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。
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 自动控制原理课程设计
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）。
(完成)自动控制理论课程设计
《自动控制原理课程设计》一、课程设计意义1．学习和掌握典型高阶系统动静态性能指标的测试方法。
2．分析典型高阶系统参数对系统稳定性和动静态性能的影响。
3．掌握典型系统的电路模拟和数字仿真研究方法。
二、课程设计的主要内容:已知典型三阶系统的结构方框图如图1所示：其开环传递函数为)1)(1()(21021++=S T S T S T K K S G ，本实验在此开环传递函数基础上做如下实验内容：1．典型三阶系统电路模拟研究； 2．典型三阶系统数字仿真研究；3．分析比较电路模拟和数字仿真研究结果。
三、设计的模拟电路及仿真研究结果图1 典型三阶系统结构方框图图1 典型三阶系统的结构方框图上图为典型三阶系统的模拟电路图，其中系统开环传递函数为12120120121()(1)*()*()*()11(1)(1)K K K K G S T S T S T S T S T S T S =----=++++，T 0=10u *100k =1S ；T 1=1u *100k =0.1S ；T 2=1u *500k =0.5S ；K 1=100k/100k =1；K 2=500/R x ；即)15.0)(11.0()1)(1()(21021++=++=S S S KS T S T S T K K S G 其中，K =500/R x ，R x 的单位为k Ω。
系统特征方程为321220200s s s K +++=，根据劳斯判据得到：当0<K <12时， 系统稳定；当K =12时，系统临界稳定，作等幅振荡；当K >12时，系统不稳定。
1、当K >12时,即滑动变阻R x <42K Ω时，由模拟电路得到：从左图可以明显 看出输出量随着 时间的推移越加 振荡偏离输入量， 故系统不稳定。
典型三阶系统（不稳定）的阶跃响应图2、当K =12时，即滑动变阻R x =42K Ω时，得：左图显示了输出量 围绕输入来回等幅 振荡。
重庆大学城市科技学院自动控制原理课程设计
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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。
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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
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。
重庆大学自动化计控课程设计(初稿)
计算机控制技术基础课程设计设计题目：方波信号发生器频率漂移及跟踪校正控制（采用Proteus仿真软件）学院、专业：自动化学院自动化专业年级：2008级小组人数：4人下发日期：2011年9月19日重庆大学自动化学院二O一一年九月重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书课程设计题目方波信号发生器频率漂移及跟踪校正控制（采用Proteus仿真软件）学院自动化学院专业自动化专业年级2008（1）已知参数和设计要求1）用单片机产生一个一定频率的方波；在按下漂移按键后人为给一个频率漂移；在按下频率控制按键后PID控制发挥作用并纠正频率漂移。
2）要求能实时显示（LED或LCD）频率值。
3）要求在10秒内PID算法纠正频率漂移。
（2）实现方法采用Proteus仿真软件实现（限≤4人选做）学生应完成的工作：1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；在Proteus仿真平台上进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。
分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。
2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成方波信号发生器频率漂移及跟踪校正控制的程序设计（如：系统初始化；主程序；A/D转换；D/A转换；标度变换；显示与键盘管理；控制算法；输出等）。
3）对设计控制系统进行系统联调。
4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容（包括设计总体思路、设计步骤、原理分析和相关知识的引用等）、总结、各组员心得体会、参考书及附录（包括系统框图、程序流程图、电原理图和程序原代码）】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。
目前资料收集情况（含指定参考资料）：《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社课程设计的工作计划：（1）2011年9月19日熟悉设计任务和要求。
《自动控制原理》课程设计报告
《自动控制原理》课程设计报告《自动控制原理》课程设计（理工类）课程名称：自动控制原理专业班级： 08自动化（1）班学生学号： 0804110601 学生姓名：丁丽华所属院部：机电工程学院指导教师：陈丽换2021 ——2021 学年第二学期金陵科技学院教务处制金陵科技学院《自动控制原理》课程设计任务书课程序号 32 课程编号04184500实践序号 10 设计名称自动控制原理课程设计适用年级、专业 08自动化时间 1 周一、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被控制对象的传递函数为G(S)?K0S(S?1)(S?2)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。
设计题目: G(S)?K0，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置，使系统S(S?1)(S?2)0的相角裕量??45，静态速度误差系数Kv?10s?1,截止频率不低于1.5rads设计步骤：1、静态速度误差系数Kv?10s?1，即当S—>0时，G(S)?即被控对象的开环传递函数：G(S)=K0=10，解得K0=20s-1。
S(S?1)(S?2)20。
S(S?1)(S?2)2、滞后校正器的传递函数为：GC1(S)=1?bTS1?TS根据题目要求，取校正后系统的截止频率WC=1.5rad/s,先试取b=0.105，编写求滞后校正器的传递函数的MATLAB的程序如下：wc=1.5;k0=20;n1=1; d1=conv(conv([1 0],[1 1]),[1 2]);b=0.105;T=1/(0.1*wc); B=b*T;Gc1=tf([B 1],[T 1])将程序输入MATLAB mand Window后，并按回车，mand Window出现如下代数式：6.667s?163.33s?1由式可知：b=0.105,T=63.33。
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
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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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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。
通过对直线一级倒立摆系统的研究，不仅可以轻松解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、数学和电学（含计算机）有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。
倒立摆系统的控制策略和杂技运动员顶杆平衡表演的技巧有异曲同工之处，极富趣味性，而且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等，都可以通过倒立摆系统实验直观的表现出来。
学习自动控制理论的学生通过倒立摆系统实验来验证所学的控制理论和算法。
下面几幅图是生活中常见的倒立摆实例：1.数学建模1.1直线一级倒立摆数学模型概述直线一级倒立摆由直线运动模块和一级摆体组件组成，是最常见的倒立摆之一。
系统的建模可分为两种：机理建模和实验建模。
机理建模就是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学等学科的知识和数学手段建立起系统内部变量、输入变量以及输出变量之间的数学关系。
而实验建模是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入－输出关系。
对于倒立摆系统，由于其本身是自不稳定的系统，实验建模存在一定的困难。
因此，本文采用机理模型对直线一级倒立摆进行建模分析。
1.2直线一级倒立摆的物理模型若忽略空气阻力和各种摩擦力，可将直线一级倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，其受力情况如图1所示。
图1若将小车和摆杆分别进行受力分析，则可得到两者的受力分析图，如图2和图3所示。
根据牛顿力学，建立起小车和摆杆的运动方程，进而得到小车各种传递函数。
图2（小车受力分析）图3（摆杆受力分析）工程符号实际含义 数值 单位 M 小车质量 1.096 kg m 摆杆质量 0.109 kg b 小车摩擦系数 0.1 N/m/secl 摆杆转动轴到质心长度0.25 m I 摆杆惯量 0.0034 kg.m2 F 小车受到的外力 变量 N x 小车的位置变量 m φ 摆杆与垂直向上方向的夹角 变量 rad N 摆杆与小车在水平方向的相互作用力变量 N θ 摆杆与垂直向下方向的夹角 变量 rad P摆杆与小车在竖直方向的相互作用力变量N表<一> 倒立摆数学模型符号说明1.2.1小车受力分析小车水平方向的合力：（1-1）摆杆水平方向的合力 ： （1-2）摆杆水平方向的运动方程 ：N x b F x M --= )sin (22θl x dtd m N +=θθθθsin cos 2 ml ml x m -+=（1-3）1.2.2摆杆受力分析 摆杆力矩平衡方程：（1-4） （注：因θφθφφπθsin sin ,cos cos ,-=-=+=，所以等式前面有负号）摆杆垂直方向的合力：（1-5）摆杆垂直方向的运动方程：（1-6）水平方向的运动方程：（1-7）垂直方向的运动方程：（1-8）用u 来代表被控对象的输入力F ，线性化后，两个运动方程如下其中：（1-9）（1-10）摆杆角度和小车位移的传递函数：（1-11）摆杆角度和小车加速之间的传递函数：（1-12）摆杆角度和小车所受外界作用力的传递函数：F ml ml x b x m M =-+++θθθθsin cos )(2 sin cos Pl Nl I θθθ--=222(cos )sin cos d P mg m l ml ml dtθθθθθ-==--θθθcos sin )(2x ml mgl ml I -=++F ml ml x b x m M =-+++θθθθsin cos )(2 θθθcos sin )(2xml mgl ml I -=++φπθ+=xml mgl ml I =-+φφ)(2u ml x b xm M =-++φ )(mgl s ml I mls s X s -+=Φ222)()()(22()()()s mlA s I ml s mgl Φ=+-sqbmgl s q mgl m M s q ml I b s s qml s U s -+-++=Φ23242)()()()(其中 （1-14）1.3系统实际模型将表一中的实际参数代入，可得到系统的实际模型： 实际参数如下：M=1.096Kg m=0.109Kg b=0.1N/m/sec l=0.25m I=0.0034 kg ·m2 摆杆角度对于小车位移的传递函数：（1-15）摆杆角度对于小车加速度的传递函数：（1-16） 摆杆角度对于小车所受外界作用力的传递函数：（1-17）小车位移对于小车加速度的传递函数： （1-18）2 开环响应分析数学模型建立好之后，我们得到摆杆角度对于小车加速度的传递函数式（1-16）和小车位移对于小车加速度的传递函数式（1-18）。
当输入为小车加速度时，利用MATLAB 的Simulink 仿真工具进行仿真，可得到原系统的开环传递阶跃响应曲线和脉冲响应曲线。
仿真系统的结构如图4.])())([(22ml ml I m M q -++=26705.00102125.002725.0)()(22-=Φs s s X s 2()0.02725()0.01021250.26705s A s s Φ=-30942.29169.270883167.035655.2)()(23--+=Φs s ss U s 21)()(s s V s X =从以上4幅响应曲线可知，当输入为小车加速度时，摆杆角度和小车位置的阶跃响应和脉冲响应都是发散的，系统是不稳定的。
下面对以小车加速度为输入，以摆杆角度为输出的系统，对开环传递函数26705.00102125.002725.0)()(2-=Φs s V s 设计校正装置，使系统稳定并具有符合条件的良好的性能指标。
3 频率特性法3.1 频率响应分析经过前面的模型建立，得到实际系统的开环传递函数为：其中输入为小车的加速度V (s )，输出为摆杆的角度Φ(s )。
2()0.02725()0.01021250.26705s A s s Φ=-题目要求：利用频率特性法设计控制器，使得校正后系统的性能指标满足：(1)系统的静态位置误差常数为10；(2)相位裕量为50 ；(3)增益裕量等于或大于10 分贝。
利用MATLAB 绘制原系统的Margin (Bode)图（图9）。
s=tf('s');G0=0.02725/(0.0102125*s^2-0.26705);Margin(G0);grid on图9利用MATLAB 绘制原系统的Nyquist图(图10)。
s=tf('s');G=0.02725/(0.0102125*s^2-0.26705);figure;Nyquist(G);图10由图10可以看出，系统没有零点，但存在两个极点，其中一个极点位于右半平面。
根据奈奎斯特稳定判据可知系统不稳定，需要设计控制器来校正系统。
3.2 频率响应设计直线一级倒立摆的频率响应设计可以表示为如下问题： 考虑一个单位负反馈系统，其开环传递函数为式（1-16）：2()0.02725()()0.01021250.26705s G s V s s Φ==-设计控制器()c G s ，使得系统的静态位置误差常数为10，相位裕量为50度，增裕量等于或大于10 分贝。
根据要求，控制器设计如下：1)选择控制器上面我们已经得到了系统的Bode 图，可以看出，在中频段，Bode 图是以-20的斜率穿过零分贝轴，因此给系统增加一个超前校正就可以满足设计要求，设超前校正装置为：（3-1）则已校正系统具有开环传递函数Gc (s )G (s )令：120.02725*()()0.01021250.26705KG s KG s s ==- （3-2）式（3-2）中*c K K α=2) 根据稳态误差要求计算增益K1026705.0-s 0102125.002725.01s 1s lim 20=++=→T T K Kp s ）（α （3-3） 所以K 98=于是： 120.02725*98()0.01021250.26705G s s =-3) 在MATLAB 中画出1()G s 的Bode 图(图11)：s=tf('s');G0=98*0.02725/(0.0102125*s^2-0.26705);11)(Gc ++=TS TS Ks αMargin(G0); grid on图11由图11可以看出，系统的相角裕量为0°，根据设计要求，系统的相角裕量为50°，因此需要增加的相角为50°，增加超前校正装置会改变Bode 图的幅值曲线，开环截止频率会增加，因此必须对开环截止频率增加所造成的相位滞后增量进行补偿，实际需要增加的相角裕量m ϕ为55°。