自动控制原理课程设计
专业：测控技术与仪器
设计题目：控制系统的综合设计超前校正班级：
学生姓名：学号： 10号
指导教师：
分院院长：
教研室主任：
电气工程学院
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 课程设计要求 (1)
1.3 课程设计报告要求 (2)
第二章超前校正理论与计算 (4)
2.1 采用超前校正的一般步骤 (4)
2.2 理论计算过程 (4)
第三章 Matlab程序设计 (7)
3.1 关于MATLAB (7)
3.2 MATLAB程序的功能特点 (7)
3.3 MATLAB仿真设计 (8)
3.4 绘制原系统对数频率特性 (8)
3.5 绘制校正装置对数频率特性 (9)
3.6 绘制校正后系统对数频率特性 (10)
第四章 Simulink仿真设计 (12)
4.1 Simulink仿真设计 (12)
4.2 原系统单位阶跃响应 (13)
4.3 校正后系统单位阶跃响应 (14)
4.4 校正前、后系统单位阶跃响应 (15)
4.5 校正前、后系统阶跃响应曲线比较 (16)
第五章硬件电路设计及参数R、C值 (17)
5.1 硬件电路 (17)
5.2 参数R、C的值 (19)
总结 (20)
参考文献 (21)
附录 (22)
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
1
1
)(++-=Ts Ts K s W c
c α，其中1
3
2R R R K c +=
，1)(132432>++
=αR R R R R ，C R T 4=，“-”号表示反向输入端。若K c =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）。
图1-1超前校正电路
1.2 课程设计要求
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
c
’≥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.设校正装置R 1=100K ，R 2=R 3=50K ，根据计算结果确定有源超前校正网络元件参数R 4、C 值。
R 1
?
+
?
?
u r
u c
R 0
R R 3 R 4 C
S
4.绘制引入校正装置后系统电路原理图（设给定的电阻和电容：
R=100K，C=1F、10F若干个）。
5.利用Matlab仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数频率特性曲线,并验算设计结果。
6.在Matlab-Simulink下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较。
7.利用自动控制原理实验箱完成硬件系统设计，包括：搭建校正前后系统电路、输入阶跃信号并通过示波器观察校正前后系统输出响应曲线。
1.3 课程设计报告要求
1.设计报告包括内容
（1）理论计算校正装置的过程。
（2）绘制系统电路图时各环节参数的计算过程（包括有源校正装置R
4和C的计算过程）。
（3）利用Matlab仿真软件辅助分析设计的程序及校正前、后对数频率特性曲线。
（4）利用Matlab-Simulink建立校正前、后系统仿真模型。
（5）硬件电路及参数R，C的值。
（6）求单位阶跃响应曲线。
（7）计算校正前后系统超调量、调节时间，给出结论。
（8）硬件系统设计过程及设计结果，给出结论。
2.课程设计报告内容包括：
（1）根据模拟电路图1-1确定原系统数学模型、理论计算设计过程及结果、仿真设计过程及结果。
（2）校正前后系统性能计算及分析（包括计算校正前、后系统超调量、调节时间和阶跃响应稳态误差）。
（3）确定校正装置参数的过程，给出设计结论。
（4）在设计过程中出现的问题及解决的办法。
（5）课程设计总结，包括：本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课程设计的意见、建议等。
（6）上交电子版设计报告，包括Matlab仿真结果。
（7）设计中参考文献列表。
第二章 超前校正理论与计算
此次课程设计利用有源串联超前校正网络进行系统校正。掌握系统校正方法及校正的应用，能够设计串联校正的步骤，了解校正对系统性能的改善，实现系统的校正。
2.1 采用超前校正的一般步骤
1.根据传递函数确定未校正装置的%σ、s t
2.设计校正前系统模拟电路图
3.设计校正装置，给出设计过程
4.设计校正后系统模拟电路图
5.研究校正装置对系统动态性能指标的影响
6.比较校正前后控制系统的响应曲线（通过实验比较）
2.2理论计算过程
根据实验室所提供设备、器件对下图系统进行校正，设计合理的校正装置使
图2-1系统数学模型
校正后的系统满足：
1.系统稳态速度误差100≥v k
2.相位裕量?≥50)(c ωγ 设计校正装置
3.通过上面方框图求出原系统的%σ、s t 。
首先由稳态性能指标的要求，可计算出放大系数100K =，系统传递函
数为 ：100
()(1)10
W s s s =+ ，闭环传递函数为：
2()1000
()1()101000
W s s W s s s φ=
=+++
则，2
1000n
ω=，0.158ζ=
由%100%σ=?得，%60%σ=， 4.5
0.9s n
t s ζω=
=
4.设计校正装置的传递函数，并给出设计过程。
（1）由100
()(1)10W s s s =+可知，该系统含有一个积分环节和一个惯性环
节，低频段的波特图斜率为20/db dec -，转折频率为110ω=，斜率变为40/db dec -。系统的穿越频率c ω可以近似计算得出：
（认为110
c
ω>>）
100
()110
c c
c
A ωωω≈
=，得出31.6c ω=。其相角裕量为
31.6
()180(90arctan
)17.510
c γω=+--=，可见，相角裕量不满足要求。为了不影响低频段和改善动态响应性能，采用超前校正。
（2）根据系统相位裕量?≥50)(c ωγ的要求，微分校正电路最大相位移应为max 5017.532.5?≥-=。
（3）考虑'c c ωω>，原系统相角位移将更负一些，故max ?应相应的加大。取max 40?=，于是可以写出max 1
arcsin 401
d d γ?γ-==+即1sin 400.641d
d γγ-==+，解得 4.6d γ=。
（4）设系统校正后的穿越频率'c ω为校正装置（0/+1/0特性）两个交接频率1ω和2ω的几何中点
即'c ωω==
因为在'
c
ωω=时，'()1c
A ω=，如果认为'11c ωω>>和'
2
1c ωω<<，则得
''1
'
'100
()110
c c c
c A ωωωωω≈= 解得：121.6ω=、299.36ω=、'46.32c ω=。
（5）校正后系统的对数频率特性，其传递函数为
100(
1)21.6()()(1)(1)1099.36
c s
W s W s s s s +=++ （6）校正后的相位裕量：
46.3246.3246.32
()180(90arctan
arctan arctan )52.81021.699.36
c γω=+--+-= 所得结果满足系统要求，否则，可以重新估计最大相角位移，再行计算。 在Matlab-Simulink 下建立系统仿真模型，求校正前、后系统单位阶跃响应特性，并进行系统性能比较。利用Matlab 仿真软件辅助分析，绘制校正前、后及校正装置对数。
（7）串联校正装置的传递函数为：1
21.6()199.36
c s
W s s
+=+，可以用相位。
第三章 Matlab程序设计
3.1 关于MATLAB
MATLAB将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
3.2 MATLAB程序的功能特点
1.友好的工作平台和编程环境
2.简单易用的程序语言
3.强大的科学计算机数据处理能力
4.出色的图形处理功能
5.应用广泛的模块集合工具箱
6.实用的程序接口和发布平台
7、应用软件开发（包括用户界面）
3.3 MATLAB 仿真设计
利用Matlab 进行仿真设计（校正），就是借助Matlab 相关语句进行上述运算，完成：
1.确定校正装置。
2.绘制校正前、后、校正装置对数频率特性。
3.确定校正后性能指标。
从而达到利用Matlab 辅助分析设计的目的。已知原系统的开环传递函数为：)
1(10
)(+=
s s s G
要求系统在单位阶跃输入信号作用时，开环截止频率c
≥4.4弧度/秒，
相位裕量
≥450，利用Matlab 进行串联超前校正。打开Matlab 程序，
界面如图所示，输入以下程序。
3.4 绘制原系统对数频率特性
求出原系统幅值穿越频率c ω、相位穿越频率j ω、相位裕量Pm[即(
c
)]、幅值裕量Gm
num=[10]; den=[1,1,0];
G=tf(num,den); %求原系统传递函数 bode(G); %绘制原系统对数频率特性
margin(G); %求原系统相位裕度、幅值裕度、截止频率 [Gm,Pm,wj,wc]=margin(G);
grid; %绘制网格线
原系统（校正前系统）伯德图如图3-1所示，其截止频率、相位裕量、幅值裕量从图中可见。
图3-1 校正前系统伯德图
另外，在MATLAB Workspace下，也可得到此值。
由于截止频率和相位裕量都小于要求值，故采用串联超前校正较为合适。
3.5绘制校正装置对数频率特性
(s)（即Gc）传递函数
求校正装置G
c
=4.4处的对L=20*log10(10/(4.4*sqrt(4.4^2+1))); %求原系统在
c
数幅值L
rd=10^(-L/10); %求校正装置参数rd
wc=4.4;
T= sqrt(rd)/wc; %求校正装置参数T
numc=[T,1];
图3-2 校正装置伯德图
3.6绘制校正后系统对数频率特性
求校正后系统传递函数G(s)（即Ga）
numa=conv(num,numc);
dena=conv(den,denc);
Ga=tf(numa,dena); %求校正后系统传递函数Ga bode(Ga); %绘制校正后系统对数频率特性
校正前、后及校正装置伯德图如图3-3所示，从图中可见：=4.4
穿越频率w
c
相位裕量Pm=49.30
幅值裕量Gm=inf dB(即)
校正后各项性能指标均达到要求。
图3-3校正前、后系统及校正装置伯德图
校正前后系统性能参数从MATLAB Workspace 空间可知校正装置参数：
9417.3=d γ，T=0.45122
从而确定校正装置传递函数为：
1
114.01
456.019417.3456.01456.0)(++=
++=s s s s s G c
第四章 Simulink仿真设计
4.1 Simulink仿真设计
线性控制系统校正过程不仅可以利用Matlab语句编程实现，而且也可以利用Matlab-Simulink工具箱构建仿真模型，分析系统校正前、后单位阶跃响应特性。打开Simulink Library Browser，如图4-1所示和图4-2，新建一个Untitled，在该菜单下输入所需要的元件，元件从左侧的元件库中拖出。
图4-1 打开Simulink Library Browser
图4-2 Untitled
4.2 原系统单位阶跃响应
原系统仿真模型如图4-3所示。
图4-3 原系统仿真模型系统运行后，其输出阶跃响应如图4-4所示。
图4-4 原系统阶跃向应曲线4.3 校正后系统单位阶跃响应
校正后系统仿真模型如图4-5所示。
图4-5 校正后系统仿真模型
自动控制 摘要：综述了自动控制理论的发展情况，指出自动控制理论所经历的三个发展阶段，即经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。最后指出，各种控制理论的复合能够取长补短，是控制理论的发展方向。 自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论；第二代为50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。经典控制理论(本质上是频域方法)和现代控制理论(本质上是时域方法)都是建立在控制对象精确模型上的控制理论，而实际上的工业生产系统中的控制对象和过程大多具有非线性、时变性、变结构、不确定性、多层次、多因素等特点，难以建立精确的数学模型。因此，自动控制专家和学者希望能从要解决问题领域的知识出发，利用熟练操作者的丰富经验、思维和判断能力，来实现对上述复杂系统的控制，这就是基于知识的不依赖于精确的数学模型的智能控制。本文将对经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论的发展情况及基本内容进行介绍。 1自动控制理论发展概述 自动控制是指使用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人 自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术，可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作，自动控制显得尤其重要。 自动控制理论是和人类社会发展密切联系的一门学科，是自动控制科学的核心。自从19世纪M ax we ll对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定性分析以来，经过20世纪初Ny qu i s t，B od e，Ha rr is，Ev ans，W ie nn er，Ni cho l s等人的杰出贡献，终于形成了经典反馈控制理论基础，并于50年代趋于成熟。经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具，采用频域方法，主要研究“单输入—单输出”线性定常控制系统的分析和设计，但它存在着一定的局限性，即对“多输入—多输出”系统不宜用经典控制理论解决，特别是对非线性、时变系统更
c h term translation 1automation自动化 1closed-loop闭环 1open-loop开环 1feedback反馈 1closed-loop feedback control system闭环反馈控制系统1open-loop control system开环控制系统 1negative feedback负反馈 1positive feedback正反馈 1control system控制系统 1complexity of design设计复杂性 1design设计 1design gap设计差距 1engineering design工程设计 1feedback signal反馈信号 1flyball governor飞球调节器 1multivariable control system多变量控制系统 1optimization优化 1plant对象 1process过程 1productivity生产率 1risk风险 1robot机器人 1specifications指标说明 1synthesis综合 1system系统 1trade-off折中 2actuator执行机构/执行器 2assumptions假设条件 2block diagrams框图 2characteristic equation特征方程 2transfer function传递函数 2closed-loop transfer function闭环传递函数 2open-loop transfer function开环传递函数 2damping阻尼 2damping ratio阻尼系数/阻尼比 2critical damping临界阻尼 2damping oscillation阻尼振荡 2DC motor直流电机 2differential equation微分方程 2error 误差 2error signal误差信号 2final value终值 2final value theorem终值定理 2homogeneity齐次性 2Laplace transform拉普拉斯变换 2linear approximation线性近似 2linear system线性系统 2linearized线性化的
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 15 1< ； （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=ss e ； (3) 系统的剪切频率wc <4.4rad/s 。 (4)模值余度h ≥10dB k=10;
num1=[1]; den1=conv([1 0],[1 1]); sys1=tf(k*num1,den1); figure(1); Margin(sys1); hold on figure(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。也未能满足要求。其阶跃曲线如图（-2）其超调量竟达σ%=60%，固原系统需要矫正。 Transfer function: 10 ------------ s^2 + s + 10 h = Inf r = 17.9642 wx = Inf
第一章 习题答案 习 题 1-1 根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态； (2) 画出系统方框图。 1-2 题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。 题1-2图 仓库大门自动开闭控制系统 1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理，指出 被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 题1-3图 炉温自动控制系统原理图 1-4 题1-4图是控制导弹发射架方位的电位器式随动系统原理图。图中电位器1P 、2 P
并联后跨接到同一电源0 E 的两端，其滑臂分别与输入轴和输出轴相联结，组成方位角的给定元件和测量反馈元件。输入轴由手轮操纵；输出轴则由直流电动机经减速后带动，电动机采用电枢控制的方式工作。 试分析系统的工作原理，指出系统的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 题1-4图导弹发射架方位角控制系统原理图 1-5 采用离心调速器的蒸汽 机转速控制系统如题1-5图所示。 其工作原理是：当蒸汽机带动负载 转动的同时，通过圆锥齿轮带动一 对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链 可带动套筒上下滑动，套筒装有平 衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠 杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽 阀门的开度。在蒸汽机正常运行 时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速 ω下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速 ω增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速 ω保持在某个期望值附近。 指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 1-6 摄像机角位置自动跟踪系统如题1-6图所示。当光点显示器对准某个方向时，摄像机会自动跟踪并对准这个方向。试分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量及给定量，画出系统方框图。 题1-5图蒸汽机转速自动控制系统
自控课程设计课程设计(论文) 设计（论文）题目单位反馈系统中传递函数的研究 学院名称Z Z Z Z学院 专业名称Z Z Z Z Z 学生姓名Z Z Z 学生学号Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z 任课教师Z Z Z Z Z 设计（论文）成绩
单位反馈系统中传递函数的研究 一、设计题目 设单位反馈系统被控对象的传递函数为 ) 2)(1()(0 0++= s s s K s G （ksm7） 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、对系统进行串联校正，要求校正后的系统满足指标： （1）在单位斜坡信号输入下，系统的速度误差系数=10。 （2）相角稳定裕度γ>45o , 幅值稳定裕度H>12。 （3）系统对阶跃响应的超调量Mp <25%,系统的调节时间Ts<15s 3、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。 4、给出校正装置的传递函数。计算校正后系统的截止频率Wc 和穿频率Wx 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 6、在SIMULINK 中建立系统的仿真模型，在前向通道中分别接入饱和非线性环节和回环非线性环节，观察分析非线性环节对系统性能的影响。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设计方法 1、未校正系统的根轨迹图分析 根轨迹简称根迹，它是开环系统某一参数从0变为无穷时，闭环系统特征方程式的根在s 平面上变化的轨迹。 1）、确定根轨迹起点和终点。 根轨迹起于开环极点，终于开环零点；本题中无零点，极点为：0、-1、-2 。故起于0、-1、-2，终于无穷处。 2）、确定分支数。 根轨迹分支数与开环有限零点数m 和有限极点数n 中大者相等，连续并且对称于实轴；本题中分支数为3条。
《自动控制原理》习题参考答案 第1章 1.7.2基础部分 1.答：开环控制如：台灯灯光调节系统。 其工作原理为：输入信号为加在台灯灯泡两端的电压，输出信号为灯泡的亮度，被控对象为灯泡。当输入信号增加时，输出信号（灯泡的亮度）增加，反之亦然。 闭环控制如：水塔水位自动控制系统。 其工作原理为：输入信号为电机两端电压，输出信号为水塔水位，被控对象为电机调节装置。当水塔水位下降时，通过检测装置检测到水位下降，将此信号反馈至电机，电机为使水塔水位维持在某一固定位置增大电机两端的电压，通过调节装置调节使水塔水位升高。反之亦然。 2.答：自动控制理论发展大致经历了几个阶段： 第一阶段：本世纪40~60年代，称为“经典控制理论”时期。 第二阶段：本世纪60~70年代，称为“现代控制理论”时期。 第三阶段：本世纪70年代末至今，控制理论向“大系统理论”和“智能控制”方向发展。 3.答：开环控制：控制器与被空对象之间只有正向作用而没有反馈控制作用，即系统的输 出量与对控制量没有影响。 闭环控制：指控制装置与被空对象之间既有正向作用，又有反向联系控制的过程。 开环控制与闭环控制的优缺点比较： 对开环控制系统来说，由于被控制量和控制量之间没有任何联系，所以对干扰造成的误差系统不具备修正的能力。 对闭环控制系统来说，由于采用了负反馈，固而被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感，因此，有不能采用不太精密和成本低廉的元件构成控制质量较高的系统。 4.答：10 线性定常系统；（2）非线性定常系统； （3）非线性时变系统；（4）非线时变系统； 1.7.3 提高部分 1.答：1）方框图： 2)工作原理：假定水箱在水位为给定值c（该给定值与电位器给定电信ur对应），此时浮子处于平衡位置，电动机无控制作用，水箱处于给定水位高度，水的流入量与流出量保持不变。当c增大时，由于进水量一时没变浮子上升，导致c升高，给电信计作用后，使电信计给电动机两端电压减小，电动机带动减齿轮，使控制阀开度减小，使进水量减小，待浮
AUTOMATIC CONTROL THEOREM (1) ⒈ Derive the transfer function and the differential equation of the electric network ⒉ Consider the system shown in Fig.2. Obtain the closed-loop transfer function )()(S R S C , ) () (S R S E . （12%） ⒊ The characteristic equation is given 010)6(5)(123=++++=+K S K S S S GH . Discuss the distribution of the closed-loop poles. (16%) ① There are 3 roots on the LHP ② There are 2 roots on the LHP ② There are 1 roots on the LHP ④ There are no roots on the LHP . K=? ⒋ Consider a unity-feedback control system whose open-loop transfer function is ) 6.0(1 4.0)(++= S S S S G . Obtain the response to a unit-step input. What is the rise time for this system? What is the maximum overshoot? （10%） Fig.1
一、填空题 1 闭环控制系统又称为反馈控制系统。 2 一线性系统,当输入就是单位脉冲函数时,其输出象函数与 传递函数 相同。 3一阶系统当输入为单位斜坡函数时,其响应的稳态误差恒为 时间常数T 。 4 控制系统线性化过程中,线性化的精度与系统变量的 偏移程度 有关。 5 对于最小相位系统一般只要知道系统的 开环幅频特性 就可以判断其稳定性。 6 一般讲系统的位置误差指输入就是 阶跃信号 所引起的输出位置上的误差。 7 超前校正就是由于正相移的作用,使截止频率附近的 相位 明显上升,从而具有较大的 稳定裕度。 8 二阶系统当共轭复数极点位于 +-45度 线上时,对应的阻尼比为0、707。 9 PID 调节中的“P ”指的就是 比例 控制器。 10 若要求系统的快速性好,则闭环极点应距虚轴越_ 远 越好。 11 在水箱水温控制系统中,受控对象为_水箱 ,被控量为_水温 。 12 自动控制系统有两种基本控制方式,当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时,称为_ 开环控制方式 ;当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时,称为_ 闭环控制方式 ;含有测速发电机的电动机速度控制系统,属于_ 开环控制方式 。 13 稳定就是对控制系统最基本的要求,若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡,则该系统_ 稳定 _。判断一个闭环线性控制系统就是否稳定,在时域分析中采用_ 劳斯判据 _;在频域分析中采用_ 奈氏判据 _。 14、传递函数就是指在_ 零 _初始条件下、线性定常控制系统的_ 输入拉式变换 _与_ 输出拉式变换 _之比。 15 设系统的开环传递函数为2(1)(1) K s s Ts τ++,则其开环幅频特性为_ _,相频特性为 _-180-arctan(tw-Tw)/1+tTw _。 16 频域性能指标与时域性能指标有着对应关系,开环频域性能指标中的幅值穿越频率c ω对 应时域性能指标_ 调整时间t _,它们反映了系统动态过程的_快速性 _。 17 复合控制有两种基本形式:即按 输入 的前馈复合控制与按 扰动 的前馈复合控制。 18 信号流图由节点___与___支路_组成。 19 二阶衰减振荡系统的阻尼比ξ的范围为_(0,1)___。 20 两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节,以并联方式连接,其等效传递函数为()G s ,则G(s)为 G 1(s)+ G 2(s)(用G 1(s)与G 2(s) 表示)。 21 PI 控制器就是一种相位_比例积分___的校正装置。 22 最小相位系统就是指 S 右半平面不存在系统的开环零点与开环极点 。 23对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面:快速性____、_稳定性___与准确性。 24如果根轨迹位于实轴上两个相邻的开环极点之间,则在这两个极点间必定存在_一个分离点 _。
自动控制原理课程设计题目及要求 一、单位负反馈随动系统的开环传递函数为 ) 101.0)(11.0()(++= s s s K s G k 1、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定 2、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≥30° （3）幅频特性曲线中穿越频率ωc ≥45rad/s 。 4、给出校正装置的传递函数。 5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量K g 。 6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 二、设单位负反馈随动系统固有部分的传递函数为 ) 2)(1()(++= s s s K s G k 1、画出未校正系统的Bode 图，分析系统是否稳定。 2、画出未校正系统的根轨迹图，分析闭环系统是否稳定。 3、设计系统的串联校正装置，使系统达到下列指标： （1）静态速度误差系数K v ≥5s -1； （2）相位裕量γ≥40° （3）幅值裕量K g ≥10dB 。 4、给出校正装置的传递函数。 5、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量K g 。 6、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。 7、应用所学的知识分析校正器对系统性能的影响（自由发挥）。 三、设单位负反馈系统的开环传递函数为 ) 2(4 )(+= s s s G k 1、画出未校正系统的根轨迹图，分析系统是否稳定。 2、设计系统的串联校正装置，要求校正后的系统满足指标： 闭环系统主导极点满足ωn ＝4rad/s 和ξ＝0.5。 3、给出校正装置的传递函数。 4、分别画出校正前，校正后和校正装置的幅频特性图。计算校正后系统的穿越频率ωc 、相位裕量γ、相角穿越频率ωg 和幅值裕量Kg 。 5、分别画出系统校正前、后的开环系统的奈奎斯特图，并进行分析。
自动控制原理校正课程设计-- 线性控制系统校正与分析
课程设计报告书 题目线性控制系统校正与分析 院部名称机电工程学院 专业10电气工程及其自动（单）班级 组长姓名 学号 设计地点工科楼C 214 设计学时1周 指导教师
金陵科技学院教务处制 目录 目录 (3) 第一章课程设计的目的及题目 (4) 1.1课程设计的目的 (4) 1.2课程设计的题目 (4) 第二章课程设计的任务及要求 (6) 2.1课程设计的任务 (6) 2.2课程设计的要求 (6) 第三章校正函数的设计 (7) 3.1设计任务 (7) 3.2设计部分 (7) 第四章系统动态性能的分析 (10) 4.1校正前系统的动态性能分析 (10) 4.2校正后系统的动态性能分析 (13) 第五章系统的根轨迹分析及幅相特性 (16) 5.1校正前系统的根轨迹分析 (16) 5.2校正后系统的根轨迹分析 (18) 第七章传递函数特征根及bode图 (20) 7.1校正前系统的幅相特性和bode图 (20) 7.2校正后系统的传递函数的特征根和bode图 (21) 第七章总结 (23) 参考文献 (24)
第一章 课程设计的目的及题目 1.1课程设计的目的 ⑴掌握自动控制原理的时域分析法，根轨迹法，频域分析法，以及各种补偿（校正）装置的作用及用法，能够利用不同的分析法对给定系统进行性能分析，能根据不同的系统性能指标要求进行合理的系统设计，并调试满足系统的指标。 ⑵学会使用MATLAB 语言及Simulink 动态仿真工具进行系统仿真与调试。 1.2课程设计的题目 已知单位负反馈系统的开环传递函数) 125.0)(1()(0 ++= s s s K s G ，试用频率法 设计串联滞后校正装置，使系统的相角裕量 30>γ，静态速度误差系数 110-=s K v 。
《自动控制原理》习题解答西安建筑科技大学自动化教研室
第一章习题及答案 1-3图1-3 (a)，(b)所示均为调速系统。 (1) 分别画出图1-24(a)、图(b)所示系统的方框图。给出图1-24(a) 所示系统正确的反馈连线方式。 (2) 指出在恒值输入条件下，图1-24(a)，(b) 所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。 图1-3 调速系统工作原理图 解图1-3 (a)正确的反馈连接方式如图1-3 (a)中虚线所示。 (1) 系统方框图如图解1-10所示。 (2) 图1-3 (a) 所示的系统是有差系统，图1-3 (b) 所示的系统是无差系统。 图1-3 (a)中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。这意味着放大器前端电压是非零的常值。因此，常值偏差电压存在是系统稳定工作的前提，故系统有差。 图1-3 (b)中，给定恒定电压，电动机达到稳定转速时，对应发电机激磁绕组中的励磁电流恒定，这意味着执行电动机处于停转状态，放大器前端电压必然为0，故系统无差。 1-4图1-4 (a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。假设空载时两系统发电机端电压均为
110V，试问带上负载后，图1-4(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什么? 图1-4 电压调节系统工作原理图 解带上负载后，开始由于负载的影响，图1-4(a)与(b)系统的端电压都要下降，但图(a)中所示系统能恢复到110V，而图(b) 所示系统却不能。理由如下： 图(a)系统，当u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K放大后，驱动电机D转动，经 I增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电减速器带动电刷，使发电机F的激磁电流 j 压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。因此，图(a)系统能保持110V不变。 图(b)系统，当u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K后，直接使发电机激磁电流增大，提高发电机的端电压，使发电机G 的端电压回升，偏差电压减小，但不可能等于零，因 i=0，发电机就不能工作。即图(b)所示系统的稳态电压会低于110V。为当偏差电压为0时， f 1-5图1-5是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开、闭的工作原理，并画出系统方框图。 图1-5 仓库大门自动开闭控制系统
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Closed-loop control systems 闭环控制系统Open-loop control systems开环控制系统Process 过程Linear system线性系统Nonlinear system非线性系统Continuous system 连续系统Discrete system离散系统 Stability 稳定性Steady-state performance 稳态性能Transient performance 暂态特性mathematical model 数学模型 differential equations 微分方程Transfer function传递函数 zeros and poles of transfer function传递函数的零极点 Inverse proportion part 比例环节Inertia part惯性环节Integral part 积分环节Derivative part 微分环节Vibrate part震荡环节Delay part 滞后环节Block diagram (Equivalent transformation)方框图 (Unit) negative (positive) feedback loop 负（正）反馈回路 Mason formula 梅逊公式disturbance 干扰 Step signal 阶跃信号Ramp signal(speed function signal) 斜波信号Parabola signal(acceleration signal) 加速度信号pulse signal脉冲信号Sinusoidal signal 正弦信号 Delay time延迟时间Rise time 上升时间Peak time峰值时间Settling time 稳定时间Percent overshoot超调量 Steady-state error稳态误差position error coefficient Kp speed error coefficient Kv acceleration error coefficient Ka first-order system一阶系统S econd-order system 二阶系统 high-order system 高阶系统Dominant pole主导极点 Underdamped欠阻尼Critically Damped临界阻尼Overdamped 过阻尼Undamped无阻尼的 Routh-Hurwitz stability criterion劳斯稳定性判据R outh array 劳斯表Character equation 特征方程 root locus 根轨迹open-loop zeros and poles 开环零极点Magnitude and angle requirements of root locus幅值与相角 frequency character 频率特征(inverse) Laplace transformation 拉普拉斯（反）变换Nyquist plot奈奎斯特图Bode diagram波德图 Logarithmic magnitude frequency character对数幅值频率特性 Logarithmic phase frequency character对数相频特征 Nyquist stability criterion奈奎斯特稳定判据 cutoff frequency 剪切频率Phase margin 相位裕量Gain margin 增益裕量Cutoff frequency Cascade phase-lead compensation串联超前矫正Cascade phase-lag compensation 串联滞后校正Cascade phase-lag and -lead compensation串联滞后-超前矫正sample control system 采样控制系统digital control system 数控系统discrete control system离散控制系统Shannon sampling theorem 香农采样定理Zero-order hold 零阶保持sampling period 采样周期Sampling frequency 采样频率Z-transform z变换Z-inverse transform z逆变换pulse transfer function脉冲传递函数 bilinear transform双线性变换
额，这个文档是在百度文库花20分下载的，太坑爹了，所以我加了这几个字重新上传了。大家攒点百度币不容易………… 目录 1 超前校正的原理及方法 (2) 何谓校正为何校正 (2) 超前校正的原理及方法 (2) 超前校正的原理 (2) 超前校正的应用方法 (4) 2 控制系统的超前校正设计 (5) 初始状态的分析 (5) 超前校正分析及计算 (8) 校正装置参数的选择和计算 (8) 校正后的验证 (10) 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 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。 超前校正的原理及方法 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 r u c u 1 R 2R C
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 1()1c aTs aG s Ts += + （2-1） 式中1221R R a R += > , 1212 R R T 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 ?。 超前网路（2-1）的相角为 ()c arctgaT arctgT ?ωωω=- （2-2） 将上式对ω求导并令其为零，得最大超前角频率 m ω=1/T a （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= ?m 仅与衰减因子a 有关。a 值越大，超前网络的微分效应越强。但a 的最大值受到超前 网络物理结构的制约，通常取为20左右（这就意味着超前网络可以产生的最大相位超前大约为65度）如果要得大于 的相位超前角，可用两个超前校正网络串联实现，并在串 联的两个网络之间加一个隔离放大器，以消除它们之间的负载效应。 利用超前网络或PD 控制器进行串联校正的基本原理，是利用超前网络或PD 控制器的相角超前特性。只要正确地将超前网络的交接频率1/aT 或1/T 选在待校正系统截止频率的两旁，并适当选择参数a 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，从而改善系统的动态性能。使校正后系统具有如下特点：低频段的增益满足稳态精度的要求；中频段对数幅频特性的斜率为-20db/dec ，并具有较宽的频带，使系统具 1 arcsin 12m a arctg a a ?-==+
. 第一章引论 1-1 试描述自动控制系统基本组成，并比较开环控制系统和闭环控制系统的特点。答： 自动控制系统一般都是反馈控制系统，主要由控制装置、被控部分、测量元件组成。控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的，按其职能分，主要有给定元件、比较元件、校正元件和放大元件。如下图所示为自动控制系统的基本组成。 开环控制系统是指控制器与被控对象之间只有顺向作用，而没有反向联系的控制过程。此时，系统构成没有传感器对输出信号的检测部分。开环控制的特点是：输出不影响输入，结构简单，通常容易实现；系统的精度与组成的元器件精度密切相关；系统的稳定性不是主要问题；系统的控制精度取决于系统事先的调整精度，对于工作过程中受到的扰动或特性参数的变化无法自动补偿。 闭环控制的特点是：输出影响输入，即通过传感器检测输出信号，然后将此信号与输入信号比较，再将其偏差送入控制器，所以能削弱或抑制干扰；可由低精度元件组成高精度系统。 闭环系统与开环系统比较的关键，是在于其结构有无反馈环节。 < 1-2 请说明自动控制系统的基本性能要求。 答： 自动控制系统的基本要求概括来讲，就是要求系统具有稳定性、快速性和准确性。 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。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（例如恒温控制系统）。对随动系统，被控制量始终跟踪参量的变化（例如炮轰飞机装置）。 快速性是对过渡过程的形式和快慢提出要求，因此快速性一般也称为动态特性。在系统稳定的前提下，希望过渡过程进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差过大，合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 准确性用稳态误差来衡量。在给定输入信号作用下，当系统达到稳态后，其实际输出与所期望的输出之差叫做给定稳态误差。显然，这种误差越小，表示系统的精度
《自动控制原理（下）》 课程论文 1011自动化 XX 2010XXXX 2013.4
非线性控制系统 摘要：非线性控制系统是用非线性方程来描述的非线性控制系统。系统中包含有非线性元件或环节。状态变量和输出变量相对于输入变量的运动特性不能用线性关系描述的控制系统。状态变量和输出变量相对于输入变量的运动特性不能用线性关系描述的控制系统。线性因果关系的基本属性是满足叠加原理。在非线性控制系统中必定存在非线性元件，但逆命题不一定成立。描述非线性系统的数学模型，按变量是连续的或是离散的，分别为非线性微分方程组或非线性差分方程组。非线性控制系统的形成基于两类原因，一是被控系统中包含有不能忽略的非线性因素，二是为提高控制性能或简化控制系统结构而人为地采用非线性元件。 关键字：非线性系统相平面法描述函数法 正文： 一、非线性特性 典型非线性特性 （1）非线性系统的特点 ①叠加原理无法应用于非线性微分方程中。 ②非线性系统的稳定性不仅与系统的结构和参数有关，而且与系统的输入信号和初始条件有关。 ③线性系统的零输入响应形式与系统的初始状态无关，而非线性系统的零输入响应形式与系统的初始状态却有关。 ④有些非线性系统，在初始状态的激励下，可以产生固定振幅和固定频率的自激振荡或极限环。 （2）典型非线性特性 二、非线性控制系统的应用条件 非线性系统的分析远比线性系统为复杂，缺乏能统一处理的有效数学工具。在许多工程应用中，由于难以求解出系统的精确输出过程，通常只限于考虑：①系统是否稳定。②系统是否产生自激振荡（见非线性振动）及其振幅和频率的测算方法。③如何限制自激振荡的幅值以至消除它。例如一个频率是ω的自激振
自动控制原理试题及答案 Prepared on 24 November 2020
《自动控制原理》试题及答案 1、若某串联校正装置的传递函数为(10s+1)/(100s+1)，则该校正装置属于(B )。3分 2、在对控制系统稳态精度无明确要求时，为提高系统的稳定性，最方便的是（A）3分 3、在系统中串联PD调节器，以下那一种说法是错误的（D） 3分 A 是一种相位超前校正装置 B 能影响系统开环幅频特性的高频段 C 使系统的稳定性能得到改善 D使系统的稳态精度得到改善 4、用超前校正装置改善系统时，主要是利用超前校正装置的（A ）3分 5、I型系统开环对数幅频特性的低频段斜率为（B ）9分 6、设微分环节的频率特性为G(jω)，当频率ω从0变化至∞时，其极坐标平面上的奈氏曲线是（）9分 7、关于线性系统稳定性的判定，下列观点正确的是 ( )。9分 8、若两个系统的根轨迹相同，则有相同的( ) 9分 9、关于系统零极点位置对系统性能的影响，下列观点中正确的是( ) 7分 10、高阶系统的主导闭环极点越靠近虚轴，则系统的( ) 2分 11、若某最小相位系统的相角裕度γ>0，则下列说法正确的是 ( )。2分 12、某环节的传递函数是G(s)=5s+3+2/s，则该环节可看成由（D ）环节组成。2分
13、主导极点的特点是（A ）2分 14、设积分环节的传递函数为G(s)=K/s，则其频率特性幅值A(ω)=（）2分 15、某环节的传递函数为K/(Ts+1)，它的对数幅频率特性随K值增加而（）2分 16、某系统的传递函数是G(s)=1/(2s+1)，则该可看成由（C ）环节串联而成2分 17、若系统的开环传递函数在s右半平面上没有零点和极点，则该系统称作（B）2分 18、某校正环节传递函数G(s)=(100s+1)/(10s+1)，则其频率特性的奈氏图终点坐标为（ D）2分 19、一般为使系统有较好的稳定性,希望相位裕量为（ C）2分 20、最小相位系统的开环增益越大，其（）2分 21、一阶微分环节G(s)=1+Ts，当频率ω=1/T时，则相频特性∠G(jω)为（）2分 22、ω从0变化到+∞时，延迟环节频率特性极坐标图为（）2分 23、开环传递函数为G(s)H(s)=(s+3)/(s+2)(s+5)，则实轴上的根轨迹为（B）2分 24、开环传递函数为G(s)H(s)=K/(s*s*s(s+4))，则实轴上的根轨迹为（）2分 25、某单位反馈系统的开环传递函数为：G(s)=K/(s(s+1)(s+5))，当k=（C ）时，闭环系统临界稳定。2分 26、若系统增加合适的开环零点，则下列说法不正确的是 (B ) 2分 27、当二阶系统的根分布在根平面的虚轴上时，系统的阻尼比为（B）3分
自动控制原理结课论文论文题目：时域分析的Matlab实现
时域分析的Matlab实现 摘要 分析和设计系统的首要工作是确定系统的数学模型。一旦建立了合理的、便于分析的数学模型，就可以对已组成的控制系统进行分析，从而得出系统性能的改进方法。经典控制理论中，常用时域分析法、根轨迹法或频率分析法来分析控制系统的性能。本文采用MATLAB 语言编程实现了高阶系统时域分析，分析了其稳定性、快速性、准确性，并应用实例验证了其有效性。 [关键词] 时域分析高阶系统MATLAB 实现
目录 一、引言 (1) 二、时域分析基础理论 (1) （一）典型输入信号和时域性能指标 (2) 1、典型输入信号 (2) 2、时域性能指标 (4) （二）一阶系统的时域分析 (5) 1、单位阶跃响应 (5) 2、单位斜坡响应 (7) 3、单位脉冲响应 (7) （三）高阶系统的时域分析 (8) 三、基于MATLAB实现高阶系统的时域分析 (10) 四、高阶系统时域分析的MATLAB 实现 (11) （一）应用经典法求解 (12) （二）MATLAB实现 (12) 1、系统稳定性分析 (13) 2、系统的快速性分析 (16) 3、系统的准确性分析 (16) （三）应用MATLAB分析系统的动态特性 (17) 五、结论 (19) 参考文献 (20)
时域分析的Matlab实现 一、引言 信号与系统的分析在自动控制领域有十分重要的作用。进行分析时，一般先抽象为数学模型，然后讨论系统本身的初始状态以及不同激励时的响应。对于高阶的微分方程，由于计算量庞大，人工计算难于实现。经典控制理论对高阶系统进行时域分析通常采用拉氏反变换的方法求系统响应，系统阶次越高，进行拉氏反变换的困难就越大，因此，用经典法对高阶系统进行时域分析是一件较困难的事。本文采用MATLAB 语言编程，设计了对高阶系统进行时域性能辅助分析程序，充分发挥了MATLAB 人机交互性好、函数调用方便、数学运算与绘图功能强大的优势，使分析效率和准确性大为提高。 二、时域分析基础理论 那什么是时域分析呢？时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。在初值为零时，一般都利用传递函数进行研究，用传递函数间接的评价系统的性能指标。具体是根据闭环系统传递函数的极点和零点来分析系统的性能。此时也称为复频域分析。