重庆邮电大学移通学院
《自动控制原理》课程设计（简明）任务书
－供０７级电气工程及其自动化专业本科学生用
引言：《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要教学 环节，塔有别于毕业设计，更不同于课堂教学。它主 要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理 论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法， 对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。
设计题目：Ｉ型二阶系统的典型分析与综合设计
一． 系统说明：
该Ｉ型系统物理模拟结构如下图。
其中：Ｒ０＝100ＫΩ; C1=C2=10-5F; R2=R0 Rf为线性滑动电位器，可调范围为:10-1R0～10R0 4 设计过程中可忽略各种干扰，比如：运算放大器的零点
漂移，环节间的负载效应，外界强力电力设备产生的电 磁干扰等。
二． 系统参量： 系统输入信号：r(t);
系统输出信号：y(t)；
1
四． 设计指标：设定：输入为r(t)=a+bt（其中：a=5 b=4） 在保证静态指标KV=5（ess≤0.8）的前提下，
要求动态期望指标：σ p﹪≤8.5﹪；ts≤2sec；
五． 基本要求：
1. 建立系统数学模型——传递函数；
2. 利用频率特性法（或根轨迹方法）分析系统；
3. 利用频域特性法（或根轨迹方法）综合系统；
4. 完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；
5. 完成系统综合前后的计算机仿真（验证）实验；
六． 设计缴验：
1. 课程设计计算说明书一份；
2. 原系统组成结构原理图一张（自绘）；
3. 系统分析，综合用精确BODE图（或根轨迹图）各一张；
4. 系统综合前后的模拟图各一张（附实验结果图）；
5. 计算机仿真程序框图一张；
6. 计算机仿真程序清单一份（附仿真实验结果图）；
7. 封面装帧成册；
2
3
目录
第一章. 系统概述.????????????????????6
1.1设计目的???????????????????????6
1.2系统原理简述?????????????????????6
1.3设计指标???????????????????????7
1.4基本要求???????????????????????7
第二章。系统建模?????????????????????7
2.1 各环节建模?????????????????????7
2.2系统建模???????????????????????9
2.3 简化结构框图????????????????????10
第三章.系统分析?????????????????????10
3.1稳定性分析??????????????????????10
3.2精度分析???????????????????????11
3.3动态分析???????????????????????11
第四章.系统综合设计???????????????????14
4.1 综合设计方案????????????????????14
第五章. 系统物理模拟??????????????????17
5.1原系统模拟图?????????????????????17
5.2速度反馈环节的模拟??????????????????17
5.3校正后系统模拟图???????????????????18
第六章.结束语??????????????????????19
6.1设计过程中的体会.???????????????????19 4
6.2致谢.???????????????????????19
6.3参考文献.?????????????????????20
5
第一章.
㈠系统概述
1.1．设计目的
?自动控制原理?课程实际是该课程的一个重要教学环节，它既
有别与毕业设计，更不同于教堂教学。它主要是培养学生统筹运用自动控制原理课程中所学的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和基本方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。
1.2.系统原理简述
系统通过比例环节，存积分环节，惯性环节，实现I阶二型系统， 二阶系统结构图
结构图
以典型的单位反馈系统来分析二阶系统的单位阶跃响应。系统的响应取决于闭环系统特征方程式的根，即闭环极点。求解二阶系统的问题有二种类型，1)正面问题，给出传递函数，求性能指标。与标准式相对比，求出
， ，而后代入性能指标公式计算性能指标。2)反面问题，给定性能指标，求系统参数（如系统增益K，环节时间常数 ）根据给定的传递函数与标准型式对比，找出参数与 ， 的关系。其次依据给定的性能指标应用性能指标公式，计算出 ， 的值。依据参数与 ，
6 的关系计算出参数
1.3.设计指标。
设定：输入为r（t）=a+bt，（其中：a=5 b=4）
在保证静态指标Kv=5（ess≤0.8）的前提下，
要求动态期望指标：бp % ≤ 8.5%; ts ≤ 2 sec;
1.4。基本要求：
① 建立系统数学模型——传递函数；
② 利用频率特性法（或根轨迹方法）分析系统；
③ 利用频率特性法（或根轨迹方法）综合系统；
④ 完成系统综合前后的有源物理模拟（验证）实验；
⑤ 完成系统综合前后的计算机仿真（验证）实验。
第二章. 系统建模.
2.1. 各环节建模型（环节结构图，输入——输出，传递函数）。系统为有源输入网络，课分为三个环节。
⑴. 比例环节
系统结构如下图（1），
结构框图如图（2），
传递函数G1=-K=-Rf
Ro=K1
7
图（1） 图（2）
（2）纯积分环节
系统结构如下图（3），
结构框图如图（4）
G2（s）=-Y2(s)=-Zf(s)1Y1(s)Zf(s)=-RO=-K21
C1ST2S=-S
图（3） 图（4）
（3）惯性环节
系统结构如下图（5），
结构框图如图（6）
8
图5 图6 G3（s）=-R2=-K3
R=-1
2 0(1?R2C2S)T3S?1S?
2.2.系统模型
G0（s）=G1(S)G2(S)G3(S)
G0（s)=K1K2K3
T=K1
T 2S(3S?1)S(S?2)
G(S)=G0(S)
1?G 0(S)
如下图（7）整个系统结构图
图（8）为系统框图结构
图7
9
图8
2.3. 简化结构框图，代人参数。可得如图9
图9
10
第三章. 系统分析
简化系统后，系统等价数模：
G0(s)=KP S(S?2)
3.1判断系统稳定性：稳定是首要条件。（按照基本知识，阻尼系数ξ存在，即ξ>0，且一次项系数不等于0，则可判断系统稳定）。
系统特征方程为:
S+2S+KP=0
该系统俩个极点都分布于S平面左半部分，可判定该系
统稳定。
3.2 精度分析：
该系统为I型二阶系统，输入为斜坡输入。
（1） 跟随能力：型二阶系统在斜坡输入作用下课完全跟随阶跃信 号，也可跟随速度信号，但存在一个稳定误差。
（2）稳定误差：ess
系统参考输入为斜坡函数，r（t）=a+bt。则系统的稳态误 差为 ess=esp+esv 2I
esp=0
b esv=K 0
??0s.G0(s)=又 K0=Lims?KP 2
ess=esv=b k0
11
要使ess≤0.8，则Kp≥10；
3.3 动态分析
（1） 运用根轨迹法
系统开环传递函数为 G0（s）=KP
S(S?2)
系统零点Z1,2:∞,∞ 极点：S1 =0, S2=-2 G0(S)分母阶次为n，分子阶次为m
因为n-m=2≥2.则系统闭环极点之和等于开环极点之和。
n
S重心=?Pi
i?1=-1
实轴坐标为-1，极点重心不变。根轨迹如下图10
图10
（2） 分析
Kp：0→ KA 俩根均在实轴；
12
KP:KA →∞ 二阶欠阻尼系统;
选取KP的值，特征方程
S2+2S+KP=0
在A点：SA=S1,2=-1±j=-ξwn±jwn??2 Ims1,2??2
R =eS1,2?=1
→ξ=2
2=0.707
∴б-?
0%=e??2×100%=4.3%
满足бp % ≤ 8.5%。 GO(S)S1,2=1
Ts=（3~4）1
?W=（3~4） sec
n
不满足ts≤2 sec的条件另选取一个KP 值。
在B点
SB=S1,2=-1±3j=-ξwn±j3wn??2 ?
Ims1,2
R =3
eS1,2??2=3
→ξ=0.1=0.316
? ∴б-
0%=e??2×100%= 6.8%
满足 бp % ≤ 8.5% 的条件 。
ts=（3~4）1
?W=（3~4） sec
n
13
不满足ts≤2 sec的条件。 说明：该系统通过调整K1，可改变б0%，求出最优，但不能满足快速性ts。
14
第四章.
系统综合设计：
4.1 综合设计方案：通过前面的分析可知，原系统满足期望指标 бp%≤8.5%。关键是ts，要提高系统响应速度，则须采用 速度反馈。
改进之后的系统结构框图如图11所示。可简化为图
12.
图
11
图12
15
取KP等于10，则GOt(S)=10(1??s)
s(s?2)
D(S)=1+GOC(S)=0 D(S)=1+10ts
s?2s?10,
∴ Gs0τ(s)=10?
(s?1?j)(s?1?j)
图13 可知，?Wn>2，则ts=（3~4）1
?W=1.5~2 sec
n
则校正原系统：
可得G10(1??S)
0(S)=S(S?2)
则有G10?S
0τ(S)=S2?2S?10=10?S
(S?1?j3)(S?1?J3)
绘制τ-参数根轨迹：零点：0，∞。 16
极点坐标:(-1+j3),(-1-j3) 则期望根轨迹根轨迹如图14
由图，通过计算：ф0
x=198.5ф*x=-198.50
Бp%≤ 8.5% ，
Б-
p%=e????2 ×100%= 8 %
可得ξ≈0.63
在图14上做等分线：
因为 S1,2=-ξwn±jwn? 所以Ims1,2
R=??1.23
eS1,2?=1.23=1
等分线与根轨迹交点：
SA1.A2=-2±j2.45 =-ξwn±jwn??
得ts=（3~4）1
?W=（1.5~2 ）sec
n
图14 ≤2 sec ts17
确定满足指标τ，速度反馈
D0τ(S)=S2+2S+10+10τS=0;
S2+(2+10τ)S+10=0;
S?(2?10S)?(2?10?)2?40
1.2=2
=-2±j2.45
所以-（1+5τ）=-2
τ=0.2
第五章。
5.1 原系统的模拟图.（带入数据）如图15
图15
5.2速度反馈环节的模拟。如图16
18
图16
5.3 校正后系统模拟图。图
17 图17
19
第六章。 结束语
6.1 设计过程的体会，心得.
初次这个课程设计，确实觉得很棘手。再加上刚放寒假回来，离上学期学的也过去了一段时间，有些遗忘。因此在着手做这个设计的时候也感到比较难，经过仔细听听老师的讲解之后，再次深刻的体会到冰冻三尺非一日之寒，一件事只有踏踏实实的从头开始，最后才会有条不紊的完成。
开始的俩天就阅读相关的书籍，切合设计的要求从书中列出需要用到的知识点，不懂的地方通过大家的讨论也逐步的弄懂了。再次让我感觉团队合作的力量是不多么强大，也加强了自己的团队合作意识。查查写写，时间很快就过去了一大半，懂得的知识也越来越多，直至最后完成整个课程设计，这几天让我非常的忙碌，也可以说是忙却有盼头，希望自己能很好的完成本次设计就足够了，这是对我们综合素质提高的一种形式，我知道我应该好好把握这些机会，认真对待。最后才会有比较让自己满意的结果，只要付出，就有收获，这是亘古不变的恒言，多读书，读好书，多动脑，勤动手，在大学积累的知识将是人生不可多得的一笔财富。
20
6.2 致谢.
一个人要想独立完成任何一件事情都是不可能的，必须依靠外部力量，在做这个设计也同样如此，完成设计与老师的教导是分不开的，在这里首先要感谢汪纪锋老师，感谢他在这一年多时间来对我的谆谆教导，也同样要感谢马冬梅老师，平时很多不懂得地方都是找的马老师，只能说：“马老师辛苦了”。还有其他自动化系的老师，你们都是我的良师益友，谢谢！团队的力量是巨大的，设计过程中，与同学们的合作也很重要，感谢我的室友，感谢我的同学，在你们的帮助下我才能顺利完成设计。再次向各位老师，同学表示衷心的感谢！
6.3 参考文献（资料）
【1】.《自动控制原理》 孟华 主编 机械工业出版社 2008 年7月出版
【2】.《自动控制原理习题集》 胡寿松 主编 北京科学出 版社 20xx年出版
【3】.《控制系统仿真与计算机辅助设计》 薛定宇 主编 北京机械工业出版社 20xx年出版
21
第二篇：自动控制原理课程设计(1)
自动控制原理课程设计要求
一、设计要求
1、设计题目：自拟
2、性能指标：给出系统应达到的性能指标，包括?、ts、?、?c等。
（注意：该部分的具体内容要根据所设计的系统进行填写）
二、设计内容
1、本课程设计选题的目的和要求
概述所做题目的意义、本人所做的工作以及系统的主要功能；
2、设计的主要内容
（1）建立被控对象数学模型，根据物理规律推导数学模型即微分方程，并对模型进行简化得到线性模型；
（2）分析被控对象特性，根据简化的数学模型得到传递函数，并分析系统的性能；（包括稳定性、动态性能、稳态精度和频域性能指标等）
（3）利用校正网络对系统进行校正，可利用MATLAB进行仿真验证。
三、课程设计报告书格式
1．封面用统一格式，写明设计题目、班级、学号、姓名，指导教师、设计时间。
2. 纸张大小：A4
四、设计报告装订顺序
1.封面（打印）
2.课程设计成绩评定表（打印）
3.设计任务书（打印）
4.摘要（200字以内）（打印）
5.目录（打印）
6.正文
说明：要求手写，如果采用MATLAB仿真方法，可全文打印，但答辩时必
须自带电脑进行简单演示。
7.结束语（可打印）
8.参考文献（可打印）
题目： 《自动控制原理》课程设计
班 级：
姓 名： 学 号：
指导教师：
时 间：
课程设计成绩评定表
自动控制原理课程设计任务书
