自动控制理论课程设计培训大纲老师用

1、自动控制理论课程培训大纲自动化与电气工程学院自动化系 二00九年六月十九号培训内容一、 课程设计的目的二、 课程设计的要求和过程管理三、 考核评估四、 课程设计题目五、 时间安排六、 附录 一、目的作为自动化专业的学生，通过该课程设计，可以使学生更深入理解控制系统的基本理论和基本方法，掌握控制系统的分析与综合的方法。该课程设计对于培养和提高学生运用理论分析和解决实际问题的能力和水平有极大的意义。二、课程设计的要求和过程管理设计步骤的规范不但可以培养学生科学的工作方法和作风，而且还能有效地减少错误，提高工作效率。因此必须严格执行良好的课程设计步骤规范。本课程设计的基本步骤是：1. 问题分析及解决

2、方案框架确定充分地分析和理解问题本身，弄清要求做什么（what to do?）。在确定解决方案框架过程中（how to do?），综合考虑控制方案和系统结构。2. 理论设计明确控制器的设计原理和设计方法，并按照性能指标要求设计出控制系统。3. 软件仿真实现用matlab的simulink搭建系统模型，进行仿真实验。要求在matlab窗口中用plot语句输出仿真结果。4. 硬件实验设计出系统的模拟电路图，并利用自动化系的控制理论实验箱搭建该系统模拟电路，以进行实验验证。要求记录示波器的结果，并与软件仿真结果进行比较。5. 完成课程设计报告课程设计报告应包括的内容有： 问题描述：明确课程设计的目的

3、和题目要解决的问题。 设计过程和步骤：根据有关的控制原理和设计方法，按照性能指标要求，设计出控制系统。要求给出详细的设计方法和设计步骤。 软件仿真实验结果及分析：给出matlab的仿真结构图及其仿真运行结果，并对结果加以分析和说明。 硬件物理实验结果及分析：画出控制系统的模拟电路图，给出示波器的运行结果，并对结果加以分析和说明。 写出课程设计过程（包括理论设计、软件仿真验证、电路模拟验证）中遇到的主要问题，并说明是如何解决的；谈谈此次课程设计的体会和经验等；提出对课程设计的改进设想。三、考核评估通过理论分析和设计、软件仿真实现、电路模拟实现、总结报告和学习态度并结合学生的动手能力，独立分析解决

4、问题的能力等方面进行综合考评。成绩分优、良、中、及格和不及格五等。考核标准包括：1、 控制系统理论分析与设计、软件仿真实现以及电路模拟实现。2、 学生的工作态度、独立分析问题和解决问题的能力、动手能力。3、 总结报告。课程设计一结束即评定成绩。重点考核以下几个方面的具体内容：（1） 理论分析设计内容，占总成绩的20%；（2） 仿真验证完成情况，占总成绩的20%；（3） 实验验证完成情况，占总成绩的20%；（4） 课程设计报告完成情况，占总成绩的20%；（5） 平时设计认真，独立思考完成情况，占总成绩10%；（6） 平时出勤情况，占总成绩的占总成绩的10%。学生课程设计成绩以优秀、良好、中等、及

5、格、不及格五个层次给出，这五档成绩的标准为：（1） 优秀：理论分析设计正确、完成仿真验证和实验验证情况；课程设计报告叙述清楚、书写规范；独立思考完成设计任务。（2） 良好：理论分析设计正确、完成仿真验证和实验验证情况；课程设计报告叙述较为清楚、书写较为规范；能够独立思考完成设计任务。（3） 中等：基本上是独立完成理论分析设计和仿真验证以及实验验证；课程设计报告叙述基本正确、书写较规范。（4） 及格：在同学的协助下初步完成理论分析设计和仿真验证以及实验验证；课程设计报告叙述基本清楚、书写基本合格。（5） 不及格：设计不认真、错误较多，未能完成设计任务。四、课程设计题目（可以从下列三题中任选一题）

6、题目一 连续定常系统的频率法超前校正1 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。2 内容已知单位反馈控制系统的开环传递函数为： 设计超前校正装置，使校正后系统满足： 3基于频率法的超前校正器理论设计用频率法对系统进行串联超前校正的一般步骤为： (1)根据稳态误差的要求，确定系统的开环增益； (2)

7、根据所确定的开环增益，画出未校正系统的伯德图，并求出其相位裕量； (3)由给定的相位裕量值，计算超前校正装置应提供的相位超前量，即 式中的是用于补偿因超前校正装置的引入，使系统的剪切频率增大而增加的相角迟后量。值通常是这样估计的：如果未校正系统的开环对数幅频特性在剪切频率处的斜率为，一般取；如果该频段的斜率为，则取； (4) 根据所确定的最大相位超前角，按下式算出相应的值 (5)计算校正装置在处的幅值(参见图1-1)。由未校正系统的对数幅频特性图,求得其幅值为处的频率，该频率就是校正后系统的开环剪切频率，即； (6)确定校正网络的转折频率和； (7)画出校正后系统的伯德图，并验算相位裕量是否满

8、足要求?如果不满足，则需增大值,从步骤(3)开始重新进行计算。超前校正装置的传递函数为： 超前校正网络的伯德图为：图1-1 超前校正网络的伯德图 4电路模拟实现原理超前校正前系统的模拟原理图为： 图1-2 超前校正前系统的模拟原理图按照串联超前校正环节的理论设计，可以得到系统校正环节的传递函数为： 超前校正后系统的模拟原理图为： 图1-3 超前校正后系统的模拟原理图 利用自动化系的控制理论实验箱搭建模拟电路，以进行实验验证。要求：观看示波器，记录系统在校正前后的阶跃响应曲线，记录系统在校正前后系统的时域指标，检验理论设计结果。5仿真实现可以通过两种方式进行仿真：编制matlab-m文件或者在m

9、atlab/simulink环境下搭建仿真模型进行仿真。要求：（1）将校正前后的阶跃响应曲线画在同一坐标下（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系统的时域指标。（2）将matlab 结果与实验结果进行分析比较。（3）在同一坐标下画出校正前后的bode图（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系统的相角裕量和幅值裕量。 （4）画出超前校正装置的bode图。6思考 （1）超前校正对改善系统性能有什么作用？什么情况下不宜采用超前校正？（2）有否其他形式的校正方案？参数如何？怎样模拟？可以自己拟订校正方案，分别通过仿真和实验加以验证。（3）分析校正前后系统的阶跃响应曲线和bode图，说明校正装置对改

10、善系统性能的作用。（4）超前校正的原理是什么？题目二 连续定常系统的频率法迟后校正1 目的（1） 掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法；（2） 研究串联迟后校正装置对系统的校正作用；（3） 设计给定系统的迟后校正环节，并用仿真验证校正环节的正确性。（4） 设计给定系统的迟后校正环节，并实验验证校正环节的正确性。2内容已知单位反馈控制系统的开环传递函数为： 设计迟后校正装置，使校正后系统满足： 3基于频率法的迟后校正器理论设计用频率法对系统进行迟后校正的一般步骤为： （1）根据给定静态误差系数的要求，确定系统的开环增益； （2)根据确定的值，画出未校正系统的伯德图，并求出相应的相位裕量

11、和增益裕量。 （3)如果相位裕量不满足要求，则在对数相频特性曲线上找这样一个频率点，要求在该频率处的开环频率特性的相角为 以这一频率作为校正后系统的剪切频率。式中，为系统所要求的相位裕量，是考虑到因迟后网络的引入，在剪切频率处产生的相位迟后量，一般取。 （4）设未校正系统在处的幅值等于，据此确定迟后网络的值。 （5）选择迟后校正网络的转折频率，则另一个转折频率为。 （6）画出校正后系统的伯德图，并校核相位裕量。如果不满足要求，则可通过改变值重新设计迟后校正网络。迟后校正网络的传递函数为： 迟后校正网络的伯德图为： 图2-1迟后网络的伯德图 4电路模拟实现原理迟后校正前系统的模拟原理图为： 图2

12、-2 迟后校正前系统的模拟原理图按照串联迟后校正环节的理论设计，可以得到系统校正环节的传递函数为： 迟后校正后系统的模拟原理图为：图2-3 迟后校正后系统的模拟原理图利用自动化系的控制理论实验箱搭建模拟电路，以进行实验验证。要求：观看示波器，记录系统在校正前后的阶跃响应曲线，记录系统在校正前后系统的时域指标，检验理论设计结果。5仿真实现可以通过两种方式进行仿真：编制matlab-m文件或者在matlab/simulink环境下搭建仿真模型进行仿真。要求：（1）将校正前后的阶跃响应曲线画在同一坐标下（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系统的时域指标。（2）将matlab 结果与实验结果进行分

13、析比较。（3）在同一坐标下画出校正前后的bode图（以方便校正结果的比较），记录校正前后系统的相角裕量和幅值裕量。 （4）画出超前校正装置的bode图。6思考 （1）超前校正对改善系统性能有什么作用？什么情况下不宜采用超前校正？（2）有否其他形式的校正方案？参数如何？怎样模拟？可以自己拟订校正方案，分别通过仿真和实验加以验证。（3）分析校正前后系统的阶跃响应曲线和bode图，说明校正装置对改善系统性能的作用。（4）超前校正的原理是什么？题目三 连续定常系统的频率法迟后-超前校正1 目的（1）掌握用频率特性法分析自动控制系统动态特性的方法；（5） 研究串联迟后-超前校正装置对系统的校正作用；（6

14、） 设计给定系统的迟后-超前校正环节，并用仿真技术验证校正环节的正确性。（7） 设计给定系统的迟后-超前校正环节，并模拟实验验证校正环节的正确性。2内容已知单位反馈控制系统的开环传递函数为： 设计迟后-超前校正装置，使校正后系统满足： 3基于频率法的迟后校正器理论设计采用期望特性校正法的设计步骤如下：（1）根据系统稳态精度要求，确定系统的开环增益，绘制未校正系统的开环对数幅频特性。 (2)根据给定的设计指标，确定并绘制期望开环对数幅频特性。 (3)由期望的对数幅频特性减去未补偿系统的对数幅频特性，两者之差是串联校正装置的对数幅频特性，进而写出校正装置的传递函数表达式。 （4）验证校正后系统是否

15、满足性能指标要求。 典型形式的期望对数幅频特性的求法如下：（1）根据对系统型别及开环增益（或稳态误差）要求，绘制期望特性的低频段。(2)根据对系统相角裕度、中频区宽度、中频区特性上下限转折频率与要求，绘制期望特性的中频段，使其通过剪切频率，并取中频区特性的斜率为，以确保系统具有足够的相角裕度。 (3)绘制期望特性低、中频段之间的衔接频段，其斜率一般与前、后频段相差，否则对期望特性的性能有较大影响。 (4)根据对系统增益裕量及抑制高频噪声的要求，绘制期望特性的高频段。通常，为使校正装置比较简单，以便于实现，一般使期望特性的高频段斜率与未校正系统的高频段斜率一致，或完全重合。(5)绘制期望特性的中

16、、高频段之间的衔接频段，其斜率一般取。相位迟后-超前网络的传递函数为： 相位迟后-超前网络的伯德图为：图3-1 迟后-超前网络的伯德图4电路模拟实现原理迟后-超前校正前系统的模拟原理图为： 图3-2 迟后-超前校正前系统的模拟原理图按照串联迟后-超前校正环节的理论设计，可以得到系统校正环节的传递函数为： 迟后-超前校正后系统的模拟原理图为： 图3-3 迟后-超前校正后系统的模拟原理图利用自动化系的控制理论实验箱搭建模拟电路，以进行实验验证。要求：观看示波器，记录系统在校正前后的阶跃响应曲线，记录系统在校正前后系统的时域指标，检验理论设计结果。5仿真实现可以通过两种方式进行仿真：编制matlab-m文件或者在matlab/simulink环境下搭建仿真模型进行仿真。要求：（1）将校正前后的阶跃响应曲线画在同一坐标下（以方便校正结果的比较），并记录校正前后系统的时域指标。（2）将matlab 结果与实验结果接着分析比较。（3）在同一坐标下画出校正前后的bode图（以方便校正结果的比较），记录校正前后系统的相