计算机控制系统课程设计--超前滞后矫正控制器设计
【自动控制原理课程设计】控制系统的超前校正设计
目录1 超前校正的原理及方法 (2)1.1 何谓校正为何校正 (2)1.2 超前校正的原理及方法 (3)1.2.1 超前校正的原理 (3)1.2.2 超前校正的应用方法 (4)2 控制系统的超前校正设计 (5)2.1 初始状态的分析 (5)2.2 超前校正分析及计算 (8)2.2.1 校正装置参数的选择和计算 (8)2.2.2 校正后的验证 (10)2.2.3 校正对系统性能改变的分析 (14)3 心得体会 (16)参考文献 (17)控制系统的超前校正设计1 超前校正的原理及方法1.1 何谓校正 为何校正所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，是系统整个特性发生变化。
校正的目的是为了在调整发大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标的情况下，通过加入的校正装置，是系统性能全面满足设计要求。
1.2 超前校正的原理及方法1.2.1 超前校正的原理无源超前网络的电路如图1所示。
图1 无源超前网络电路图如果输入信号源的内阻为了零，且输出端的负载阻抗为无穷大，则超前网络的传递函数可写为1R1()1c aTsaG s Ts+=+ （2-1） 式中1221R R a R +=> , 1212R RT C R R =+ 通常a 为分度系数，T 叫时间常数，由式（2-1）可知，采用无源超前网络进行串联校正时，整个系统的开环增益要下降a 倍，因此需要提高放大器增益交易补偿。
根据式（2-1），可以得无源超前网络()c aG s 的对数频率特性，超前网络对频率在1/aT 至1/T 之间的输入信号有明显的微分作用，在该频率范围内，输出信号相角比输入信号相角超前，超前网络的名称由此而得。
在最大超前交频率m ω处，具有最大超前角m ϕ。
超前网路（2-1）的相角为()c arctgaT arctgT ϕωωω=- （2-2） 将上式对ω求导并令其为零，得最大超前角频率m ω（2-3） 将上式代入（2-2），得最大超前角频率（2-4） 同时还易知 ''m c ωω=ϕm 仅与衰减因子a 有关。
自动控制原理课程设计 超前校正
自动控制原理课程设计一． 设计题目1.掌握控制系统的设计与校正方法、步骤。
2.掌握对控制系统的相角裕度、稳态误差、截止频率和动态性能分析。
3.掌握利用matlab 对控制理论内容进行分析。
4.提高大家分析问题解决问题的能力。
二． 题目任务及要求题目1：已知单位负反馈系统被控制对象的开环传递函数()()10+=s s K s G 用串联校正的频率域方法对系统进行串联校正设计。
任务：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：（1）在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差rad e ss 151<； （2）系统校正后，相位裕量 45≥γ。
（3）截止频率s rad c /5.7≥ω。
设单位负反馈系统的开环传递函数为)1()(+=s s K s G用相应的频率域校正方法对系统进行校正设计，使系统满足如下动态和静态性能：(1) 相角裕度045≥γ；(2) 在单位斜坡输入下的稳态误差为1.0=sse ； (3) 系统的剪切频率wc <4.4rad/s 。
(4)模值余度h ≥10dBk=10;num1=[1];den1=conv([1 0],[1 1]); sys1=tf(k*num1,den1); figure(1);Margin(sys1);hold onfigure(2);sys=feedback(sys1,1) step(sys)Transfer function:10-------s^2 + s未校正前的Bode图未校正前的的阶跃响应曲线由图可以看出未经校正的Bode图及其性能指标，还有如图（-2）所示的未校正的系统的阶跃响应曲线。
由图（-1）可以看出系统的：模值稳定余度; h=∞dB; -pi穿越频率：Wg=∞dB；相角稳定余度为γ=180剪切频率：Wc=3.08rad/s；由图（-1）可以知道，系统校正前，相角稳定余度=18<45。
为满足要求，开环系剪切频率wc=3.08rad/s<4.4rad/s。
超前滞后校正课程设计
超前滞后校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解并掌握“超前滞后校正”的概念，了解其在控制系统中的应用。
2. 学生能够描述超前滞后校正对系统性能的影响，如稳定性、快速性和平稳性。
3. 学生能够运用数学工具分析超前滞后校正的设计方法和参数调整。
技能目标：1. 学生能够运用模拟软件进行超前滞后校正的设计和仿真。
2. 学生能够通过小组合作，解决与超前滞后校正相关的问题，并提出优化方案。
3. 学生能够运用图表、数据和文字，清晰、准确地表达校正前后的系统性能变化。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到学习自动控制原理在实际生活和工业中的重要性，增强学习兴趣。
2. 学生能够培养团队协作精神，学会倾听他人意见，尊重他人观点。
3. 学生能够树立正确的科学态度，勇于面对挑战，善于从失败中汲取教训，不断提高自身能力。
课程性质分析：本课程为自动控制原理的相关内容，通过讲解超前滞后校正，使学生了解控制系统性能优化的方法。
学生特点分析：学生具备一定的数学基础和控制理论基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：1. 结合实际案例，激发学生学习兴趣，注重理论与实践相结合。
2. 通过小组讨论、实验操作等形式，培养学生团队协作能力和实际操作能力。
3. 注重过程评价，关注学生在学习过程中的表现，及时给予指导和鼓励。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 理论知识：- 控制系统稳定性分析：回顾控制系统稳定性判据，如劳斯-赫尔维茨准则。
- 超前滞后校正原理：讲解超前滞后校正的概念、作用和分类。
- 校正参数设计：介绍超前滞后校正参数的设计方法，如根轨迹法、波特图法等。
2. 实践操作：- 软件仿真：使用MATLAB等软件，进行超前滞后校正的设计与仿真。
- 实验分析：通过实验设备，观察校正前后控制系统性能的变化，如阶跃响应、冲击响应等。
3. 教学案例：- 分析实际工业控制系统中应用超前滞后校正的案例，如电机转速控制、温度控制等。
自动控制原理MATLAB课程设计--滞后-超前校正
滞后-超前校正——课程设计一、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的分析、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、被控制对象的传递函数是m m 1m 2012mn sn 1n 2012nb s b s b s b ()a s a a s a G S ----+++⋯+=+++⋯＋（ｎ≥ｍ）２、参数ａ０，ａ１，ａ２，．．．ａｎ和ｂ０，ｂ１，ｂ２，．．．ｂｍ因小组而异。
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ＭＡＴＬＡＢ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ＭＡＬＡＢ用频率法对系统进行串联校正设计，使其满足给定的领域性能指标。
要求程序执行的结果中有校正装置传递函数和校正后系统开环传递函数，校正装置的参数Ｔ，α等的值。
已知开环传递函数为G(S)= 0(2)(40)k s s s ++,使用频率法设计串联滞后—超前校正装置，使系统的相角裕度大于等于40°，静态速度误差系数等于20。
校正前根据上式可化简G(S)= 00.0125(0.51)(0.0251)k s s s ++，所以公式G(S)=20(0.51)(0.0251)s s s ++,所以=1，则c w = 6.1310，相角裕度γ为9.3528。
控制系统的超前校正设计教材
控制系统的超前校正设计摘要：用MATLAB 进行控制系统的超前校正设计是对所学的自动控制原理的初步运用。
本课程设计先针对校正前系统的稳定性能，用MATLAB 画出其根轨迹、奈奎斯特曲线及伯德图进行分析，是否达到系统的要求，然后对校正装置进行参数的计算和选择，串联适当的超前校正装置。
最后用MATLAB 对校正前后的系统进行仿真分析，校正后的系统是否达到要求，并计算其时域性能指标。
关键词： 超前校正 根轨迹 伯德图 仿真1. 超前校正的原理和方法1.1超前校正的原理所谓校正，就是在调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标的情况下，加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，达到设计要求。
无源超前网络的电路如图1所示。
如果舒服信号源的内阻为零，输出端的负载阻抗视为无穷大，那么超前网络的传递函数可以表示为：1asa c s 1sT G T ++（）=………………………………………………(2-1) 上式中，122a 1R R R +=>， 1212R RT C R R =+……………………（2-3） 通常情况下，a 为分度系数，T 为时间常数，根据式（2-1），当我们采用无源超前网络进行串联校正的时候，整个系统的开环增益会下降a 倍，所以需要提高放大器的增益来进行补偿。
图1 无源超前网络电路图同时，根据上式，我们可以得到无源超前网络c a s G （）的对数频率特性。
超前网络对频率在1/aT 至1/T 之间的信号有这明显的微分作用，在该频率段内，输出信号相角比输入信号相角超前，这也即是超前校正网络名称的由来。
在最大超前角频率m ω处，具有最大超前角m ϕ。
超前网络的相角为：c arctga arctgT ϕωω-ω（）=T将上式对ω求导并且令其为零，得到最大超前角频率：m 1/ω=将上上式代入上式，得最大超前角：m a 1arcsin a 1ϕ-==+ ……………………………………（2-4）同时还容易得到m c ''ω=ω。
超前滞后校正课程设计
超前滞后校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解“超前滞后校正”的概念，掌握其在控制系统中的应用。
2. 学生能描述不同类型的超前滞后校正器的设计原理和特点。
3. 学生能运用数学工具分析并计算超前滞后校正器对系统性能的影响。
技能目标：1. 学生能够运用模拟或数字工具设计简单的超前滞后校正电路。
2. 学生能够通过实验或仿真软件评估校正前后控制系统的动态响应和稳定性。
3. 学生能够结合实际案例，分析和解释使用超前滞后校正的意义和效果。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对自动化和控制系统学科的兴趣，认识到其在现代技术中的重要性。
2. 学生能够通过小组合作和讨论，发展团队协作能力和问题解决的积极态度。
3. 学生能够在面对控制系统的设计和优化问题时，形成科学严谨、勇于创新的精神。
课程性质分析：本课程为自动化控制专业高年级学生设计，旨在深化学生对控制系统校正技术的理解，并通过实践提高学生解决实际问题的能力。
学生特点分析：高年级学生已具备一定的控制理论基础和实际操作技能，能快速接受新概念，并渴望将理论知识与实际应用相结合。
教学要求：1. 理论与实践相结合，注重学生动手能力的培养。
2. 引导学生主动探究，鼓励创新思维和批判性思维。
3. 以学生为中心，提供个性化学习路径，确保每位学生都能达到既定的学习成果。
二、教学内容本课程教学内容围绕“超前滞后校正”这一主题，参考教材相关章节，科学系统地组织以下内容：1. 超前滞后校正基础理论：- 控制系统校正的必要性- 超前滞后校正器的基本原理- 超前滞后校正器的数学模型2. 超前滞后校正器设计方法：- 校正器的设计步骤- 不同类型的超前滞后校正器参数计算- 校正器对系统性能的影响分析3. 实践应用与案例分析：- 超前滞后校正器在控制系统中的应用案例- 实验室或仿真软件实践操作- 控制系统性能评估方法教学大纲安排如下：第一周：控制系统校正概述，超前滞后校正基本理论第二周：超前滞后校正器设计方法，数学模型分析第三周：校正器参数计算，系统性能影响分析第四周：应用案例分析，实验室实践操作与讨论教学内容进度安排与教材章节紧密关联，确保学生能够循序渐进地掌握相关知识，同时注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
控制系统的超前校正设计说明书
课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 控制系统的超前校正设计初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是)3.01)(1.01()(s s s Ks G ++=要求系统的静态速度误差系数6≤v K ，45γ︒≥。
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） 用MATLAB 作出满足初始条件的K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。
（2） 在系统前向通路中插入一相位超前校正，确定校正网络的传递函数，并用MATLAB进行验证。
（3） 用MATLAB 画出未校正和已校正系统的根轨迹。
（4） 课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要随着社会不断进步，经济飞速发展，无论是工业还是其它产业对系统控制的要求越来越高。
当一个系统不满足要求时，就需要对这个系统进行校正。
本设计详细分析了超前校正网络参数的求取，整个过程中都有效的利用了MATLAB进行计算与验证。
最后对未校正系统与已校正系统的动态性能进行了分析对比。
关键词：系统、控制、校正、MATLAB目录1 超前校正的原理 (1)1.1 什么是校正 (1)1.2 超前校正的原理及方法 (1)1.2.1 超前校正的原理 (1)1.2.2 超前校正的应用方法 (2)2 控制系统的超前校正设计 (4)2.1 初始状态的分析 (4)2.2 超前校正分析及计算 (6)2.2.1 校正装置参数的选择和计算 (6)2.3未校正与已校正根轨迹 (9)2.3.1未校正系统根轨迹 (9)2.3.2已校正系统的根轨迹 (10)2.4校正对系统改变的分析 (11)3心得体会 (13)参考文献 (15)控制系统的超前校正设计1超前校正的原理1.1什么是校正所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，是系统整个特性发生变化。
控制系统的滞后-超前校正设计
课 程 设 计题 目: 控制系统的滞后－超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是)2)(1()(++=s s s Ks G要求系统的静态速度误差系数110v K S -≥，相角裕度 45≥γ。
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）用MATLAB画出满足初始条件的最小K值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相角裕度。
（2）前向通路中插入一相位滞后－超前校正，确定校正网络的传递函数。
（3）用MATLAB画出未校正和已校正系统的根轨迹。
（4）用Matlab画出已校正系统的单位阶跃响应曲线、求出超调量、峰值时间、调节时间及稳态误差。
（5）课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录 (I)摘要 (II)1设计题目和设计要求 (1)1.1题目 (1)1.2初始条件 (1)1.3设计要求 (1)1.4主要任务 (1)2设计原理 (2)2.1滞后-超前校正原理 (2)3设计方案 (4)3.1校正前系统分析 (4)3.1.1确定未校正系统的K值 (4)3.1.2未校正系统的伯德图和单位阶跃响应曲线和根轨迹 (4)3.1.3未校正系统的相角裕度和幅值裕度 (7)3.2方案选择 (7)4设计分析与计算 (8)4.1校正环节参数计算 (8)的确定 (8)4.1.1已校正系统截止频率ωcω的确定 (8)4.1.4校正环节滞后部分交接频率aω的确定 (8)4.1.1校正环节超前部分交接频率b4.2校正环节的传递函数 (8)4.3已校正系统传递函数 (9)5已校正系统的仿真波形及仿真程序 (10)5.1已校正系统的根轨迹 (10)5.2已校正系统的伯德图 (11)5.3已校正系统的单位阶跃响应曲线 (12)6结果分析 (13)7总结与体会 (14)参考文献 (14)本科生课程设计成绩评定表........................................ 错误！未定义书签。
滞后校正课程设计
滞后校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解滞后校正的基本概念，掌握其在控制系统中的应用。
2. 学会分析滞后现象对控制系统性能的影响。
3. 掌握滞后校正方法，并能运用相关理论知识解决实际问题。
技能目标：1. 能够运用所学的滞后校正方法，设计简单的控制系统校正装置。
2. 培养学生运用数学工具分析控制系统问题的能力。
3. 提高学生在团队协作中沟通、交流、解决问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对控制学科的兴趣和热爱，激发他们探索科学的精神。
2. 培养学生严谨、务实的学习态度，树立正确的价值观。
3. 增强学生的团队协作意识，培养合作共赢的观念。
课程性质分析：本课程属于控制学科领域，针对滞后校正这一重要知识点进行深入讲解。
课程旨在帮助学生掌握滞后校正的理论和方法，提高解决实际问题的能力。
学生特点分析：学生处于高年级阶段，已具备一定的控制学科基础，具有较强的逻辑思维能力和问题解决能力。
此阶段的学生对实际应用有较高的兴趣，注重理论知识与实践的结合。
教学要求：1. 结合课本内容，注重理论知识与实际应用的结合。
2. 通过案例分析和课堂讨论，引导学生主动思考，培养解决问题的能力。
3. 强化团队协作，提高学生的沟通与交流能力。
4. 注重学习成果的评估，确保学生达到预期目标。
二、教学内容本课程依据课程目标，结合教材相关章节，组织以下教学内容：1. 滞后现象的基本概念及分类- 滞后现象的定义与描述- 滞后的类型及特点2. 滞后现象对控制系统性能的影响- 系统稳定性分析- 系统动态性能分析- 系统稳态性能分析3. 滞后校正方法及其原理- 滞后校正的基本原理- 常见的滞后校正方法：如PID校正、smith预测等- 滞后校正参数的优化方法4. 滞后校正控制器的设计与应用- 校正控制器的设计步骤与方法- 案例分析：实际控制系统中的应用案例- 设计与仿真实验教学大纲安排如下：第一周：滞后现象的基本概念及分类第二周：滞后现象对控制系统性能的影响第三周：滞后校正方法及其原理第四周：滞后校正控制器的设计与应用（含案例分析及仿真实验）教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节，确保学生掌握滞后校正相关知识点，为后续的实际应用打下坚实基础。
滞后超前校正控制器的设计.doc
滞后超前校正控制器的设计。
《计算机控制》课程设计报告主题:滞后-超前校正控制器设计名称:胡志峰学生编号: 100230105 XXXX 7月12日《计算机控制》课程设计作业学生编号100230105 1002301班胡志峰导师任谦主题滞后-超前校正控制器设计时间XXXX 7月5日至7月12日XXXX共需完成1周的设计任务:设置单元反馈系统的开环传递函数采用模拟设计方法设计滞后-将单元反馈系统的开环传递函数设为，采用模拟设计方法设计滞后:(1)时间到时，稳态误差不大于1/126；(2)开环系统截止频率rad/s；(3)相位裕量。
方案设计:1.完成控制系统的分析和设计；2.选择元件并完成电路设计。
控制器采用MCS- (2)开环系统截止频率RAD/S；(3)相位裕量。
方案设计:1.完成控制系统的分析和设计；2.选择元件并完成电路设计。
控制器采用单片机:1。
控制系统的仿真和设计步骤应包括数字控制器的性能曲线、采样周期的选择、脉冲传递函数和差分方程。
2.元件选择、电路设计和Protel原理图；3.带有详细注释的软件流程图和源程序；4.设计总结和经验；5.列出参考资料。
讲师签名:系主任(教研室)签字:7月5日，XXXX首先，实验目的被延迟了-2。
元件选择、电路设计，并绘制Protel 原理图；3.带有详细注释的软件流程图和源程序；4.设计总结和经验；5.列出参考资料。
讲师签名:系主任(教研室)签字:7月5日，XXXX(1)实验完成滞后:(1)当时间合适时，稳态误差不超过1/126；(2)开环系统截止频率rad/s；(3)相位裕量。
第四，实验4.1的具体步骤相位滞后超前校正控制器的连续设计校正方案主要包括串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。
有两种主要方法来确定校准装置的结构和参数:分析和综合。
根据待校正系统的性能和给定的性能指标，分析方法首先选择合适的校正环节结构，然后利用校正方法确定校正环节的参数。
用解析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-(2)开环系统截止频率rad/s；(3)相位裕量。
18控制系统的滞后-超前校正设计
学号：课程设计用MATLAB进行控制系统的题目滞后－超前校正设计学院自动化专业自动化班级100...班姓名指导教师黄亮2012 年12 月23 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化100...班指导教师： 黄 亮 工作单位： 自动化学院题 目: 控制系统的滞后-超前校正设计 初始条件：已知一单位反馈系统的开环传递函数是()(1)(2)k G s s s s =++试设计校正装置使得系统的静态速度误差系数1-10秒=v K ，相位裕度50=γ，增益裕度B d 10h ≥。
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） 用MATLAB 作出满足初始条件的K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕度和相位裕度。
（2） 在系统前向通路中插入一校正网络，确定校正网络的传递函数，并用MATLAB进行验证。
（3） 用MATLAB 分析未校正和已校正系统的根轨迹，单位阶跃响应和单位斜坡响应。
（4） 课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB 程序和MATLAB 输出。
说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：任务时间（天）指导老师下达任务书，审题、查阅相关资料2 分析、计算 2 编写程序 1 撰写报告 2 论文答辩1指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。
其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。
函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。
在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。
在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。
MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。
函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
超前滞后控制器的校正
解： 1）按稳态误差要求， 确定开环增益K
L( )( dB )
80 60 40 20 0
[-20]
1
K 30
K v 30
29.5 5
[-40]
0.01 0.1 1 10
2）画出待校正系统的 对数频率特性曲线
30 G0 ( s) s(0.1s 1)(0.2s 1)
串联超前校正
应用：一般用于稳态精度基本满足要求，但动态性能较差的 系统。 基本原理：利用超前网络或PD控制器的相角超前特性。 关键技术：正确地将超前网络的交接频率1/αT和1/T选在待 校正系统截止频率的两旁，并适当选择参数α和T ，就可以 使已校正系统的截止频率和相角裕度满足性能指标的要求， 从而改善闭环系统的动态性能。
c ' '
1 2.7
5
10
c '
100
[-60]
L' ' (c ' ' ) 20lg L' (c ' ' ) 0
Gc (s)
( )()
0.01 0.1 1 10
0.09
0
G0 ( s) G (s)
100
1 0.1c ' ' T 1 T 41.15s 0.1c "
-90 -180 -270
''
'
4）验证已校正系统的 相角裕度和幅值裕度 是否满足要求
G( s) G0 ( s)Gc ( s)
L( )( dB )
80 60 40 20 0
3.7s 1 Gc ( s) Ts 1 41.15s 1
自动控制课程设计--控制系统超前校正
自动控制原理课程设计专业：班级：姓名：学号：指导教师：2013 年 01月 11日目录控制系统超前校正 (2)1.问题描述 (2)1.1设计目的 (2)1.2设计内容 (2)1.3超前校正及其特性 (2)1.4系统参数设计步骤 (4)2.校正系统设计 (5)2.1 控制系统的任务要求 (5)2.2校正前系统分析 (5)2.3 校正系统的设计与分析 (7)2.4 校正前后系统比较 (10)2.5 软件仿真 (11)2.6 硬件实验模拟电路 (13)2.7 部分分析题解答 (14)3. 课程设计总结 (15)参考文献 (16)控制系统超前校正1．问题描述1.1设计目的（1） 了解串联超前校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响；（2） 掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法；（3） 掌握串联超前校正装置的设计方法和参数调试技术；（4） 掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并用仿真技术验证校正环节理论设计的正确性。
（5） 掌握设计给定系统超前校正环节的方法，并模拟实验验证校正环节理论设计的正确性。
1.2设计内容已知单位反馈控制系统的开环传递函数为：()()()11o K G s s as bs =++ 设计超前校正装置，使校正后系统满足：11,,%%v c K cs ds e ωσ--=≥≤1.3超前校正及其特性超前校正就是在前向通道中串联传递函数为:()11()()1c C s aTs G s R s a Ts +==⋅+ （1-1） 通常 a 为分度系数,T 叫时间常数,由式(1-1)可知,采用无源超前网络进行串联校正 时,整个系统的开环增益要下降 a 倍,因此需要提高放大器增益交易补偿. 如果对无源超前网络传递函数的衰减由放大器增益所补偿，则1 ()1c aTs aG s Ts +=+ （1-2） 上式（1-2）称为超前校正装置的传递函数。
而无源超前校正网络的对数频率特性如图1-1。
图1-1 无源超前校正网络的对数频率特性超前校正RC 网络图如图1-2。
控制系统计算机仿真(matlab)实验五实验报告
实验五 控制系统计算机辅助设计一、实验目的学习借助MATLAB 软件进行控制系统计算机辅助设计的基本方法，具体包括超前校正器的设计，滞后校正器的设计、滞后－超前校正器的设计方法。
二、实验学时：4 学时 三、实验原理1、PID 控制器的设计PID 控制器的数学模型如公式（5-1）、（5-2）所示，它的三个特征参数是比例系数、积分时间常数（或积分系数）、微分时间常数（或微分系数），因此PID 控制器的设计就是确定PID 控制器的三个参数：比例系数、积分时间常数、微分时间常数。
Ziegler （齐格勒）和Nichols （尼克尔斯）于1942提出了PID 参数的经验整定公式。
其适用对象为带纯延迟的一节惯性环节，即：s e Ts Ks G τ-+=1)( 5-1式中，K 为比例系数、T 为惯性时间常数、τ为纯延迟时间常数。
在实际的工业过程中，大多数被控对象数学模型可近似为式（5-1）所示的带纯延迟的一阶惯性环节。
在获得被控对象的近似数学模型后，可通过时域或频域数据，根据表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式计算PID 参数。
表控制器的参数。
假定某被控对象的单位阶跃响应如图5-4所示。
如果单位阶跃响应曲线看起来近似一条S 形曲线，则可用Ziegler-Nichols 经验整定公式，否则，该公式不适用。
由S 形曲线可获取被控对象数学模型（如公式5-1所示）的比例系数K 、时间常数T 、纯延迟时间τ。
通过表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式进行整定。
如果被控对象不含有纯延迟环节，就不能够通过Ziegler-Nichols 时域整定公式进行PID 参数的整定，此时可求取被控对象的频域响应数据，通过表5-1 所示的Ziegler-Nichols 频域整定公式设计PID 参数。
如果被控对象含有纯延迟环节，可通过pade 命令将纯延迟环节近似为一个四阶传递函数模型，然后求取被控对象的频域响应数据，应用表5-1求取PID 控制器的参数。
计算机控制系统课程设计
计算机控制系统 课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解计算机控制系统的基本原理，掌握控制系统的数学模型及分析方法；2. 掌握计算机控制系统的设计流程，包括系统建模、控制器设计、仿真与优化；3. 了解不同类型计算机控制系统的应用场景及性能要求。
技能目标：1. 能够运用控制理论对简单的计算机控制系统进行建模和分析；2. 学会使用相关软件工具（如MATLAB/Simulink）进行控制系统的设计与仿真；3. 能够根据实际需求，设计简单的计算机控制系统，并进行性能评估。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制系统及自动化技术的兴趣，激发其探索精神；2. 培养学生的团队协作意识，使其在项目实践中学会相互沟通、协作；3. 培养学生的创新意识和实际操作能力，使其具备解决实际问题的自信心。
课程性质：本课程为实践性较强的学科，结合理论教学与实际操作，旨在培养学生的控制系统设计能力。
学生特点：学生具备一定的控制理论基础，但实际操作能力有待提高，对计算机控制系统设计具有好奇心和探索欲望。
教学要求：结合课本知识，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高其实际操作能力和创新能力。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 计算机控制系统基本原理- 控制系统概述- 计算机控制系统结构及特点- 控制系统性能指标2. 控制系统数学模型及分析方法- 线性系统数学模型- 非线性系统数学模型- 控制系统稳定性分析3. 计算机控制系统设计流程- 系统建模- 控制器设计方法（如PID控制、模糊控制等）- 仿真与优化4. 不同类型计算机控制系统应用- 工业控制系统- 机器人控制系统- 智能交通控制系统5. 控制系统设计实例分析- 简单控制系统设计实例- 复杂控制系统设计实例- 实际工程案例解析6. 软件工具应用- MATLAB/Simulink基本操作- 控制系统仿真与建模- 控制器参数优化教学内容安排和进度：第一周：计算机控制系统基本原理第二周：控制系统数学模型及分析方法第三周：计算机控制系统设计流程第四周：不同类型计算机控制系统应用第五周：控制系统设计实例分析及软件工具应用教材章节关联：教学内容与课本第1章至第5章内容紧密相关，涵盖控制系统基本概念、数学模型、设计方法、应用案例等，确保教学内容的科学性和系统性。
自控课设 用 MATLAB 进行控制系统滞后-超前校正设计
自动控制原理课程设计报告题目：用MATLAB 进行控制系统的滞后-超前校正设计班级：自动化1005班姓名：张吉宸学号： 0704100531 日期： 2012.12.30 指导老师：楼旭阳题目:用 MATLAB 进行控制系统的滞后-超前校正设计已知：已知一单位反馈系统的开环传递函数是()））（（10s 5s s s ++=KG要求系统的静态速度误差系数 K ≥ 100，γ ≥ 45º , w ≥ 8 。
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、分析超前网络或滞后网络是可行，如果不可行，说明原因。
2、MATLAB 作出满足初始条件的最小 K 值的系统伯德图，计算系统的幅值裕 量和相位裕量。
3、前向通路中加入滞后-超前校正，确定校正网络的传递函数。
4、用 MATLAB 画出校正前、后系统的根轨迹。
5、用 Matlab 对校正前后的系统进行仿真分析，画出阶跃响应曲线，并分 析动态性能。
6、课程设计说明书中要求写清楚计算分析的过程，列出 MATLAB 程序和 MATLAB 输出。
Ⅰ.设计原理滞后-超前校正设计原理滞后-超前校正RC 网络电路图如图所示。
下面推导它的传递函数：()()()()()2221121*********21111221111111)(s C R C R s C R C R C R s C R s C R sC R sC R sC R sC R s E s M s G c ++++++=++++==令21221121222111,,C R C R C R T T C R T C R T ++=+==λλ，则 ()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++++=s T s T s T s T s G cλλ21211111其中1T 为超前部分的参数，2T 为滞后部分。
对控制系统进行串联滞后-超前校正的基本原理是利用滞后-超前校正装置的滞后部分改善控制系统的稳态性能，同时利用其超前部分改善控制系统的动态性能。
计算机控制课程设计
《计算机控制》课程设计报告题目: 滞后校正控制器设计姓名: 学号: 姓名: 学号: 姓名: 学号: 姓名: 学号:2011年6月30日目录一、设计目的： (4)二、设计方法与步骤： (4)1.基于MATLAB用频率法对系统进行串联校正设计 (4)3.校正后系统的单位斜坡响应曲线 (8)三、单片机程序： (9)四、P ROTEL硬件原理图 (13)五、心得体会 (15)六、参考文献 (15)《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2011年6 月25 日一、 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、 掌握对系统进行离散化的方法。
5、 通过对系统的滞后校正加深对系统校正的方法的理解。
6、 提高分析问题解决问题的能力。
二、 设计方法与步骤：1.基于MATLAB 用频率法对系统进行串联校正设计1.1设计原理及步骤所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。
系统校正的常用方法是附加校正装置。
按校正装置在系统中的位置不同，系统校正分为串联校正、反馈校正和复合校正。
按校正装置的特性不同，又可分为超前校正、滞后校正和滞后-超前校正、PID 校正。
滞后校正装置的传递函数为: 1()(1)1c Ts G s Ts +=β>β+ （1-1） 它提供一个负实轴上的零点1/c z T =-和一个负实轴上的极点1/c p T =-β。
零、极点之间的距离由β值决定。
由于β>1，所以Gc （s ）的转折频率11/W T =β，21/W T =，且W1在W2的左侧，所以校正装置对于原系统的相角会产生先拉低，再提高的现象。
同时，由于W1<W2,所以在W1处产生的滞后相角会始终大于在W2处产生的超前相角，两者在∞处达到相等所研究的系统为最小相位单位反馈系统，则采用频域法设计串联无源滞后网络的步骤如下：1.2 校正前系统参数确定1）根据系统稳定要求选取开环增益。
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计算机控制系统课程设计--超前滞后矫正控制器设计《计算机控制》课程设计报告题目: 超前滞后矫正控制器设计姓名:学号: 10级自动化2013年12月2日《计算机控制》课程设计任务书学号班级学生指导教师题目超前滞后矫正控制器设计设计时间2013年 11 月 25 日至 2013 年12 月 2 日共 1 周设计要求设计任务：（按照所选题目内容填写）13．超前滞后校正设计设单位反馈系统的开环传递函数为100()(0.11)(0.011)G ss s s=++，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。
方案设计：1.完成控制系统的分析、设计；2.选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图；3.编程实现单片机上的控制算法。
报告内容:1.控制系统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；2.元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；3.软件流程图，以及含有详细注释的源程序；4.设计工作总结及心得体会；5.列出所查阅的参考资料。
指导教师签字：系（教研室）主任签字：213年11月25日1.控制系统分析和设计 1.1实验要求设单位反馈系统的开环传递函数为)101.0)(11.0(100)(++=s s s s G ，采用模拟设计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。
1.2系统分析（1）使系统满足速度误差系数的要求:()()s 0s 0100lim ()lim1000.1s 10.011V K s G s s →→=•==++(2)用MATLAB 画出100()(0.11)(0.011)G s s s s =++的Bode 图为：-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s)Frequency (rad/s)由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=︒， 幅值裕度00.828g KdB dB=,剪切频率为：030.1/c rad s ω=， 截止频率为031.6/g rad sω=（3）未校正系统的阶跃响应曲线0.20.40.60.811.21.41.61.82Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e可以看出系统产生衰减震荡。
（4）性能分析及方法选择系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。
在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。
如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。
故使用超前滞后校正。
1.3模拟控制器设计（1）确定剪切频率c ωc ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。
首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g rad sω=，令30/c g rad sωω==。
（2）确定滞后校正的参数22113/10c rad s T ωω===, 20.33Ts=,并且取得10β=112110.33/rad s T T ωβ===, 13T s =则滞后校正的控制器为10.331()31c s Gs s +=+此时系统的响应曲线为：-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )10101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 16.9 dB (at 26.5 rad/s) , P m = 26.9 deg (at 8.73 rad/s)Frequency (rad/s)滞后校正后的性能参数为： 相角裕度 026.9γ=︒， 幅值裕度 016.9g KdB dB=,剪切频率为：08.73/c rad s ω=， 截止频率为026.5/g rad s ω=系统仍需要进行超前校正 （3）确定超前校正的参数在图中过（c ω，0dB ）作-20dB/dec 线，与原先的Bode 相交，交点的角频率为：3313/rad s T ω==, 30.3Ts=443130/rad s T T βω===,40.03Ts =超前矫正控制器的传递函数为：20.31()0.031c s Gs s +=+（4）超前滞后校正同时作用时系统的Bode 图：-150-100-50050100M a g n i t u d e (d B )10101010101010P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 13.5 dB (at 62.1 rad/s) , Pm = 48.4 deg (at 24.4 rad/s)Frequency (rad/s)相角裕度 048.4γ=︒， 幅值裕度 013.5g KdB dB=,剪切频率为：024.4/c rad s ω=， 截止频率为062.1/g rad s ω=校正后的系统性能已经满足了性能指标要求。
(5)画出校正后系统的阶跃响应曲线0.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e（6）设计好的控制器传递函数为：(0.331)(0.31)()(31)(0.031)c s s G s s s ++=++1.4用模拟法设计数字控制器（1）模拟控制器离散化采用双线性变换法。
（2）采样周期选择取采样周期T=0.01s,因为考虑到A/D ，D/A 转换的时间以及单片机计算的时间，采样时间不能选的太小，但是为了保证离散控制器的控制仍能满足性能指标的要求，采样时间不能取得太大。
取采样周期为10ms,给程序运行留下了足够的时间，而且由后面可见控制效果仍满足性能指标要求，所以取采样周期为10ms 。
（3）将模拟控制器离散化离散化后得脉冲函数为：220.9715 1.8820.9116() 1.7110.7119c z z G z z z -+=-+(4)被控对象离散化离散化的被控对象为：2320.012870.039840.007441() 2.273 1.6060.3329p z z G z z z z ++=-+-（5）绘制出离散系统的Bode 图-50050100M a g n i t u d e (d B )101010101010-360-270-180-90P h a s e (d e g )Bode DiagramGm = 9.11 dB (at 47.7 rad/s) , P m = 41.3 deg (at 24.4 rad/s)Frequency (rad/s)相角裕度 041.3γ=︒， 幅值裕度 09.11g KdB dB=,剪切频率为：024.4/c rad s ω=， 截止频率为041.3/g rad s ω=离散化的控制器仍旧满足性能指标的要求，设计合理。
(6)离散系统的阶跃响应曲线：0.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (seconds)A m p l i t u d e（6）数字控制器的脉冲传递函数：220.9715 1.8820.9116() 1.7110.7119c z z G z z z -+=-+1.5控制系统的编排结构（1）编排结构的选择如果使用直接型编排结构，如果控制器中任一系数存在误差，则将使控制器所有的零极点产生响应的变化，严重影响系统的性能。
在控制器设计时采用了超前滞后校正，所以采用串联型结构比较简单，而且任何一系数有误差，不会使控制器所有的零极点产生相应的变化。
因为()c G z 有复数零点，故可以写成12121 1.9370.9383()0.9715*1 1.7110.7119c z z G z z z -----+=-+（2）转换为差分方程的形式：0.9715可以通过一个比例环节实现，可以不用考虑。
只需在设计好的控制器上加个比例因子即可。
u()() 1.937(1)0.9383(2) 1.711(1)0.7119(2)k e k e k e k u k u k =--+-+---2.硬件电路设计 2．1元器件选择(1)控制器选择选择8051单片机，外接晶振为2MHz. (2)A/D 选择选择ADC0809,该AD 有8路输入通道，8位A/D 转换器，分辨率为8位，转换时间为100s μ，（时钟为640KHz 时），130s μ（时钟为500KHz 时）；单个+5V 供电，模拟输入电压范围为0到5V,不需要零点和满课度校准；内部没有时钟，所以需要外接时钟，时钟从单片机的ALE 引脚引出。
在经过两个D 触发器分频，从而达到500KHz 的时钟信号。
D 触发器选择74LS174。
A/D 转换时间为130s μ，应该能满足设计的要求。
(3)D/A 选择选择DAC0832，分辨率为8位；可单缓冲，双缓冲或者直接数字输入；只需要在满量程下调整线性度；单一电源供电+5V到+15V;可以满足设计的要求。
输出电压值为：82refout D VU* =-2.2电路的设计（1）A/D转换电路的设计将AD转换的ADDA,ADDB,ADDC接地，选择IN0锁存器。
EOC接P2.2,转换结束则输出1，否则输出为0；OE接P2.1，选择是否输出数据。
OE=0,输出高阻态，OE=1输出数字量；ST接P2.0,转化开始信号。
由1变零转换开始；IN0接输入的模拟数据e(t);IN1-IN7悬空；Clock接分频器SUN7474的输出端，输入500HZ时钟信号；Vref(+)接+5V,Vreft(-)接地，VCC接电源,GND接地；ALE地址所存，上跳沿所存，可以接在P2.O口。
D0-D7接单片机的P1.0-P1.7;(2)D/A转换电路设计D0-D7接单片机的P0.0-P0.7，数字量输入；将CS，WR1,WR2,XFER,引脚接地；ILE引脚接+5V,Vref选择+5V,GND接地；此时DAC0832处于直通工作方式，一旦有数字量输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。
（3）8051单片机的电路设计：P0.0-P0.7接D/A转换数字输入端；P1.0-P1.7接A/D转化数字输出端；P2.0接A/D转换ST端；P2.1接A/D转换OE端；P2.2接A/D转换EOC端；外接2MHZ的时钟电路输入到时钟端XTAL1,XTAL2;外接复位电路到RET；2.2硬件电路图V c c20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb 9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE 19WR218C S 1WR12Xfer17U3DAC0832IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A 25IN-64ADD-B 24ADD-C 23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE 9START 6ref(+)12CLOCK 10U1ADC0809542312U4A CA139GNDGNDVCCEA/VP 31X119X218RESET 9R D 17WR 16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P 30TXD 11RXD 10U28051A8A7ST A6A5A4CLOCKA3A2EOCA1A8OE A7A6A5A4ST A3OE A2EOC A1NetLabel28D1D2D3D4D5D6D7D8D1D2D3D4D5D6D7D8GNDGNDVCCGNDintputou tp utR 1R 2S1SW -PBC 1VCCGNDY12MHzC 2C 3GNDALE VCCQ12Q25Q37Q410Q512Q615D13D24D36D411D513D614CLK 9MR 1U?74LS174GNDALEVCCCLOCK3.用单片机实现控制算法 3.1流程图开始初始化开定时器N计时时间到10msY启动A/D转换N转换结束Y读AD计算u(k)D/A转换等待下次中断(2)程序编写#include<reg51.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit ST=P2^0;sbit OE=P2^1;sbit EOC=P2^2; //A/D转换结束标志位void main(){float uk_1=0.0;float uk=0.0;float ek=0.0;float ek_1=0.0;//初始化float ek_2;float uk_2;ST=0;OE=0; //输出高阻态/*定时器中断初始化*/TMOD|=0XF9;// 设置T1工作在方式1，16位定时器方式TH1=0x7E;TL1=0xE0; //装初值，定时10msEA=1;//开总中断ET1=1;//开T1中断TR1=1;//启动定时器1while(1){if(EOC==1){uk_2=uk_1;ek_2=ek_2;uk_1=uk;ek_1=ek;OE=1;//输出转换数据ek=P1;//给单片机输入数据OE=0 ; //输出高阻态}uk=ek-1.937*ek_1+0.9383*ek_2+1.711*uk_1-0 .7119*uk_2; //差分方程P0=(uchar)uk;//数据输入到D/A转换器while (EOC==0) ;//等待A/D转换结束}}/*************定时器中断处理************/void time(void) interrupt 1 using 1{ TH1=0XF9;TL1=0x7E;//重装初值ST=1;ST=0;//开始下一次转换数据}4．设计总结与体会4.1设计过程总结：（1）首先用自动控制原理的知识，设计出满足要求的超前滞后校正控制器。