自动控制课程设计报告乔垒垒

1、13第一章 绪论11.1自动控制理论的背景11.2自动控制理论的发张1第二章 温度控制系统总体方案设计32.1温度控制系统简易图32.2温度控制系统的方块图3第三章 各环节的建立43.1 电压放大电路43.2 功率放大电路53.3 直流伺服电动机电路5第四章 温度控制系统分析64.1根轨迹系统分析6第五章系统分析校正85.1系统的分析85.2温度系统的校正9第六章 总结116.1学习体会11参考文献12第一章 绪论1.1自动控制理论的背景自动控制原理是人类征服自然地生产实践活动中孕育、产生、并随着社会生产和科学技术进步而不断发展完善起来的。自动控制原理的作用日益突出，自动控制技术的运用大大提高

2、劳动生产率和产品质量，同时也改变了劳动条件，在在改善人类的居住环境和提高生活质量方面发挥了非常重要的作用。自二十世纪中叶以来，在工程和科学发展中，自动控制技术的应用起着极为重要的作用。导弹能够准确地命中目标，人造卫星能按预定的轨道运行并返回地面，宇宙飞船能准确地在月球着陆，并重返地球，都是由于自动控制技术迅速发展的结果。工业生产过程中诸如对压力、温度、湿度、流量、频率、物位、成分等方面的控制，都是自动控制技术的重要组成部分。自动控制原理是自动控制技术的理论基础，是一门理论性较强的工程科学。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论一般可分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。经典控制

3、理论的内容主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。由于发展较早，现已成熟。在工程上，相当成功地解决了大量实际问题，因此它是研究自动控制系统的重要理论基础。现代控制理论的内容主要以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、定常数或变参数、线性或非线性一类自动控制系统的分析和设计问题。随着现代科学技术的发展，已出现最优控制、最佳滤波、模糊控制、系统辩识、自适应控制等一些新的控制方式。因此它也是研究庞大的系统工程和模仿人类的智能控制等方面必不可少的理论基础。1.2自动控制理论的发张自动控制领域的发展过程，目前经过了五代150多年前第一代过程控制体系是基于513psi的气

4、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010mA或420mA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。它表征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

5、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）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用420mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式

6、控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于420mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就像DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场

7、控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。简单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。主要的总线有Prof

8、ibus，LonWorks等 第二章 温度控制系统总体方案设计2.1温度控制系统简易图图2.1 温度控制系统机构简图该图的电炉是用电阻丝加热的，工艺上要求炉温恒定，图中采用热电偶来测量温度并将炉温转换为电压信号，将其反馈输入端与给定电压比较，测量得到的电压信号与给定信号反极性连接，实现负反馈。二者的差值称为偏差电压，它经电压放大和功率放大驱动直流电动机。电动机经减速器带动调压变压器的可动触头，改变电阻丝的供电电压，从而调节炉温。 当炉温偏低是，测量电压u小于给定电压U0,二者比较得偏差电压u=u0-u，u为正是，电动机正转，使调压器的可动触头上移，电阻丝的供电电压增加，电流加大，炉温上升，直至

9、炉温升至给定值为止。u=u0，u=0，电动机停转，炉温保持恒定。2.2温度控制系统的方块图系统的被控对象是电炉，被控量是电炉炉温，电动机,减速器，调压器是执行机构，热电偶是检测元件。第三章 各环节的建立3.1 电压放大电路电压放大器的电路图如图：图3-1电压放大电路由负阻抗法可知 （3-1）这可知传递函数为3.2 功率放大电路本系统采用晶闸管整流电路装置，它包括触发电路和晶闸管主回路。忽略晶闸管控制电路的时间滞后，其输入输出方程为 式中为比例系数若经拉普拉斯变换可知图3-2功率放大电路3.3 直流伺服电动机电路直流伺服电动机的工作实质是将输入的电能转换为机械能，也就是由输入的电枢点路ua（t）

10、在电枢回路中产生电枢电流ia(t)与激磁磁通相互作用产生电磁转矩Mm(t),从而拖动负载运动。在工程应用中，由于电枢电路电感La较小，通常忽略不计，因而可得 （3-2）式中k1k2为电动机传递系数。如果电枢电阻Ra和电动机的转动惯量Jm都很小可忽略不计时，式换可以进一步化简为Cemt=uat经拉普拉斯变换可知，Uas=CesWms=10s （3-3）由以上所求各部分的传递函数既可以得到本系统的总传递函数：GS=10SS+10.125S+1图3-3传递函数框图第四章 温度控制系统分析 4.1根轨迹系统分析GS=10SS+10.125S+1一传递函数由三个极点，没有零点，则系统有三条根轨迹，二、根

11、轨迹关于实轴对称，且是连续变化的。三、根轨迹的渐近线 a=-1-83-0=-3a=2k+13=3四 实轴上的根轨迹段，在实轴上的根轨迹段为-，-8五 根轨迹的分离点和会和点由NSMS-MSNS=0可知，分离点为s3+9s2+8s=0化简33s2+18s+8=0得 s1=-18+18-43823=-0.5 s2-18-182-43823=-7舍去六 根轨迹和虚轴的交点特征方程式为：s3+9s2+8s+80=0 令s=jw代入方程式得-jw3-9w2+8jw+80=0 80-9w2=08w-w3=d得w=3.16d=-2.62由以上的根轨迹的规则可画的下图的根轨迹。图4-1根轨迹图第五章 系统分析

12、校正5.1系统的分析系统的传递函数为：该传递函数的Bode图”图5-1传递函数的Bode图设计校正装置，使系统K=10.得：5.2温度系统的校正不满足要求，选择串联超前装置进行校正；计算校正装置参数：校正装置传递函数验证校正后系统开环传递函数不满足要求，重新设计。将值增大，取=10.取 校正装置传递函数如下，校正后系统开环传递函数为：再将增大，取。给系统校正后的Bode图：图5-2系统校正后的Bode图第六章 总结6.1学习体会通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：1、了解自动控制的原理和应用，以及自控软件使用的注意事项。2、 培养具有综合应用相关知识来解决仿真问题的基础理论；3、 培养

13、在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径通过本次的课程设计，使我们学到了很多，同时也收获了很多，在本次的自动控制理论课程设计温度控制系统中，是对我们在课程理论知识的总结，也是为我们对课程总体设计有了新的概念。在这次的课程设计中，也让我们意识到我们平时学的理论知识不够扎实，为我们在以后的学习过程中提供了方向。我们在这次的课程设计中，团队精神也是起着关键的作用，之所以我们能够完成本次的课程设计，就与我们小组的每一个成员是分不开的，同时我们与其他小组也有广泛的交流。同

14、时我们也得到了老师的帮助和解答。 本次课程设计包括设计之前的备战，了解了自动控制系统理论的背景及发展过程。设计之中的查阅资料分析计算，以及利用仿真系统进行仿真、校正的过程。到最后的论文的制作共用时十天左右。在这十天中我们受益匪浅，我们学到了教材上没有的知识。也检查了我们对理论知识的掌握程度，我们那些地方还有掌握不足的地方，为我们以后的学习自动控制系统理论知识指明了方向，同时也为我们以后的工作打下了认识基础。通过这次课程设计，又一次接触到了Matlab软件，使我掌握了一些用Matlab解决自动控制原理相关问题的方法，通过运用这个软件我们很轻松的可以获取传递函数的一些相关图像，例如可以用软件绘制伯德图、奈氏图等等，而且可以通过Matlab直接仿真，非常方便，同时体会到了这款软件的强大，觉得有必要系统的学习一下这个软件。 总之这次温度控制系统的设计和仿真以及校正环节的设计，基本上达到了设计的功能要求。在以后的实践中，我