課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2015

1、上海電力學(xué)院 自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1設(shè)計(jì)內(nèi)容課程設(shè)計(jì)選題目錄（提示：看清題目要求）題目題目來源備注1飛機(jī)控制系統(tǒng)附錄A限7人2電纜卷線機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵娬n本（個(gè)別數(shù)據(jù)修改為附錄B給出數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)要求不同于課本內(nèi)容1：建模；內(nèi)容2：調(diào)節(jié)參數(shù)，達(dá)到較為理想的控制效果；內(nèi)容3：選擇控制方式，控制器，實(shí)現(xiàn)理想系統(tǒng)，并對(duì)于不同的控制方式效果做定性分析；內(nèi)容4：抗干擾能力的分析；限8人34一級(jí)倒立擺PID控制策略分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵姼戒浽O(shè)計(jì)要求建模，設(shè)計(jì)控制器，調(diào)節(jié)角度、位置，實(shí)現(xiàn)理想輸出曲線；限7+7人56一級(jí)倒立擺狀態(tài)反饋控制策略分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵姼戒浽O(shè)計(jì)要求建模，設(shè)計(jì)控制器，調(diào)節(jié)角度、位置，實(shí)

2、現(xiàn)理想輸出曲線；限7人7直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)見附錄C設(shè)計(jì)要求：見附錄B限7人8電阻爐溫度控制系統(tǒng)見附錄D設(shè)計(jì)要求：見附錄C限7人9小功率隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見附錄設(shè)計(jì)要求：建模，自行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能分析，并進(jìn)行校正設(shè)計(jì)限7人10工業(yè)鍋爐汽包水位控制見附錄E設(shè)計(jì)要求：建立模型，設(shè)計(jì)控制方案，分析控制效果限7人2.2 課程設(shè)計(jì)步驟及要求課程設(shè)計(jì)過程中，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，獨(dú)立思考，獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2.3 課程設(shè)計(jì)報(bào)告主要內(nèi)容 （調(diào)試數(shù)據(jù)可以相似，論文請(qǐng)獨(dú)立完成，如果主要內(nèi)容重復(fù)超過50，相關(guān)人都按照最低分處理）一課程設(shè)計(jì)背景（控制對(duì)象描述和實(shí)際控制要求）控制對(duì)象的描述：分析系統(tǒng)的工作原理和任務(wù)

3、背景；系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求分析；（穩(wěn)定性、快速性、超調(diào)量、魯棒性（適應(yīng)各種擾動(dòng)）二控制對(duì)象建模 原理方框圖/微分方程/狀態(tài)方程三控制對(duì)象特性分析 對(duì)象特性？ 慣性、延遲、有自平衡、無自平衡、穩(wěn)定（不穩(wěn)定）、（線性）非線性、連續(xù)（離散）四控制策略的確定與實(shí)現(xiàn)控制策略：PID控制、串聯(lián)校正、狀態(tài)反饋、非線性、單回路、多回路、前饋、復(fù)合、補(bǔ)償?shù)龋换诳刂撇呗缘膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⊿IMULINK模型、實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）五實(shí)驗(yàn)分析 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論，結(jié)論要表述準(zhǔn)確；課程設(shè)計(jì)體會(huì)附錄及其參考文獻(xiàn)2.4 課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求： 封皮（標(biāo)頭（上海電力學(xué)院電自學(xué)院）、題目、指導(dǎo)老師、學(xué)號(hào)、姓名）報(bào)告文檔（有頁(yè)眉和頁(yè)數(shù)）

4、； 上交電子文檔和打印文檔；3. 課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 考核內(nèi)容中期檢查報(bào)告撰寫答辯成績(jī)比例205030附錄A： 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 飛機(jī)的剛體運(yùn)動(dòng)線性方程式為高階方程，但是，可以分為兩個(gè)低階形式，分別代表縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)。縱向運(yùn)動(dòng)包括軸向（X），垂直方向（Z）和俯仰動(dòng)作（和q），而側(cè)向運(yùn)動(dòng)包括翻滾（，P）和偏移運(yùn)動(dòng)（和）。側(cè)滑角是前進(jìn)速度方向與飛機(jī)前端方向間夾角的亮度。雖然兩種運(yùn)動(dòng)之間有少量的耦合作用，但通常忽略不計(jì)，所以對(duì)飛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分別設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的分別控制。任務(wù)1：側(cè)向姿態(tài)控制側(cè)面的近似線性模型如下：圖11 側(cè)向運(yùn)動(dòng)原理框圖其中為方向舵偏差，為期望偏轉(zhuǎn)速率；要求選擇至少兩

5、種以上控制方案，討論，分析，最終實(shí)現(xiàn)：1 快速跟蹤，實(shí)現(xiàn)無誤差；2自然頻率期望，阻尼比；任務(wù)2：縱向姿態(tài)控制縱面的近似線性模型如下：其中被控制量為h：高度，為高度偏差；控制器設(shè)計(jì)要求：1 至少有兩種以上的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行方案論證，最終實(shí)現(xiàn)：A 單調(diào)過渡；B 最快速過渡；C 無誤差跟蹤；附錄B： 電纜卷線機(jī)控制系統(tǒng)使用一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)來測(cè)量電纜離開卷筒的速度，轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出用來控制卷軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。該系統(tǒng)的框圖如下圖所示。當(dāng)電纜繞滿時(shí)，電纜卷筒的半徑R為4m，當(dāng)沒有電纜時(shí)， 期望速度 + 轉(zhuǎn)矩 實(shí)際的繩索速度R(t) 測(cè)速計(jì)轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)特性電機(jī)放大器 V(t) 圖2 電纜卷線機(jī)控制系統(tǒng)卷軸的半徑R為2m。若

6、電纜卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，半徑變化率為式中：卷軸厚度，電纜直徑，電纜的實(shí)際速度，卷軸角速度轉(zhuǎn)矩積分的倍。放大器的傳遞函數(shù)是K，電機(jī)的傳遞函數(shù)為，測(cè)速計(jì)為。要求1：若電纜的預(yù)期速度為50m/s，請(qǐng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行SIMULINK仿真，當(dāng)增益K=0.01,0.1,0.5時(shí)，分別計(jì)算系統(tǒng)在20s內(nèi)的速度響應(yīng)。其中，卷軸松開時(shí)，卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是隨時(shí)間變化的，因?yàn)榉抡孢^程中應(yīng)在I的方程中將這個(gè)變化考慮在內(nèi)。此外，在W=2,D=0.1以及t=0和R=3.5的情況下，選擇增益K的取值，使系統(tǒng)的超調(diào)量小于20%并保證最快的響應(yīng)速度。要求2：請(qǐng)將放大器選擇以下內(nèi)型控制方式，設(shè)定控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)理想性能

7、。i PI，PD和PID控制，實(shí)現(xiàn)理想系統(tǒng)；ii 超前或者滯后或者滯后超前控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定； 附錄C：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：目標(biāo)是通過對(duì)電機(jī)輸入一定的電壓，使其帶動(dòng)負(fù)載以期望的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。1 系統(tǒng)框圖直流電機(jī)最基本的組成部件為：定子和轉(zhuǎn)子。其等效的電路圖如圖二所示。其中，和分別為轉(zhuǎn)子繞組的等效電感和等效電阻，是轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，n是輸出轉(zhuǎn)速。根據(jù)電路回路的電壓平衡關(guān)系有： 是摩擦力矩，為空載時(shí)候的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；電力拖動(dòng)系統(tǒng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量； 式中：N電樞繞組匝數(shù)；P磁極對(duì)數(shù)；a電樞繞組組支路數(shù)；要求1：利用SIMULINK建立電動(dòng)機(jī)的仿真模型；要求2：若轉(zhuǎn)速反饋支路的傳感器

8、為一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)，傳遞函數(shù)為0.007，請(qǐng)建立系統(tǒng)整體模型，將放大器選擇以下內(nèi)型控制方式，設(shè)定控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)理想性能。i P，PI，PD和PID控制，實(shí)現(xiàn)理想系統(tǒng)；ii 選擇電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)變量，加入狀態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定；iii分析各種控制方式的控制效果，分析抗干擾性能； 圖3 電爐箱恒溫控制系統(tǒng)附錄D：電爐箱恒溫控制系統(tǒng)直流電機(jī)+減速器調(diào)壓器：，；加熱爐：；熱電偶：；要求1：利用SIMULINK建立電爐箱控制系統(tǒng)的仿真模型；要求2：分析加熱爐的延遲時(shí)間長(zhǎng)短的影響；要求3：設(shè)定加熱爐的延遲時(shí)間15s，加入控制器。分析P、PI、PD、PID的控制效果，基于PID控制器調(diào)節(jié)到最

9、佳狀態(tài)（無差、穩(wěn)定、過渡時(shí)間300s,超調(diào)量18%）。要求4：選擇合適的狀態(tài)變量，加入狀態(tài)反饋，分析每個(gè)狀態(tài)反饋獨(dú)立作用下的控制效果，調(diào)節(jié)合適的狀態(tài)反饋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)理想的控制；要求5：分析PID控制和狀態(tài)反饋控制的優(yōu)缺點(diǎn)；附錄E：工業(yè)鍋爐汽包水位控制 汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。水位高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過熱器爆管，水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。將蒸汽流量看作系統(tǒng)的擾動(dòng)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖4 整個(gè)控制系統(tǒng)形成兩個(gè)閉合回路，其一是給水流量測(cè)量調(diào)節(jié)回路，稱為水流量回路，其作用是消除給水側(cè)的擾動(dòng)，

10、穩(wěn)定給水流量。其二是由水位變送器，控制器及給水控制回路組成，稱為外回路，其作用是消除各種擾動(dòng)對(duì)水位的影響。 執(zhí)行器的傳遞函數(shù)為：；給水流量變送器：；汽包水位變送器：；鍋爐的傳遞函數(shù)為：； 假定汽包水位給定值為0.3m;要求1：利用SIMULINK建立鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真模型；要求2：設(shè)計(jì)控制器，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，超調(diào)量小于15，過渡過程時(shí)間40s；要求3：假設(shè)蒸汽量為60，蒸汽流量變送器值為1，試設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器，消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.01，超調(diào)量小于15，過渡過程時(shí)間40s； 要求4：當(dāng)要求的汽包水位改變?yōu)槠渌?，?dāng)蒸汽量改變?yōu)槠渌?，控制器的參?shù)的調(diào)

11、節(jié)分析；附錄F：A 解耦型的一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型如下式所示,式中X為小車的位移; 為擺桿的擺角;u為輸入,即小車的位移加速度;y為輸出。B 耦合的一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型如下式所示,式中X為小車的位移; 為擺桿的擺角;u為輸入,即小車的位移加速度;y為輸出。附錄G：小功率隨動(dòng)系統(tǒng)框圖1 介紹一下各個(gè)部件及其參數(shù)測(cè)定方法：A 伺服電位器：伺服電位器完成位置-電壓的變換，是個(gè)比例環(huán)節(jié)。其系數(shù)Kr可由測(cè)得的數(shù)據(jù)擬合的直線的斜率求出。表1 h-U測(cè)量數(shù)據(jù)h 0 0.10.2 0.3 0.4 0.50.6 0.70.8 0.9 1U 0 0.73 1.46 2.189 2.922 3.6494.378 5.111 5.846.5717.300B 運(yùn)算放大器其增益能夠在10以上保持穩(wěn)定；C 直流力矩電機(jī)力矩電機(jī)能經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)或低速的狀態(tài)下，因此常在低速隨動(dòng)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。為了使測(cè)量和計(jì)算簡(jiǎn)便，以電機(jī)的轉(zhuǎn)速為輸出量，采用的傳遞函數(shù)，需確定電機(jī)時(shí)間常數(shù)和電機(jī)增益常數(shù)表2 電機(jī)的單位階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)： T 0:0.02:0.24Y 0 1.1804 1.8964 2.3306 2.594