目录《自动控制原理》课程设计任务书 (4)第一章系统概述 (9)1.1设计目的 (9)1.2系统原理 (9)1.3设计基本要求 (10)1.4系统基本指标 (10)第二章系统建模 (10)2.1各环节模型建立 (11)2.1.1比较器 (11)2.1.2比例环节 (11)2.1.3积分环节 (11)2.1.4惯性环节 (12)2.1.5反馈环节 (12)2.2系统数学模型 (13)2.3系统结构框图 (14)第三章系统分析 (15)3.1 稳定性判据 (15)3.1.1Nyquist判据 (15)3.1.2劳斯判据 (16)3.2稳态（静态）精度分析 (17)3.2.1系统的跟踪能力 (17)3.2.2误差计算 (17)3.2.3Bode 图校正 (18)3.3动态性能分析 (21)3.3.1动态平稳性分析 (21)3.3.2动态快速性分析 (21)3.3.3Bode 图映证 (22)3.3.3.1截止频率计算ωc (22)3.3.3.1裕度rc 的计算 (23)第四章 系统综合设计..........................24 4.1校正方案的确定. (25)4.2校正后的系统模型 (25)4.3τ参数的确定 (26)4.3.1校正后系统的阻尼比τξ (26)4.3.2确定校正后的p σ％ (26)4.3.3校正过度时间st ......................27 4.3.4Bode 图校核 (27)第五章 系统物理模拟 (30)5.1原系统物理模拟 (30)5.2校正后系统模拟 (31)5.3校正装置 (31)第六章设计小结 (32)6.1心得体会 (32)6.2致谢词 (33)参考文献 (34)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11级电气工程与自动化专业本科学生用(2013年12月16日)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，它既有别于毕业设计，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，对实际系统进行完整的性能分析和综合设计。

一、设计题目具有积分器的二阶系统控制性能分析与综合设计二、系统说明：该典型系统物理模拟结构如附图（见附图）。

其中： R0= 100kΩ；C1= C2 = 10-5 F; R2 = R o /2；R f为线性滑动电位器，可调范围为：10-1R0～104 R0设计过程中可忽略系统中的非线性特性及各种干扰源，比如：运算放大器的零点漂移、环节间的负载效应、外界强电力设备产生的电磁干扰等。

三、系统参量：系统输入信号：r（t）；系统输出信号：y（t）；四、设计指标：一类指标：输入为r（t）＝a＋bt（其中：a＝5 rad b＝4 rad/sec ）在保证静态指标K v = 5 (e ss≤0.8 )的前提下，要求动态期望指标: σp %≤8.5 ％；t s≤2 sec；二类指标：输入为r（t）＝a＋bt（其中：a＝286.6 0b＝229.3 0/ sec. ）在保证静态指标K v = 5 (e s s≤0.8 )的前提下，要求动态期望指标: σp%≤15 ％；t s≤1.5 sec；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。

六、设计缴验：l、课程设计计算说明书一份；2、原系统组成结构原理图一张；3、系统分析、综合用精确BODE图（或根轨迹图）各一张（手绘）；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（自愿选作）；6、计算机仿真程序清单一份（附仿真实验结果图）；7、封面装帧成册重庆邮电大学移通学院自动化系指导教师：汪纪锋2013年12月16日附图典型系统物理模拟结构图题目分配：1.电气工程与自动化一班选题：一类指标根轨迹法（学号为单数者）一类指标频率特性法（学号为双数者）2.电气工程与自动化二班选题：一类指标频率特性法（学号为单数者）一类指标根轨迹法（学号为双数者）3.电气工程与自动化三班选题：二类指标根轨迹法（学号为单数者）二类指标频率特性法（学号为双数者）4.电气工程与自动化四班选题：二类指标频率特性法（学号为单数者）二类指标根轨迹法（学号为双数者）第一章系统概述1.1设计目的《自动控制原理》课程设计是该课程的一个重要的教学环节，它既有别与毕业设计，更不同于课堂教学。

通过设计，锻炼同学自我发现问题，并且自主解决问题的能力。

它主要是培养学生运用自动控制原理课程中所学到的理论知识，掌握反馈控制系统的基本理论和方法，对工程实际系统进行完整的全面分析和综合。

1.对反馈控制的基本理论和方法有一个全面的、整体的了解。

2.了解自动控制理论发展简史及反馈控制理论的研究对象和方法。

3.掌握自动控制系统的基本概念、分析方法。

1.2系统原理典型系统物理模拟结构图其中： R o =100K Ω; C1=C2=510- F ;R 2=1/2R oRf 为线性滑动电位器，可调范围为：14001010R R -- ，设计过程 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，均可忽略。

首先是一个比较环节，将输入信号与由输出反馈回的信号进行比较，以改善放大器的静态和动态性能；第二是比例环节，比较环节能够按一定比例放大输入量，以驱动后续环节的运行；第三个是积分环节，可以是系统的跟踪能力增强，积分环节是当输入信号为零时，输出信号才能保持不变，而且能保持在任何位置上。

在控制系统中，引用积分环节可以消除被控量的偏差。

第四个是惯性环节，由于惯性环节系统的阻力，一开始输出并不与输入同步按比例变化，直到过渡过程结束,输出才能与输出保持比例，从而保证了控制过程作无差控制。

第五个是反馈环节，根据输入与输出在广义上是否相等来调节系统使之误差减小。

1.3设计基本要求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。

1.4系统基本指标输入为r（t）＝a＋bt（其中：a＝286.6 0b＝229.3 0 / sec. ）在保证静态指标K v = 5 (e s s≤0.8 )的前提下，要求动态期望指标: σp%≤15 ％；t s≤1.5 sec；第二章系统建模2.1各环节模型建立2.1.1比较器由于比较器产生偏差，从而构成控制，他可以构成一个环节或者起到连接作用。

()()()u s r s Y s=-其框图为()u sr s()()sY-2.1.2比例环节具有比例运算关系的元部件称为比例环节。

运算关系为 ： 0()()i u t ku t =传递函数为： 11()()()f a R u s G s K u s R ==-=-负号为极性运算用框图表示为：()0()i U t K U t −−−→→比例积分的特点：输出不失真，不延迟，成比例的复现输入信号的变化2.1.3积分环节符合积分关系的环节称为积分环节运算关系为：01()()iu t u t dt T=⎰传递函数： 01()11()()sa b b u s G s u s R C s ==-=-框图：特点：理想积分环节输出量是输入量在时间上的积分 2.1.4惯性环节u ()a s ()b u s 1s一阶惯性环节的微分方程是一阶的，且输出响应需要一定时间后才能达到稳态值，因此称为一阶惯性环节 运算关系为 ：00()()()i du t TU s U s dt+= 传递函数： ()1()()2c b Y s G s u s s ==-+框图：()b u s ()Y s 12s +特点：输出量缓慢的反应输入量变化的规律2.1.5反馈环节传递函数G(s)：2.2系统数学模型输入：()u s 输出：()Y s()()u s x s = ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛-2111s s K系统频域模型101101()()(2)()1()(2)()1(2)K G s K M s s s G s K G s s s K D s s s +====+++++21()20D s s s K =++=2.3系统结构框图1K ()r s ()u s ()Y s 1s 1s+2-原系统结构框图模型1(2)K s s +()r s ()Y s -等效化简后的系统结构框图模型开环传递函数()10s (2)K G s s =+第三章 系统分析3.1稳定性分析频率稳定性判据有代数稳定性判据和Nyquist 稳定性判据。

代数稳定性判据是基于控制系统的闭环特征方程的判别方法，基本上提供的是控制系统绝对稳定性的信息，而对于系统的相对稳定性信息提供较少。

频域文献判据所依据的是控制系统的开环频域特性，也就是仅仅利用系统的开环信息，不仅可以确定系统的绝对稳定性，而且还可以提供相对稳定性的信息。

3.1.1Nyquist 判据负反馈系统稳定的充分必要条件是：系统开环传递函数在G(s)H(s)平面上，Nyquist 围线的象曲线逆时针绕(-1,j0)点的圈数R 与G(s)H(s)在右半平面极点的个数P 相同。

即：系统在右半s 闭环极点个数 Z = P – R = 0由于G(s)H(s)曲线的对称性，因此可以用系统的开环频率特性曲线G(jw)H(jw)对(-1,j0)的包围情况来判断。

设特性曲线G(jw)H(jw)对(-1,j0)的逆时针包围次数为N 则R=2N （注意补充积分环节Nyquist 围线上小1/4圆的象）也可用G(jw)H(jw)曲线对(-∞, -1)实轴段的穿越计算NN + 正穿越(由上到下)N - 负穿越(由下到上) 闭合曲线ΓF 包围原点圈数的计算 根据ΓGH 包围（-1,j0）的圈数，计算3.1.2劳斯判据劳斯判据运用说明：已知线性定常系统的特征方程为121210()0n n n n n n D s a s a s a s a s a ----=+++++=首先做劳斯表，将方程的各系数间隔的填入前两行中，如下表：624171352342104123412334121211nn n n n n n n n n n n n a s a a a a s a a a b s b b b c s c c c d d s d d s e e s f s g -----------)(22-+-==N N N R依照下列各式计算出其余的项21311nn n n n a a a a b a -----=，41512n n n n n a a a a b a -----=131211n n a a b b c b ---=，151321n n a a b b c b ---=121211b bc cd c -=， 131321b bc cd c -=将计算各项依照上述法则全部计算完毕，填入劳斯表中。