自动控制原理课程设计
题目：水箱流量控制系统校正装置设计
系 别 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 提交日期
一、设计目的
首先，通过对水箱流量控制系统的分析，加强对水箱流量控制系统的认识，并掌握
超前校正网络设计的方法。
其次，通过课程设计，培养分析问题解决问题的能力。此外，使用Matlab 软件进行系统仿真，从而进一步掌握Matlab 的使用。
二、设计任务及要求
初始条件：已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为
要求：试用Bode 图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足： （1） 系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差
（2） 系统校正后，系统的相角裕量
三、设计任务分析
虽然在频域内进行系统设计，是一种间接的设计方法，因为设计结果满足的是一些频域指标，而不是时域指标。然而，在频域内设计又是一种简便的方法，在Bode 图上虽不能严格定量地给出系统的动态特性，但却能方便的根据频域指标确定校正装置的参数，特别是对以校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。
一般来说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段表征了闭环系统的动态性能；开环频率特性的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪音抑制功能。因此，用频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，使开环系统的频率形状变成所期望的形状：低频段要有一定的高度和斜率；中频段的斜率最好为以抑制不必要的高频干扰。
，且具有足够的宽度；高频段采用迅速衰减的特性，
四、设计内容
4.1根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益
由要求（1）：系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差
。
得
， 取
。
4.2绘制k=1000值下的系统的Bode 图，并求出系统的相角裕量
待校正系统的开环传递函数
作出
时未校正系统的Bode 图，其渐近线如图1所示
60 30 0 -30
-60 -60dB/dec
图1：未校正系统的Bode 图
计算未校正系统的开环剪切频率
相应的相角裕量为
相角裕度小的原因，是因为待校正系统的对数幅频特性中频区的斜率
是
，系统的动态特性会有严重的振荡，需要校正装置校正。为达到所要求的性
能指标，设计采用串联超前校正。
4.3确定为使系统的相角裕量达到要求值，所需增加的超前相角
式中，
为要求的相角裕量；
是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加
的相角裕量，未校正系统中频段的斜率为-40dB/dec，故取
4.4令超前校正网络的最大超前相角，求校正装置的参数
校正后系统剪切频率
处，校正网络的对数幅值
, 可计算
出未校正系统对数幅值为-8.76dB 处的频率，即可作为校正后系统的剪切频率
4.5计算校正网络的两个转折频率
4.6写出校正后系统的开环传递函数
为补偿超前校正网络造成的幅值衰减，附加一个放大器统的开环传递函数
，校正后系
做出校正后的系统结构图和Bode 图，如图2所示
校正装置 被控对象
图2：校正后系统的Bode 图和系统结构图
4.7检验系统的特性
校正后的相角裕量为：
由于
校正后系统的性能指标满足要求。
由Matlab 画出校正后的Bode
，可以得到稳定性裕量的精确值
。与上面求的值基本一致。由此可得，所选用的校正装置能够达到目的。
，
4.8在Simulink 仿真环境下对校正后的系统进行仿真，并与校正前比较
加校正环节前后的仿真模型如图3所示。其中校正前和校正后的单位阶跃响应曲线如图4、5所示。
图3： 加校正环节前后的仿真模型
图4：校正前的系统单位阶跃响应曲线
图5：校正后的系统单位阶跃响应曲线
通过仿真曲线可以看出，校正前系统不稳定，单位阶跃响应振荡剧烈。而校正后系统的单位阶跃响应，其时域指标性能指标无论是超调量还是过渡过程时间都较小，故该校正装置能够很好的达到设计要求，可以取用。
五、设计总结
本次设计表明，系统经串联校正后，中频段对数幅频特性斜率为-20dB /dec ，并具有足够的宽度，从而系统的相角裕量增大，动态过程超调量下降。因此，在实际运行的控制系统中，其中频段对数幅频特性大多具有-20dB /dec 的斜率。
此次设计还让我了解了自动控制原理中校正系统的基本概念及其对系统设计的相关应用，通过对初步知识的了解，对校正系统各种方案的比较，进一步了解了校正系统的合理性和实用性。什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻认识到自控原理中校正环节对整个系统的重要作用。一个细小的参数设定出现偏差，可能导致最后的性能指标不和标准。所以选择一个优良的方案对于实验至关重要。
我认为，在设计时应该怎样少走一些弯路，怎样能够非常透彻的理解系统并用简单方法设计校正装置，我想这是这次课程设计最锻炼人的地方。然而这也要求我们有相当厚实的理论基础，并能很好地运用到实际中去。这是我们学习和掌握好自控原理最重要的。我们运用Matlab 软件进行系统仿真验证，这不仅对我们设计带来了方便，也能很准确地为我们改动参数提供依据，同时也让我们对Matlab 软件进行了学习，为我们熟练运用Matlab 打下了基础。
这次课程设计充满了挑战，自己掌握的知识是很有限的，但是通过自己的学习和分析，大量的搜索相关的资料，以及老师同学的帮助，我顺利的完成了这次设计，并且获得了很大的收获。
通过这次课程设计，我对自动控制原理的实际应用有了更深的了解。当今世界很多产业已经进入自动化时代，这要求我们更好更多的掌握自动控制的原理和基本知识，将来才能更好的适应这个社会的发展。通过自己设计这样一个比较简单的水箱流量控制系统的校正装置，我对简单的控制系统有了整体的认识和了解，对系统工作的各个环节和各种指标分析都有了更深刻的认识。
每一次课程设计都是我们自主学习和能力锻炼的机会，我很高兴自己能够把握住这样的机会，在一点一滴中锻炼自己的毅力和能力。我相信经过这次课程设计，无论是对知识的掌握程度，还是组织设计的能力都有了很大的提高。这对于我将来做更多更复杂的设计是很有帮助的的，甚至这一点一滴的积累可以影响我将来的事业和前途。
六、主要参考文献
【1】胡寿松. 自动控制原理(第四版). 北京：科学出版社,2002
【2】谢克明主编. 自动控制原理（第二版）. 北京：电子工业出版社, 2009 【3】张爱民. 自动控制原理. 北京：清华大学出版社, 2005
【4】苏鹏声 焦连伟编. 自动控制原理. 北京：电子工业出版社, 2003
【5】刘卫国主编. MATLAB程序设计教程（第二版）. 北京: 中国水利水电出版社,2009
自动控制原理课程设计
题目：水箱流量控制系统校正装置设计
系 别 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 提交日期
一、设计目的
首先，通过对水箱流量控制系统的分析，加强对水箱流量控制系统的认识，并掌握
超前校正网络设计的方法。
其次，通过课程设计，培养分析问题解决问题的能力。此外，使用Matlab 软件进行系统仿真，从而进一步掌握Matlab 的使用。
二、设计任务及要求
初始条件：已知单位反馈水箱流量控制系统，系统的开环传递函数为
要求：试用Bode 图设计法对系统进行超前串联校正设计，使系统满足： （1） 系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差
（2） 系统校正后，系统的相角裕量
三、设计任务分析
虽然在频域内进行系统设计，是一种间接的设计方法，因为设计结果满足的是一些频域指标，而不是时域指标。然而，在频域内设计又是一种简便的方法，在Bode 图上虽不能严格定量地给出系统的动态特性，但却能方便的根据频域指标确定校正装置的参数，特别是对以校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。
一般来说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段表征了闭环系统的动态性能；开环频率特性的高频段表征了闭环系统的复杂性和噪音抑制功能。因此，用频域法设计控制系统的实质，就是在系统中加入频率特性形状合适的校正装置，使开环系统的频率形状变成所期望的形状：低频段要有一定的高度和斜率；中频段的斜率最好为以抑制不必要的高频干扰。
，且具有足够的宽度；高频段采用迅速衰减的特性，
四、设计内容
4.1根据所要求的稳态性能指标，确定系统满足稳态性能要求的开环增益
由要求（1）：系统在单位斜坡信号作用下，系统的稳态误差
。
得
， 取
。
4.2绘制k=1000值下的系统的Bode 图，并求出系统的相角裕量
待校正系统的开环传递函数
作出
时未校正系统的Bode 图，其渐近线如图1所示
60 30 0 -30
-60 -60dB/dec
图1：未校正系统的Bode 图
计算未校正系统的开环剪切频率
相应的相角裕量为
相角裕度小的原因，是因为待校正系统的对数幅频特性中频区的斜率
是
，系统的动态特性会有严重的振荡，需要校正装置校正。为达到所要求的性
能指标，设计采用串联超前校正。
4.3确定为使系统的相角裕量达到要求值，所需增加的超前相角
式中，
为要求的相角裕量；
是因为考虑到校正装置影响剪切频率的位置而附加
的相角裕量，未校正系统中频段的斜率为-40dB/dec，故取
4.4令超前校正网络的最大超前相角，求校正装置的参数
校正后系统剪切频率
处，校正网络的对数幅值
, 可计算
出未校正系统对数幅值为-8.76dB 处的频率，即可作为校正后系统的剪切频率
4.5计算校正网络的两个转折频率
4.6写出校正后系统的开环传递函数
为补偿超前校正网络造成的幅值衰减，附加一个放大器统的开环传递函数
，校正后系
做出校正后的系统结构图和Bode 图，如图2所示
校正装置 被控对象
图2：校正后系统的Bode 图和系统结构图
4.7检验系统的特性
校正后的相角裕量为：
由于
校正后系统的性能指标满足要求。
由Matlab 画出校正后的Bode
，可以得到稳定性裕量的精确值
。与上面求的值基本一致。由此可得，所选用的校正装置能够达到目的。
，
4.8在Simulink 仿真环境下对校正后的系统进行仿真，并与校正前比较
加校正环节前后的仿真模型如图3所示。其中校正前和校正后的单位阶跃响应曲线如图4、5所示。
图3： 加校正环节前后的仿真模型
图4：校正前的系统单位阶跃响应曲线
图5：校正后的系统单位阶跃响应曲线
通过仿真曲线可以看出，校正前系统不稳定，单位阶跃响应振荡剧烈。而校正后系统的单位阶跃响应，其时域指标性能指标无论是超调量还是过渡过程时间都较小，故该校正装置能够很好的达到设计要求，可以取用。
五、设计总结
本次设计表明，系统经串联校正后，中频段对数幅频特性斜率为-20dB /dec ，并具有足够的宽度，从而系统的相角裕量增大，动态过程超调量下降。因此，在实际运行的控制系统中，其中频段对数幅频特性大多具有-20dB /dec 的斜率。
此次设计还让我了解了自动控制原理中校正系统的基本概念及其对系统设计的相关应用，通过对初步知识的了解，对校正系统各种方案的比较，进一步了解了校正系统的合理性和实用性。什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻认识到自控原理中校正环节对整个系统的重要作用。一个细小的参数设定出现偏差，可能导致最后的性能指标不和标准。所以选择一个优良的方案对于实验至关重要。
我认为，在设计时应该怎样少走一些弯路，怎样能够非常透彻的理解系统并用简单方法设计校正装置，我想这是这次课程设计最锻炼人的地方。然而这也要求我们有相当厚实的理论基础，并能很好地运用到实际中去。这是我们学习和掌握好自控原理最重要的。我们运用Matlab 软件进行系统仿真验证，这不仅对我们设计带来了方便，也能很准确地为我们改动参数提供依据，同时也让我们对Matlab 软件进行了学习，为我们熟练运用Matlab 打下了基础。
这次课程设计充满了挑战，自己掌握的知识是很有限的，但是通过自己的学习和分析，大量的搜索相关的资料，以及老师同学的帮助，我顺利的完成了这次设计，并且获得了很大的收获。
通过这次课程设计，我对自动控制原理的实际应用有了更深的了解。当今世界很多产业已经进入自动化时代，这要求我们更好更多的掌握自动控制的原理和基本知识，将来才能更好的适应这个社会的发展。通过自己设计这样一个比较简单的水箱流量控制系统的校正装置，我对简单的控制系统有了整体的认识和了解，对系统工作的各个环节和各种指标分析都有了更深刻的认识。
每一次课程设计都是我们自主学习和能力锻炼的机会，我很高兴自己能够把握住这样的机会，在一点一滴中锻炼自己的毅力和能力。我相信经过这次课程设计，无论是对知识的掌握程度，还是组织设计的能力都有了很大的提高。这对于我将来做更多更复杂的设计是很有帮助的的，甚至这一点一滴的积累可以影响我将来的事业和前途。
六、主要参考文献
【1】胡寿松. 自动控制原理(第四版). 北京：科学出版社,2002
【2】谢克明主编. 自动控制原理（第二版）. 北京：电子工业出版社, 2009 【3】张爱民. 自动控制原理. 北京：清华大学出版社, 2005
【4】苏鹏声 焦连伟编. 自动控制原理. 北京：电子工业出版社, 2003
【5】刘卫国主编. MATLAB程序设计教程（第二版）. 北京: 中国水利水电出版社,2009