控制系统的设计与实施
教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2）
文档内容：控制系统的设计与实施
章节：第四单元控制与设计第四节控制系统的设计与实施
课时：共3课时
作者：根据南京五中刘建明教学设计改编
一、教学目标
1. 了解简单的被控对象的基本特性。
2. 能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图。
3. 形成初步的控制系统设计的方案。
4. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；学会调试运行，提出改进方案。
二、教学重点
设计一个控制系统应明确的问题；对控制系统的基本要求；控制系统设计的思想方法。
三、教学难点
设计一个控制系统应明确的问题的分析；控制系统设计思想方法。
四、教学方法
讨论法、案例教学法、模型教学法、实践教学法。
五、设计思想
1.教材分析
本节教材由“1.控制系统的设计一般思路”、“2.控制系统的设计与实施案例”2小节组成。
教材先对控制系统的设计一般思路作了一般介绍，然后通过开环控制系统和简单闭环控制系统的三个
案例的分析（电吹风控制系统的设计、抽水马桶自动控制系统的设计、自动升旗简易控制系统的设计），对这一中心内容进行了深入的阐释。
教材这样的结构说明，在这一节的教学中，要让学生在针对实际问题进行控制设计的实践中去领会控制系统设计的一般方法。
突出主要问题：进行控制系统设计时，最主要的是明确控制对象，明确控制目的，分析控制对象的特性，确定被控量和控制量，分析主要的干扰因素，构思设计方案。
(1)从流程的角度看，上述各项的次序也是控制系统设计的基本步骤。
(2)通过列举一些实例，引导学生思考上述基本步骤。从而理解相关的主要问题。
2.学情分析
学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验和生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。
课时安排
本节总计3课时。
第1课时，讲授控制系统设计的一般思路，分析开环、闭环控制的案例。
第2课时加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。
第3课时，评价和总结。
六、教学准备
为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一只。自动升旗简易控制装置模型。
七、教学过程
第1课时:
引入新课：
要设计一种自动开关的节能灯控制系统，如何展开我们的设计思路？需要从哪些方面着手考虑问题呢？
先让学生自由讨论、发表看法，教师再依据学生的回答给予引导、点拨，再引导学生去归纳这个具体问题中所包含的一般原理。
提问：
被控对象是什么？
控制的目的是什么？
这种灯用在什么地方？环境怎样？
这样的灯应如何工作？被控量和控制量分别是什么？
有什么其他因素会干扰灯的正常工作？
依据你的判断，能提出一种设计方案吗？
1.控制系统设计的一般思路：
针对教材中两个关于开环、闭环控制系统设计的案例，要引导学生去应用控制系统设计的一般原理去认真分析。为配合课堂教学，应准备下列模型和教具：一只电吹风，抽水马桶可透视模型。演示温度计一
只。
案例：电吹风风速控制
（1）被控对象是什么？
（2）控制目的是什么？
（3）被控量是什么？控制量是什么？
（4）需要哪些零部件组成控制系统？
（5）有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作？影响的程度有多大？
（6）你认为，控制系统各部件的设计还与什么有关?
（还与结构设计有关）
⑴开环控制系统的设计：明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量，即可考虑控制系统的方
案；
【演示试验】电吹风控制系统的设计（图：教材中的电吹风图片）
设计要求：电吹风能根据不同的挡位（如冷风挡、热风挡）输出不同种类的风。
设计分析：电吹风控制系统的被控对象是电吹风装置，被控量是风的速度和温度，控制量是电机电压，干扰因素是房间温度、电源电压的波动等。
电吹风分控制工作过程：电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。
方案构思：
选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。
设定风的挡位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。
试验过程：
1.画出电吹风的电路设计图；
2.选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程；
3.知识延伸：如果设定了热风挡之后又需要分强风挡和弱风挡如何进行设计。
案例：抽水马桶
观察模型的演示，阅读教材，陈述其工作过程。提出下列问题：
（1）被控对象是什么？
（2）控制目的是什么？
（3）被控量是什么？控制量是什么？
（4）为什么采用闭环控制方式？
（5）被控量与控制量之间是如何实现反馈的？
（6）如果要节约用水，减少水箱每次冲水量，你能设计哪几种方案？
⑵ 闭环控制系统：不同闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求不一样。
① 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
② 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。
③ 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
案例分析：抽水马桶水箱的自动控制系统的设计
设计项目：抽水马桶水箱的自动控制系统
设定电吹风的挡位
（输入） 风的速度和温度 （输出）
设计要求：
1、当水箱中的水位低与某一指定的高度时，进水口立即进水。
2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时，进水口立即停止进水。
3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别的要求。
设计分析：
1.从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
2.被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（即进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈曲线关系。
3.主要干扰因素水水箱的流水量。
方案构思：采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱中的水位高与某一指定的高度时，水位差为零，进水阀关闭。
水箱水位的控制过程：
拨动冲水旋扭，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。
课堂小结：
一、控制系统设计的一般思路
系统要达到的目标？
控制的对象？
被控对象的特性？
被控量和控制量？
给定水位
水位
外界的主要干扰因素？
怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？
设备和元件？
1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求和条件的可行性而定
2.找出控制系统的干扰因素，并分清主次，找出最大的干扰因素
3.要确定控制量和被控量
4.执行器和检测装置的选择: 一是要根据控制量和被控量的需求，二是根据控制条件
总之，控制系统设计需满足的基本条件:
能达到控制的目的
采用易于实现的方式
降低控制成本
减少对环境的负面影响
教学资料：
1.控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展。
2.控制的分类：
（1）从控制过程中人工干预的情形来分：人工控制、自动控制；
（2）按照执行部件的不同来分：机械控制、气动控制、液压控制、电子控制等。
3.控制系统：
（1）控制系统的含义：任何一个控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节就构成了一个系统。
（2）控制系统的分类：由于控制的方式不同，自动控制又有：开环控制系统和闭环控制系统之分。
4.开环控制系统：
（1）开环控制系统含义：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
（2）控制系统方框图：在控制系统中，为了分析的方便，常采用方框来表示系统的环节，用单向信号线表示系统信号传递的方向，它表示了系统的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的关系。
（3）开环控制系统的方框图：
5.闭环控制系统：
（1）闭环控制系统含义：我们把系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
（2）闭环控制系统方框图：
6.干扰因素：在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
7.反馈的涵义：控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回输入端与输入量进行比较的过程。
8.开环控制系统与闭环控制系统的比较：
① 开环控制系统：控制精度相对比较低，结构简单，适用与控制精度要求不高而系统本身元件又比较稳定的场合。
② 闭环控制系统：控制精度高，结构相对复杂，构成控制系统的成本较高，适用与要求高精度和高可靠性的场合。
9.不同闭环控制系统设计的基本要求：
① 一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。
② 控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之内。
③ 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
控制量 输入量
输出量
输入量
输出量 ＋
第2课时：自动升旗简易控制装置的设计与实施。
加2个课外课时，实施控制系统设计的实践。
事实上，这个案例是在教材P112案例所述一般原理基础上，一个具体实施案例。我们不妨进一步向学生提出：除了教材上这样的控制方案，你们还能提出与教材不同的控制方案吗？这样的问题对学生来说是具有挑战性的。
一个值得注意的问题：自动控制一定是闭环控制吗？闭环控制一定是自动控制吗？
闹钟自动控制系统就不是闭环控制系统。
闭环控制系统设计的基本要求
系统必须是稳定性的；（抗干扰性）
达到所需的控制精度；
各个环节的设计科学合理。
自动升旗简易控制装置的设计与实施。
（1）明确设计的要求，明确控制系统设计所要达到的目标。
（2）提出多个设计方案，进行分析、权衡、比较，确定一个相对较好方案。
（3）动手安装、调试升旗控制系统
（4）撰写试验报告，自我评价和小结
1.自动升旗简易装置的设计
设计要求：
(1)在国歌播放的时间内，控制国旗匀速上升到旗杆的顶端；
(2)选择恰当的控制方案实现控制；
(3)选用成本低、易于获取的元件、设备和材料制作模型。
设计分析：
(1)采用开环控制系统，被控对象是国旗，被控量是上升的速度，控制量是电动机的转动与停止（或
速度）
开环控制系统的方框图：
(2)这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的装置共同组成；
(3)计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种方案，例如，采用机械定时器和电动机实现，采用
成品电子定时器和电动机实现，采用自制电子定时器和带可调速电路的电动机实现，采用音频信号、触发电路和电动机实现。
(4)采用任何一种方案实现，都要经过若干次调试，直到符合设计要求为止。
设计准备：
机械定时器（或电子定时器、自制电子定时器、CD 唱机），旗杆，滑轮，卷筒，变速齿轮箱，电动机调速器，直流电源。
设计方案A ：
1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开关。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动机械定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.为使系统在非正常状态下保证旗帜的升降，还需要在电路中并联一个手动开关，当控制系统出现故障时，使用手动开关直接控制电动机的转动与停止。
机械定时器靠手动旋转实现定时，定时的精确度略低，但只要细心操作可以满足要求的。
方案B ：
定时时间 升旗速度
采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
用电子定时器代替机械定时器，其他步骤参照方案A。
电子定时器比机械定时器的定时精确度高，所以对操作者的要求相对低一些。
方案C：
1.采用成品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，确定定时器的定时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中。其中，自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件、设备和已知电路进行制作，如可用555时基电路制作定时器，通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止；采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。
4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时启动自制的电子定时器，电动机开始转动并带动滑轮运动，使国旗上升。当定时器计时停止时，断开电源使电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。（自动升旗简易控制装置电路图）
方案D：
1.采用CD 唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源、滑轮等元件实现。
2.测得国歌播放时间和旗杆长度，预估电动机的转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速，选择滑轮的直径。
3.从CD唱机中引出音频信号，将CD唱机（含有触发电路）、电动机、直流电源串联在电路中。
4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时，音频信号触发电路带动电动机转动，使滑轮运动，国旗匀速上升；当国歌播放结束、没有音频信号时，电动机停止转动，此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间之间存在误差，则需要重新调整滑轮的直径，直到符合要求。
5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2，用于在出现故障时能升降旗帜。
这一方案的特点是，不需要外加定时器，而用音频信号直接控制电动机，减少了时间上的误差。
作业：
1.以前学校的大门是对开的，现在很多学校的门都改为电动门，但是这种门操作过于呆板，大门在关闭过程中有人通过时，容易夹伤行人，请同学们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的设计，并能够提出改进方案。
2.有位科学家，为了促使迷上电视的女儿坚持锻炼，专门设计了一辆有趣的“自行车”女儿必须骑上自行车不停地踩脚蹬，才能驱动发电机给电视机供电，想偷懒就看不到电视。请你根据已学的技术与设计的知识，画出“自行车—发电—电视机”这一过程的方框土，分析在这套装置的设计中，综合了哪些技术和原理。
3.设计并制作水车控制装置的模型。利用流动的水冲击水车，以控制不同的机械装置而产生动作。
第3课时：
自动升旗简易控制装置的设计与实施评价和总结。
（1）方案实施：
自动升旗简易控制装置的设计与实施。
（2）交流与评价：
①撰写试验报告，自我评价和小结；
②小组自评；
③展示成果，学生将本组的作品展示给全班同学，其他同学可以提出自己的改进意见。
作业：
1.在宾馆的房间天花板上都有一个自动灭火装置，当室内烟雾的浓度过高时，该装置会自动喷水，起到降温灭火的作用，请你根据这一装置，设计自动灭火装置的模型。
2.请对太阳能热水器进行分析：
（1）一般家用太阳能热水器水温控制是如何实现的？
（2）有的宾馆使用多台热水器串联来集中供水，当水温过低是，通过控制器启动辅助电加热开关，使水温控制在一定范围。请画出这一控制系统的方框图，并说明其工作过程。
3.设计并制作可伸缩的晾衣控制装置。利用手摇装置或电动装置将晾衣绳连同衣物移到室外，下雨时将它整体收回到室内。
八、教学反思
学生要对生活中的一些系统进行分析，思考，并能收集一些设备的工作原理，只有在掌握了大量的系统的工作原理，占有大量的资料的前提下，才能对系统进行分析，画出方框图，才能对其设计有一定的了解。
通过一些具体的生活实例导入有关控制的设计方法，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，由易到难，在学生自己设计的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的，符合新课程理念的要求。以贴近学生生活实际的典型案例为载体，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识，体现老师的引导作用。以学生为主体，让学生进行设计，改进身边的一些控制系统，理论与实践相结合，以问题为引领，在‘师生互动’的课程理念的设计上都有较好的亮点，还应注意及时反馈。
浙江省衢州市仲尼中学高中通用技术《控制系统的设计与实施》 教案新人教版 一、教材分析 本节要求学生亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程。对于控制系统方案的设计不要求学生能形成详细的设计方案，只需形成初步方案，重要的是让学生亲历设计的过程，知道怎样通过分析被控对象的基本特性，确定被控量、控制量，从而形成控制系统的设计框图，对于开环控制系统和闭环控制系统的制作和实施，课标有着不同层次的要求，对于开环要求能制作一个完整的简单的控制装置，对于闭环控制系统，只要求学生根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。 本课要解决的重点是：亲历一个完整的控制系统设计和模型制作过程. 二、学情分析 （1）学生已经使用过设计的技术语言对设计的过程和方案进行描述； （2）经历了几个设计和制作的全过程，熟悉设计过程中的各个环节以及模型或原型制作的基本方法和手段； （3）设计制作中具体技术和专业知识（如电子、电路及机械控制知识等）有所欠缺，给控制的设计和实施带来了一定的困难； 三、教学目标 1. 了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，采用逆推法画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2. 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。 四、教学重点 设计一个控制系统应明确的问题，对控制系统的基本要求。 五、教学难点 设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。 六、教学方法 讲授、讨论、小组合作。 七、教学资源准备 多媒体设备、相关图片资料、技术试验工具、材料等。
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
高中通用技术控制系统的设计与实施教案第四节控制系统的设计与实施教案 一、教学内容分析: 本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。 本节让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并学会设计，有一定的实践性。 二、教学对象分析: 学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。 三、教学目标: 1.知识与技能: 1)了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2)能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置;或者根据简单闭环控 制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行提出改进方案。 2.过程与方法: 通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。 3.情感态度价值观:
(1)通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。 (2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。 (3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。 四、教学重难点: 1.教学重点: (1)控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。 (2)能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。 2.教学难点: (1)设计一个控制系统应明确的问题的分析，控制系统设计的思想方法。 (2)闭环系统的设计，以及被控量和控制量的确定。 五、教学策略: 本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下: (1)通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。 (2)教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。 用心爱心专心 (3)寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》(有开环与闭环两种)等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生玩电动车的经验。 )老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进(4
实验五、基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计(2学时) （综合型实验） 一、实验目的 （1）掌握线性时不变系统的对象模型的构造及其相互转换； （2）掌握线性时不变系统浏览器——LTI Viewer使用方法； （3）掌握单变量系统设计工具——SISO Design Tool的使用方法； （4）掌握非线性系统的控制器优化设计和仿真； （5）自行设计一个PID控制系统并进行PID控制器的优化设计（选）。 二、实验设备 MATLAB6.1系统教学软件及计算机一台。 三、实验内容 1、将下述传递函数转换成tf对象。 2、将第6章的例6-16中非线性系统进行线性化处理后所得线性化状态空间模型的系数矩阵(A,B,C,D)的值转换成LTI对象，然后利用线性时不变系统浏览器—LTI Viewer对系统进行分析。 3、使用 LTI Viewer对以下滑艇系统的动力学方程进行非线性系统的线性分析 4、以下单位反馈系统。利用单变量系统设计工具SISO Design Tool。（1）对其进行分析，画出系统的根轨迹图以及系统波特图，并求解相位裕量。 （2）对以上系统进行串联校正装置，其传递函数如下。 对校正后进行分析，画出校正后系统的根轨迹图以及系统波特图，并求解相位裕量。 5、对以下系统。 要求系统单位阶跃响应的最大上升时间为10秒、最大调节时间为30秒、最大超调量为20%。利用非线性控制器设计模块集（Nonlinear Control Design Blockset），试求PID控制器的最佳整定参数Kp、Ki和Kd。假设，三阶线性对象模型的不确定参数：40< a1<50,2.5< a2<10。
自动控制原理课程设计 设计题目：基于Matlab的自动控制系统设计与校正
目录 目录 第一章课程设计内容与要求分析 (1) 1.1设计内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 1.3 Matlab软件 (2) 1.3.1基本功能 (2) 1.3.2应用 (3) 第二章控制系统程序设计 (4) 2.1 校正装置计算方法 (4) 2.2 课程设计要求计算 (4) 第三章利用Matlab仿真软件进行辅助分析 (6) 3.1校正系统的传递函数 (6) 3.2用Matlab仿真 (6) 3.3利用Matlab/Simulink求系统单位阶跃响应 (10) 3.2.1原系统单位阶跃响应 (10) 3.2.2校正后系统单位阶跃响应 (11) 3.2.3校正前、后系统单位阶跃响应比较 (12) 3.4硬件设计 (13) 3.4.1在计算机上运行出硬件仿真波形图 (14) 课程设计心得体会 (16) 参考文献 (18)
第一章 课程设计内容与要求分析 1.1设计内容 针对二阶系统 )1()(+= s s K s W ， 利用有源串联超前校正网络（如图所示）进行系统校正。当开关S 接通时为超前校正装置，其传递函数 11 )(++-=Ts Ts K s W c c α， 其中 132R R R K c += ，1 )(13243 2>++=αR R R R R ，C R T 4=， “-”号表示反向输入端。若Kc=1，且开关S 断开，该装置相当于一个放 大系数为1的放大器（对原系统没有校正作用）。 1.2 设计要求 1）引入该校正装置后，单位斜坡输入信号作用时稳态误差1.0)(≤∞e ，开环截止频率ωc’≥4.4弧度/秒，相位裕量γ’≥45°； 2）根据性能指标要求，确定串联超前校正装置传递函数； 3）利用对数坐标纸手工绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线； c R R
阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激
下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink
控制系统的设计与实施 一、教材分析： 本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。本节可以说是这单元的“应用”部分，让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并最终会设计。 二、学情分析： 在《技术与设计1》中，学生对设计的一般过程已经有了一定的了解。但已有的设计基础更多的是停留在结构设计和外形的设计上，对功能的设计还有待提高。同时在生活中对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。 三、学习目标： 1.知识与技能： 1）了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行提出改进方案。 2.过程与方法： 通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。学习权衡的思想。 3.情感态度价值观： （1）通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。 （2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。 （3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。 四、教学重难点： 1.教学重点： （1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框 图。 （2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。 2.教学难点： 闭环系统的设计；被控量和控制量的确定。 五、教学策略： 本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计 如下： （1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。 （2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。 （3）寻找一些贴近学生生活实际并在前三节课已经分析过的案例，采用元件展示，学生设计 连接的步骤，最后请学生代表上台连接成一个闭环控制系统。主要以“水箱注水的自动控制
高中通用技术《控制与设计》教案 高中通用技术《控制与设计》教案 第一节：什么是控制 / 第二节：控制系统的基本组成与工作过程 教学目标： 知识目标： 1、理解控制的概念及在现在生活中的应用 】 2、分析典型案例，熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程 3、熟悉闭环控制系统的基本组成，能画出一个简单的闭环控制系统的方框图
4、理解控制系统的基本组成 过程与方法： [ 理解控制系统的基本组成和简单的工作过程 情感态度与价值观： < 充分利用技术的作用，解决生活与学习中的问题 复习重点：理解控制系统的基本组成和简单的工作过程复习难点：理解控制系统的基本组成和简单的工作过程 — 教学策略
教法： 本的教学结合具体的教学内容和目标我们采用“案例情景—机理分析—总结归纳－认识提升”的模式展开。在教学中把知识点的教与学置于具体的案例情景当中，通过丰富而贴近生活的案例使学生从生活体验到理性分析的思维升华过程。同时关注学生能否用不同的语言表达、交流自己的体验和想法。通过富有吸引力的现实生活中的问题，使学生回想和体会控制系统的工作过程，激发学生的好奇心和主动学习的欲望。让学生本着“回想—分析—联想—猜想”的思维过程，对教学内容进行步步展开，使学生亲历自主探索和思维升华的过程。 学法： 鼓励学生自主探究和合作交流，引导学生自主观察、总结，在与他人的交流中丰富自己的思维方式，获得不同的体验和不同的发展。注意引导学生体会控制系统的工作过程和方式，特别是理解闭环控制的工作过程以及其构成的作用。 教学过程 ) 引入：知识铺垫：通过系统与设计过度到 第四单元：控制与设计
《控制系统的设计与实施》 1、教材分析 “控制系统的设计与实施”是《技术与设计2》“控制与设计”全单元教学内容的综合运用，它既是控制知识的实践过程，又是控制思想方法集中体现，也是学生技术素养的一种体现。 “控制系统的设计与实施”由“控制系统设计的一般思路”和“控制系统的设计与实施案例”两部分组成，前者是后者的基础。“控制系统设计的一般思路”内容关注学生的控制系统设计分析能力培养，通过学习明确所设计的控制系统的要达到的目的，被控对象的特征，被控量、控制量分别是什么等，能形成初步控制系统设计方案，掌握控制系统设计的基本方法和形成设计的一般思路。“控制系统的设计与实施案例”则侧重于控制系统的设计、模拟实施，调试运行，改进方案等。 2、教学目标 （1）知识与技能 ①了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量等，能画出控制系统的方框图，并能形成初步的控制系统设计的方案； ②掌握形成初步的控制系统设计方案的思想方法和控制系统设计的一般思路。 ③能综合考虑设计实施中的各种因素，能对方案进行权衡比较，能根据设计方案制作原型或模型，并进行调试与改进。 （2）过程与方法 对课堂案例的分析、设计、权衡比较过程；学会从控制的角度分析问题，能综合运用所学的控制知识解决一些实际问题。 （3）情感、态度、价值观 感受技术解决问题所带来的成就感。形成“问题来源于生活，设计服务于生活”的意识及价值观。 3、教学重难点 教学重点：能完成对简单控制系统进行分析，掌握控制系统设计方案的思想方法和形成控制系统设计的一般思路。 教学难点：在课堂活动中分析、归纳、推理，形成初步的控制系统设计方案的思想方法和及控制系统设计的一般思路。
通用技术控制与设计方案_通用技术控制与 设计 【教学设计】 通用技术控制与设计 下面是小编整理的通用技术控制与设计，供大家参考! 复习内容： 第一节：什么是控制 第二节：控制系统的基本组成与工作过程 教学目标： 知识目标：
1、理解控制的概念及在现在生活中的应用 2、分析典型案例，熟悉简单的开环控制系统的基本组成和简单的工作过程 3 、熟悉闭环控制系统的基本组成，能画出一个简单的闭环控制系统的方框图 4 、理解控制系统的基本组成 过程与方法： 理解控制系统的基本组成和简单的工作过程 情感态度与价值观： 充分利用技术的作用，解决生活与学习中的问题 复习重点：理解控制系统的基本组成和简单的工作过程 复习难点：理解控制系统的基本组成和简单的工作过程
教法： 本章的教学结合具体的教学内容和目标我们采用”案例情景--机理分析--总结归纳-认识提升”的模式展开。在教学中把知识点的教与学置于具体的案例情景当中，通过丰富而贴近生活的案例使学生从生活体验到理性分析的思维升华过程。同时关注学生能否用不同的语言表达、交流自己的体验和想法。通过富有吸引力的现实生活中的问题，使学生回想和体会控制系统的工作过程，激发学生的好奇心和主动学习的欲望。让学生本着”回想--分析--联想--猜想”的思维过程，对教学内容进行步步展开，使学生亲历自主探索和思维升华的过程。 学法： 鼓励学生自主探究和合作交流，引导学生自主观察、总结，在与他人的交流中丰富自己的思维方式，获得不同的体验和不同的发展。注意引导学生体会控制系统的工作过程和方式，特别是理解闭环控制的工作过程以及其构成的作用。
引入：知识铺垫：通过系统与设计过度到 第四单元：控制与设计 第一节什么是控制 1、控制的概念： 2、控制的应用： 第二节：控制系统的基本组成与工作过程 1、控制系统： 【案例分析】 自行车速度的控制的实现过程、电风扇风速的控制过程、自动门的控制过程、遥控电视频道更换的控制过程、航空模型的控制过程
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid
《控制系统的设计与实施》说课稿 一、说教材 这一节“控制系统的设计与实施”是苏教版《技术与设计2》第四章“控制与设计”第四节的内容，是通用技术的重点核心内容之一，是对全单元教学内容的总结与综合运用，它既是控制知识的实践过程，又是控制思想方法集中体现，也是学生技术素养的一种体现。 “控制系统的设计与实施”由“控制系统设计的一般思路”和“控制系统的设计与实施案例”两部分组成，前者是后者的基础。“控制系统设计的一般思路”内容关注学生的控制系统设计分析能力培养，通过学习明确所设计的控制系统的要达到的目的，被控对象的特征，被控量、控制量分别是什么等，能形成初步控制系统设计方案，掌握控制系统设计的基本方法和形成设计方案的一般思路。“控制系统的设计与实施案例”则侧重于控制系统的设计、模拟实施，调试运行，改进方案等。 二、教学目标 1.知识与技能： ﹙1﹚掌握控制系统设计的一般思路； ﹙2﹚了解简单的被控制对象的基本特征，能确定被控量、控制量，画出系统方框图； ﹙3﹚通过案例学习与分析，形成闭环控制系统的初步设计方案。 2.过程与方法： ﹙1﹚通过案例分析、探讨和控制系统的模拟实施，学会简单控制系统的设计； ﹙2﹚通过制作一个简单的控制装置，学会调试运行，提出改进方案。 3.情感、态度与价值观： （1）通过对闭环控制系统的设计与实施的分析，培养探究精神，培养认真、严谨的态度。 （2) 掌握控制的思想与方法，提高解决实际问题的能力，树立“以人为本”的设计理念。 三、教学重点和难点 重点：（1）区分开环控制系统与闭环控制系统； （2）控制系统设计的一般思路； （3）简单闭环控制系统的设计。 难点：简单闭环控制系统的设计。 四、说学情 在学习本节内容之前，学生已经系统学习过控制设计有关的知识，了解、掌握了简单控制系统的工作过程与方式，理解开环、闭环控制系统以及干扰、反馈等相关知识，对一些简单的控制已经能画出方框图。同时在《技术与设计1》与《技术与设计2》中经历了一些设计和制作的全过程，一定程度上了解设计过程的各个环节及制作的基本方法和手段，学生对日常生活中常见的电子、电路及机械控制有所了解，对控制系统的设计和探究有浓厚的兴趣。但对控制系统设计的思路和需要考虑的因素还不够明确，对检测装置、控制器和执行器的选择存在一定的困难，尤其是在实施和调试时会面临困境，教学设计应充分考虑，否则会给控制的设计和实施带来一定的困难。 五、教学策略 本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下： （1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。 （2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。 （3）寻找一些贴近学生生活实际和典型的《电吹风》《电暧气》（有开环与闭环两种）等案例，利用媒体教学手段增加课堂气氛，帮助学生在快乐、轻松的氛围中掌握知识。抽水马桶水箱不适合农村的学生，自动升旗控制的设计，难度相对高些，但比较实用，但要结合学生操控电动车的经验。 （4）老师起到引导的作用，学生为主体，在学生掌握的基础上，课堂交给学生。让学生进行设计。设计个改进身边的一些控制系统，从而使得学生完成本课堂的内容。 五、教学过程 （一）导入新课：
高一通用技术技术与设计1 全 册 教 案
第一章：走进技术世界 一、技术的价值 （一）教材分析“技术的”是苏教版通用技术教材必修1的第一章《走进技术世界》的第一节内容，.知识与技能 ⑴理解技术人类需求技术的。使学生感受技术采用师生互动探究式教学方法。直观图片、详实资料 教学过程（第一课时）教学环节教师引领学生活动设计意图通用技术课程介绍 1.何为是通用技术课程？ 通用技术课程是高中学生的必修课程，是一门立足实践、注重创造、高度综合、科学与人文融合的课程 2.为何要开设通用技术课程？ 随着科学技术突飞猛进地发展，技术成为我们生活中的客观存在，成为引起和应对社会变化的重要因素。因此，技术素养是当代青少年的基本素养，开设通用技术课程的核心目的就是培养学生的技术素养。 3.如何学好通用技术课程？ ⑴在学习中要学会综合运用所学到的知识，善于思考，勤于动手，学中做，做中学，积极参与技术活动和亲身经历、体现设计过程。 ⑵学习中要采取主动学习、合作学习、网络学习等多种方式，促进能力的提升。 ⑶注意运用教材，明确“学习目标”，注重技术思想与技术方法
的学习，注重探究和实验。教学内容 [板书]（一）技术的含义[板书]1.技术的产生创设情境 归纳总结指导学生阅读教材004页内容 人类在生活中，需要着衣以遮身御寒，于是有了纺织、印染、缝制技术的产生；需要进食以补充能量，于是有了食品烹饪加工技术以及农作物栽培、家畜饲养技术的产生；需要住所以避风挡雨、抵御外来侵害，于是有了建筑技术的产生；需要出行以认识更广阔的世界，于是有了车船制造技术的产生；需要交往以保持与别人的联系，于是有了通信邮电技术的产生…… 结论：从人类磨制石器、钻木取火开始，技术就为满足人类需要而开始了它的历史旅程。阅读教材人类的需求不断推动技术的产生和发展[板书]2.技术的发展创设情境 案例分析： 从火到灯――人类走向文明的历程 阅读教材理解技术的发展过程 归纳总结讨论： 1.如果人类没有控制和利用火的技术，没有发明灯，那么世界将会是怎样的？ 2.人类对光的需求，怎样推动了照明技术的发展？ 总结：人类的需求不断推动技术的产生和发展。讨论并回答案例分析：
一、名词解释 1、软件维护指软件交互使用之后，为了改正软件中的错误或满足新的需求而修改软件的过程。 2、调试在成功地进行了测试之后，进一步诊断和改进程序中存在的错误过程。 3、可行性研究又叫可行性分析，它是所有工程项目在开始阶段必须进行的一项工作。可行性研究是指项目正式开发之前，先投入一定的精力，通过一套准则，从经济、技术、社会等方面对项目的必要性、可能性、合理性，以及项目所面临的重大风险进行分析和评价，得出项目是否可行的结论。 4、结构化程序设计是一种设计程序的技术，采用自顶向下、逐步细化的设计方法和单入口、单出口的控制技术，任何程序都可以通过顺序、选择和循环3种基本控制结构的复合实现。 5、信息系统在其使用过程中随着生存环境的变化，要不断维护、修改，当它不再适应需求的时候就要被淘汰，就要由新系统代替老系统，这种周期循环称为信息系统的生命周期。 6、供应链管理系统就是为了实现供应链上各企业的共同目标，对整个供应链的物流与信息流进行集成的管理和统一协调的计算机软件系统、网络与通信系统、有关数据、规章制度和人员的统一体。 7、这是在现代信息技术的基础上，交叉管理学、行为科学、运筹学，控制论等学科运用、人工智能、专家系统、知识工程等理论和方法，辅助支持企业，决策活动的信息系统。 8、信息系统是指利用计算机、网络、数据库等现代信息技术，处理组织中的数据、业务、管理和决策等问题，并为组织目标服务的综合系统。 9、数据字典为了对数据流程图中的各个元素进行详细的说明，数据字典的主要内容是对数据流程图中的数据项、数据结构、数据流、处理逻辑、数据存储和外部实体等几个方面进行具体的定义。数据字典配以数据流程图，就可以从文字和图形两个方面对系统的逻辑模型进行完整的描述。 二、填空 1、按照生命周期法建设信息系统过程中的主要文档有:系统开发立项报告,( 可行性研究报告),系统开发计划书,( 系统分析说明书),系统设计说明书,程序设计报告,系统测试计划与测试报告,系统使用与维护手册,系统评价报告,系统开发月报与系统开发总结报告. 2、描述程序处理过程的工具称为过程设计工具，可以分为图形、表格和语言3类。其中图形工具包括(程序流程图)、(N-S图)和(PAD图)；表格工具包括(判定表)和(判定树)；语言工具包括
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
一、简述题（每小题10分，共100分） 1、机电控制系统的基本要求？ 答：稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）. 稳定性：对恒值系统要求当系统受到扰动后,经过一定时间的调整能够回到原来的期望值. 对随动系统,被控制量始终跟踪参据量的变化.稳定性是对系统的基本要求,不稳定的系统不能实现预定任务.稳定性,通常由系统的结构决定与外界因素无关. 快速性：对过渡过程的形式和快慢提出要求,一般称为动态性能.稳定高射炮射角随动系统,虽然炮身最终能跟踪目标,但如果目标变动迅速,而炮身行动迟缓,仍然抓不住目标. 准确性：用稳态误差来表示.如果在参考书如信号作用下,当系统达到稳态后,其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差.显然,这种误差越小,表示系统的输出跟随参考输入的精度越高. 由于被控对象具体情况的不同,各种系统对上述三方面性能要求的侧重点也有所不同.例如随动系统对快速性和稳态精度的要求较高,而恒值系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力.在同一个系统中,上述三方面的性能要求通常是相互制约的.例如为了提高系统的动态响应的快速性和稳态精度,就需要增大系统的放大能力,而放大能力的增强,必然促使系统动态性能变差,甚至会使系统变为不稳定.反之,若强调系统动态过程平稳性的要求,系统的放大倍数就应较小,从而导致系统稳态精度的降低和动态过程的缓慢.由此可见,系统动态响应的快速性、高精度与动态稳定性之间是一对矛盾. 2、机电控制系统的基本结构？画图说明 答：机电控制系统是机电控制技术的具体表现形式，通过控制器并合理选择或设计放大元件、执行元件、检测元件与转换元件、导向与支承元件和传动机构等．使机电装备达到所要求的性能和功能。机电控制系统是 机电一体化 产品及系统中承担着控制对象输出，并按照指令规定的规律变化的功能单元，是机电一体化产品及系统的重要组成部分。机电控制系统是一种自动控制系统。 机电控制系统一般由指令元件，比较、综合与放大元件，转换与功率放大元件，执行元件，工作机构，检测与转换元件等6部分组成，如图1．4所示。为了研究问题方便，通常又把指令元件和比较、综合与放大元件合称为 控制器 (控制元件)；将转换与功率放大元件和执行元件合称为机电动力机构；机电动力机构和工作机构合称为被控对象。对于控制精度要求不高且执行元件的输出能够按其给定规律运动时，可以采用开环控制。此时检测与转换元件也可以没有；但为了显示与检测，系统中仍应装有检测与转换元件。
第六章控制系统的校正与设计 6-1 试对以下特性的一阶网络，确定其电路结构、电阻和电容值、放大器的增益和复平面图： a）ω=4 rad/sec时相位超前60°，最小输入阻抗50000Ω和直流衰减为10db。 b）ω=4时相位之后60°，最小输入阻抗50000Ω和高频衰减-10db。 c）频率范围ω=1至ω=10rad/sec内，滞后-超前网络具有衰减10db和输入阻抗50000Ω。 在以上所有情况，电阻最大值接近1MΩ，电容约10μF。而且假设网络负载阻抗实质上是无穷大。 6-2 习题6-2图所示包含局部速度反馈回路的单位反馈系统。 a）当不存在速度反馈（b=0）时，试确定单位跃阶输入下系统的阻尼系数、自然频率、最大超调量以及由单位斜坡输入下所引起的稳态误差。 b）试决定当系统等效阻尼系数增加至0.8时的速度反馈常数b。 c）按速度反馈和0.8的阻尼系数，确定单位阶跃输入下系统的最大超调量和单位斜坡输入下引起的稳态误差。 d）试说明斜坡输入下具有速度反馈和不具有速度反馈，但阻尼系数仍为0.8的两系数，怎样使它们的稳态误差相同。 习题6-2图 6-3 如若系统的前向传递函数为20/s（1+s），重做习题6-2. 6-4 习题6-4图所示为一个摇摆控制系统的方块图。它可以提供足够的抗扰动力矩的动特性，以限制导弹摇摆偏移速度[12].扰动力矩由倾斜角的变化和操纵控制偏差产生。决定摇摆控制系统特性的主要限制是副翼的伺服响应。 a）试确定习题6-4图所示系统的传递函数C（s）/R（s） b）设若由共轭主导极点支配瞬态响应，为满足系统的等效阻尼系数接近于0.5，和等效自然频率近于4rad/sec，试说明对副翼的伺服响应参数的要求。
2021年高中通用技术控制系统的设计与实施3教案苏教版必修2 教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2） 文档内容：控制系统的设计与实施 章节：第四单元控制与设计第四节控制系统的设计与实施 课时：第1课时 一、教学目标 1.了解简单的被控对象的基本特性。 2.能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图。 3.形成初步的控制系统设计的方案。 4.能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；学会调试运行，提出改进方案。 二、教学重点 1.运用控制系统设计分析方法确定控制系统各部件，形成初步的设计方案。 2.确定被控量和控制量并能画出控制系统的方框图。 三、教学难点 被控量和控制量的确定。 四、教学方法 讲授、讨论、小组合作。 五、设计思想 1.教材分析 本节课内容为本单元的第四节，是前几节知识的总结与应用。可通过教师的引导和实例，结合学生生活经验，探究控制系统设计与实施的含义，归纳总结控制系统设计与实施的方法。通过设计实践活动，让学生感受和领悟，引导学生思考实现合理的控制设计要考虑的因素。 2.学情分析 学生对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。 学法设计： 引导学生进行“问题式学习”，通过尝试——发现，探索——研究的过程来掌握本节课的知识，在老师的帮助下，把生活中的经验逐步与控制系统联系起来，通过动手实践、改造，亲身体会控制系统的实施方法，体验成就感。 教学策略： 提出一个生活中时常会遇到的问题，在学习和阅读了相关内容后针对这一问题的设计要求进行具体设计并制作成模型，在学生自己设计和制作的过程中达到突破难点，实现教学目标的目的。 （1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。
第四单元控制与设计第一节控制的手段与应用 一、教学内容分析 本节是本章的第一节，可以说是本章的开始，也是本章的基础，对于本节知识的掌握有助于后面几节的学习。 二、教学对象分析 学生正处于高中阶段，对于生活中的一些控制虽然见过，但是由于生活经验不是很丰富，所以必须要老师引导才能发现问题。 三、教学目标 知识与技能 1.通过分析社会各领域的具体例子，理解控制的涵义及其在生产和生活中的应用。 2.通过学习，培养学生注意观察问题，发现问题，帮助学生了解控制的作用。 过程与方法： 通过视频导出新课，通过案例分析和课堂讨论理解控制的含义和了解控制的手段，并知道控制的应用。 情感态度与价值观： 激发学生了解控制，研究控制的兴趣与热情。 四、教学重点和难点 重点：理解控制的含义 难点：理解控制的含义 五、教学策略 采用多媒体进行教学，引导学生理解控制的含义和了解控制的手段及应用 六、教学准备 典型案例图片收集，课件制作，收集相关视频材料 七、教学过程 教学环节教师活动学生活动 导入新课[录像]通过卓别林的《摩登时代》录像片段，引入 新课。 学生观看
新课讲授一、控制是普遍存在。 用一些典型的、生活中的例子让学生了解控制是普 遍存在，对控制有初步的认识，打破其神秘感。 现代社会中的例子： 生产、生活中的例子（图片） 古代社会中的例子： 案例1：大禹治水（图片） 问题：大禹治水过程中，通过什么手段实现治理好 水患的目的？ 答案：通过“疏通河道，泄洪为主”手段实现治 理好水患的目的。 案例2：木牛流马： 据研究：木牛和流马是汉代独轮手推车的两种改进 设计，通过改进使人的负重有所减轻。木牛是一种 轮子稍小一些的独轮手推车，载重大，前由人拉、 后由人推，运行较慢；流马载重小，轮子稍大一些， 由一人推，运行速度很快。诸葛亮所说“木牛流马” 应是比喻它们运行的灵便程度和载重量的大小：木 牛行动较笨而慢，像牛；流马行动敏捷而快，像马。 不是说它们外形像牛像马。 目的：帮助军队运送战略物资。 案例3：希罗自动门（图片） 希罗自动门的相关材料见教参P66或江苏版P107。 希罗自动门说明了什么道理？ 道理是：利用气压和液压动力装置，实现自动开门、 关门。 总结：事物发展的结果可能是人们预先期望的，也 可能与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。 如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当 的手段来实现。 那么，运用什么手段来实现呢？ （引入控制的概念） 二、控制的涵义 控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事 物沿着某一确定方向发展的行为和过程。 结合事例（用音乐喷泉的事例），重点阐明控 制的对象是什么；控制要达到什么目的；采取什么 控制手段。 [探究活动] 请同学们说说你在生活学习中所见到的应用控制 的事例。 学生讲述《大禹治水》的故事 让学生思考并回答 请学生讲述《木牛流马》的故 事 观看图片，并思考