器
被控对象
输出量
开环控制系统
2
开环控制系统对外扰及内部参数变化的影响缺乏抑制力， 但开环系统结构简单，比较容易设计和调整，可用于内外扰动 对系统影响不大，且控制精度不高的场合。
4
系统元件中只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述即为 非线性系统。 描述非线性系统的常微分方程中，输出量及其各阶导数不全是 一次的。
三.连续系统与离散系统
连续系统各部分的输入和输出信号都是连续函数的模拟量。 离散系统是指系统中某处或数处的信号以脉冲数码形式传递的 系统，如数字计算机或数字控制器，由于被控制量是模拟量，所以 这种系统中有数/摸（D/A）和摸/数（A/D）转换器。
对不稳定系统及不满足性能指标要求的稳定系统需要重新设计，以达到系统要求。
6
三.经典控制理论与现代控制理论
经典控制理论是以积分变换为主要数学工具，用频域方法，以描述输入与输出 外部关系的传递函数为基础、研究控制系统的动态特性的理论。 现代控制理论是以微分方程、线性代数为主要数学工具，用状态空间法，以 描述系统内部状态变量关系的状态方程为基础、研究系统状态运动的理论。 在解决多变量、多输入多输出、时变系统等问题方面，现代控制理论比较有 效，但在处理单变量线性定常系统问题上，现代控制理论尚不及经典控制理论及 方法简便实用。
3
第二节
自动控制系统的类型
一.随动控制系统与自动调节系统
自动控制原理课程设计
写出以R为输入的直流电机控制系统微分方程；
使闭环系统的特征方程的根包括 30 30j
；
计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃 扰动输入、单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差；
用Matlab证明你的上述答案，并画出系统响应曲线；
对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写 清楚分析的过程，附Matlab源程序或Simulink仿真模型。
精品PPT
1、时域校正法
图2二阶闭环系统的模拟电路图 精品PPT
1.1 设单位反馈系统的开环传递函数为：
G(S)
K
S (S 1)(S 5)
设计校正装置，使系统在阶跃输入下的超调量；
% 10%;
调节时间ts≤5S， 而单位斜坡输入时的稳态误差
eSS 15%
精品PPT
1.2 已知对象的传递函数为：
[4] 黄忠霖 控制系统MATLAB设计与仿真 北京：国防工业 出版社 [5]魏克新 MATALAB语言与自动控制系统设计 北京：机械 工业出版社
精品PPT
控制系统结构图
+
10
-
S(S 1)(0.1S 1)
精品PPT
1.4 设有单位反馈系统，具有如下的开环传
递函数：
G(S)
K
S (S 1)(0.5S 1)
试确定校正环节，使控制性能满足： 开环放大系数K=10 S-1 ， 相角裕度 50 0 ， 幅值裕度 20lgKg=+10分贝；
精品PPT
自动பைடு நூலகம்制原理
课程设计
精品PPT
一 引言
意义：本课程设计是自动控制原理（线性连续系统）课程学 习的一个重要教学环节； 目的：通过该实践环节，使同学们能在各项实验中提高自己 的分析问题和解决实际问题的能力，对于巩固和应用所学知 识，提高实践能力，把理论和实践很好的结合起来有着重要 的意义。
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。
自动控制原理修订版课程设计
自动控制原理修订版课程设计一、设计目标本课程设计以自动控制原理为重点，旨在帮助学生深入了解自动控制原理的基本概念、理论和方法，提高学生的掌握自动控制原理的能力和应用能力，达到以下目标：1.理解自动控制原理的基本概念和基本理论；2.掌握自动控制的设计和实现方法；3.能够独立完成自动控制系统的设计和调试；4.培养学生的分析、解决问题和创新能力。
二、教学内容本课程设计主要包括以下教学内容：1.自动控制原理基础知识——包括自动控制系统的基本概念、控制对象的数学模型、PID控制器原理等；2.自动控制系统的设计——包括控制系统的架构设计、PID控制器参数调节、稳定性分析等；3.自动控制实验——包括自动控制器设计,系统建模、仿真、实验等。
三、教学过程本课程设计采用教师讲解、学生实验、讨论交流等方式进行教学。
具体教学过程如下：第一阶段：理论授课在本阶段，教师将依据教学大纲按照课件讲解自动控制原理的基础知识，包括自动控制系统的基本概念、控制对象的数学模型、PID控制器原理等。
学生将通过听课和课后作业巩固知识点。
第二阶段：实验操作在本阶段，学生将根据教师指导分组进行自动控制实验操作，包括系统建模、仿真、实验等。
实验内容涵盖自动控制器设计、PID控制器参数调节、稳定性分析等方面，旨在培养学生的实践能力和解决问题的能力。
第三阶段：实验报告在本阶段，学生将根据实验结果撰写实验报告，并提交给教师进行评阅。
实验报告内容可能包括实验目的、实验原理、实验过程、实验结果、实验分析和总结等方面。
第四阶段：讨论交流在本阶段，教师将组织学生进行讨论交流，回顾自动控制原理课程设计的关键问题和方法，提高学生的分析、解决问题和创新能力。
四、教材推荐本课程设计所需教材如下：1.《自动控制原理》（修订版）；2.《自动控制原理试验教程》。
五、评分标准本课程设计评分标准如下：1.实验报告评定标准——包括实验目的、实验原理、实验过程、实验结果、实验分析和总结等方面；2.实验操作评定标准——包括实验操作流程、实验数据处理、实验结果分析与解释等方面。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录1 实验背景 (2)2 实验介绍 (3)3 微分方程和传递函数 (6)1 实验背景在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
自动控制原理是相对于人工控制概念而言的，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（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
在自动控制原理【1】中提出，20世纪50年代末60年代初，由于空间技术发展的需要，对自动控制的精密性和经济指标，提出了极其严格的要求；同时，由于数字计算机，特别是微型机的迅速发展，为控制理论的发展提供了有力的工具。
在他们的推动下，控制理论有了重大发展，如庞特里亚金的极大值原理，贝尔曼的动态规划理论。
卡尔曼的能控性能观测性和最优滤波理论等，这些都标志着控制理论已从经典控制理论发展到现代控制理论的阶段。
现代控制理论的特点。
是采用状态空间法（时域方法），研究“多输入-多输出”控制系统、时变和非线性控制系统的分析和设计。
现在，随着技术革命和大规模复杂系统的发展，已促使控制理论开始向第三个发展阶段即第三代控制理论——大系统理论和智能控制理论发展。
在其他文献中也有所述及（如下）：至今自动控制已经经历了五代的发展：第一代过程控制体系是150年前基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。
简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。
第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于0－10mA或4－20mA 的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。
它标志了电气自动控制时代的到来。
控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。
第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。
这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。
所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。
第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。
于是分散控制成了最主要的特征。
除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。
第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。
“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。
但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。
由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。
所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。
简单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。
主要的总线有Profibus，LonWorks等。
[1]虽然控制理论经历了第一代经典控制理论和第二代现代控制理论两个发展阶段，并已开始进入第三代，但经典控制理论仍不失其价值和实用意义，仍是进一步学习现代控制理论和其他高等控制理论的基础。
再加上热工过程中的自动控制则是以能源动力系统为背景，结合实际的对象对系统进行控制，在现代大型火电机组中有广泛的应用。
因此进行热工过程中的自动控制原理及系统课程设计是热能与动力工程专业的本科生了解未来实际工作环境的重要实践课程。
2 实验介绍本实验通过实验台中的电加热器控制水箱温度，在保证出入水箱流量达到稳定的状态下，当电加热功率扰动时通过PID调节器调节电加热器使水箱温度重新达到稳定。
实验台实物如下图所示：图2-1 实验台实物图图2-2 模拟台实物图其中加热水箱包括内腔及外腔两个部分，实验中主要利用内腔室并保证其中流量保持稳定。
我们知道，对于控制元件例如加热器等都是一阶惯性环节，P调节具有响应速度快的特点,但稳定后存在稳态误差,而I调节具有消除稳态误差的特点，可使系统进入稳态后无误差的特点。
因此在水温、液位、流量、压力等控制系统中通常采用二者相结合的PI控制，同样针对该控制系统的控制规律及其特点可以看出用PI控制可达到要求。
3 微分方程和传递函数根据实际的实验对象，可以得到实验系统的控制环节结构图如下图所示：图3-1 控制环节结构图因此可知该系统的传递函数包括三个部分,即调节器部分、电加热部分及水箱部分。
其中PID 调节器采用PI 调节，该部分的输入为，输出为,则有：u t =K p e t +1T ie t dt传递函数:对于加热器，设该部分的输入为，输出为,传递函数为一阶惯性环节，则 22()()()dP t T P t K u t dt +=传递函数:222()()()1K P s G s U s T s ==+而以水箱为控制研究对象，我们假定水箱的内腔容积不变，外腔流量带走热量并且流量为定值，列出其能量平衡方程。
静态平衡: 12W W =W +入动态方程式: 12W W =W W ++入内变其中:输入功率: W P =入； 单位时间流进水的热量: 1W V P in Q C T ρ=； 单位时间流出水的热量:2W V P Q C T ρ=；单位时间内腔热能的变化: W P dTVC dtρ=内变 所以动态变化时: ()P V P in dTVC Q C T T P dtρρ=-+ 两边拉斯变化得到:令 31V P K Q C ρ=，3VVT Q =即该开环系统的传递函数为:333()1K G s T s =+为一个一阶惯性环节。
因此，该系统的数学模型框图可化为：图4.2 系统数学模型框图故总的开环传递函数为:3212323()()()1()(1)()()()11p i K K U s P s T s G s G G G K E s U s P s T s T s T s ==⋅⋅=+++1()1()()1V P P V P VQ C T s P s VC s Q C s Q ρρρ==++又根据实验过程中测得的数据，其中电加热内腔的结构图如下图所示：图4.3 电加热内腔结构图 则有：33331000/, 4.210/,3298.67,30/o p V kg m C J kg C V cm Q cm s ρ==⨯⋅==带入数据可得，3360,0.008K T ==。
所以水箱的传递函数为30.008()601G s s =+。
假定电加热器传递函数中，则其传递函数为 所以总的传递函数为：1232180()(1)660.11p i G s G G G K T s s s ==+++计算系统的稳态误差当系统从一个稳态过度到新的稳态，或系统受扰动作用又重新平衡后，系统可能会出现偏差，这种偏差称为稳态误差。
稳态误差记作 ess （Steady-State Errors ）自动控制系统在稳态下的控制精度的度量。
控制系统的输出响应在过渡过程结束后的变化形态称为稳态。
稳态误差为期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。
控制系统的稳态误差越小说明控制精度越高。
因此稳态误差常作为衡量控制系统性能好坏的一项指标。
控制系统设计的课题之一，就是要在兼顾其他性能指标的情况下，使稳态误差尽可能小或者小于某个容许的限制值。
稳态误差的分类稳态误差按照产生的原因分为原理性误差和实际性误差两类。
①原理性误差为了跟踪输出量的期望值和由于外扰动作用的存在，控制系统在原理上必然存在的一类稳态误差。
当原理性稳态误差为零时，控制系统称为无静差系统，否则称为有静差系统。
原理性稳态误差能否消除，取决于系统的组成中是否包含积分环节。
②实际性误差系统的组成部件中的不完善因素（如摩擦、间隙、不灵敏区等）所造成的稳态误差。
这种误差是不可能完全消除的，只能通过选用高精度的部件，提高系统的增益值等途径减小。
对于该实验系统，其稳态误差的计算为： 未加入PID 矫正时:单位阶 输入时，R(t)=1(t),则R(s)=，干扰输入N(s)=0==斜坡输入时，R(t)=t,则R(s)=，干扰输入N(s)=0N(S)=∞加入PID校正后单位阶输入时，R(t)=1(t),则R(s)=，干扰输入N(s)=0N(S)==斜坡输入时，R(t)=t,则R(s)=，干扰输入N(s)=0N(S)== =0PID控制理论介绍PID控制及参数整定方法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例-积分-微分控制，简称PID控制。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的重要技术之一。
PID控制原理当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时PID控制技术的优点就显现出来了。
即使当我们不完全了解一个系统和被控对象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也可以采用PID控制技术，来获得系统的控制方法。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1.比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出c(t)与输入误差信号e(t)成比例关系：c(t)=Kpe(t)其传递函数为()=p M s G s K E s =（）（）当仅有比例控制时，系统的输入量与输出量成比例，二者之间在时间上没有延迟。