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自动控制系统的原理和设计（中文版）。

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简介：
自动控制原理与设计，第五版，中文版，由斯坦福大学电气工程系杰出教授Gene F.Franklin撰写，他同时也是一位备受国际尊重的控制学家，并担任IEEE终身会士。2005年，Franklin教授因其在多个控制领域中所做出的奠基性贡献而荣获美国自动控制学会的最高荣誉——Bellman奖。本书作为自动控制领域的权威经典之作，系统地阐述了该领域的理论与实践。

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  • 自动控制原理及设计（中文版）
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    《自动控制原理及设计（中文版）》全面介绍了自动控制系统的设计与分析方法，涵盖经典和现代控制理论的核心概念和技术。 《自动控制原理与设计》（第五版）的中文译本由斯坦福大学电气工程系教授、国际著名控制学家Gene F. Franklin撰写。2005年，Franklin因其在多个控制领域的基础性贡献荣获美国自动控制学会颁发的最高荣誉Bellman奖，并成为IEEE终身会士。本书是该领域内的一部经典著作。
     
  • 基于自动控制原理的温度控制系统设计
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    本项目旨在应用自动控制理论开发高效的温度控制系统，通过对系统模型的设计与优化，实现精准控温，具有广泛的应用前景。 ### 温度控制系统的设计——自动控制原理课程设计 #### 一、设计背景与目标 本课程设计主要针对温度控制系统的自动控制原理展开研究。通过分析一个特定温箱的开环传递函数，完成以下任务： 1. **绘制伯德图和奈奎斯特图**：使用Matlab软件绘制该系统的伯德图（包括对数幅频特性图和对数相频特性图）以及奈奎斯特图，并计算相角裕度和幅值裕度。 2. **设计滞后校正装置**：设计一种滞后校正装置，使得系统相角裕度增加15°。 3. **仿真与验证**：利用Matlab对校正后的系统进行仿真，绘制阶跃响应曲线。 #### 二、传递函数分析 根据题目中的初始条件，温箱的开环传递函数由比例环节、积分环节、惯性环节和延迟环节组成。接下来我们分别对其进行详细分析： ##### 2.1 比例环节 比例环节的传递函数为 \(G(s) = 1\)。这意味着无论输入信号如何变化，输出都会保持不变。在频率域中，比例环节的频率特性也为常数，即 \( G(j\omega) = 1 \)。因此其幅频特性为 \(A(\omega)=|G(j\omega)|=1\) ，相频特性为 \(angle(G(j\omega))=0^\circ\)。 ##### 2.2 积分环节 积分环节的传递函数为 \( G(s) = \frac{1}{s} \)。其频率特性为 \( G(j\omega) = \frac{1}{j\omega} = e^{-j90^\circ}\omega \)，因此幅频特性为 \(A(\omega)=|G(j\omega)|=\frac{1}{|\omega|}=1/\omega\)，相频特性为 \(angle(G(j\omega))=-90^\circ\)。对数幅频特性为 \(L(\omega) = 20log_{10} \left( \frac{1}{|\omega|}\right)= -20log_{10}(|\omega|)\)。 ##### 2.3 惯性环节 惯性环节的传递函数为 \(G(s) = \frac{1}{4s + 1}\)，频率特性为 \( G(j\omega) = \frac{1}{j4\omega+1} \)。其幅频特性为 \(A(\omega)=|G(j\omega)|=\frac{1}{\sqrt{(4\omega)^2+1}}\)，相频特性为 \(angle(G(j\omega))=-arctan(4\omega)\)。 ##### 2.4 延迟环节 延迟环节的传递函数为 \( G(s) = e^{-3s} \)，频率特性为 \(G(j\omega)=e^{-j3\omega}\)。幅频特性为\(A(\omega)=1\)，相频特性为 \(angle(G(j\omega))=-3\omega\)（弧度制）。延迟环节仅影响系统的相位而不改变其幅度。 ##### 2.5 开环传递函数综合分析 开环传递函数为 \(G(s) = \frac{1}{s(4s + 1)}e^{-3s}\)，结合各部分的特性，可以得到系统总体幅频特性\(A(\omega)=\frac{1}{|\omega|·\sqrt{(4\omega)^2+1}}\)，相位特性 \(angle(G(j\omega))=-90^\circ-arctan(4\omega)-3ω\)。 #### 三、绘制伯德图和奈奎斯特图 使用Matlab软件进行以下操作： - 绘制系统的伯德图（包括对数幅频特性和相位特性）； - 计算并确定系统当前的相角裕度和幅值裕度； - 分析图表，为后续设计滞后校正装置提供依据。 #### 四、设计滞后校正装置 为了使系统相角裕度增加15°，需要添加适当的滞后校正环节。具体来说，通过调整新加入系统的频率响应特性来改变原传递函数的零点和极点位置，从而达到所需的效果。 #### 五、仿真与验证 使用Matlab对设计完成后的系统进行阶跃输入下的动态性能测试，并绘制相应的阶跃响应曲线以检验滞后校正装置的有效性。 通过上述步骤的设计与分析过程，不仅可以深入理解不同环节特性及其对整个控制系统的影响机制，还能掌握利用软件工具（如MATLAB）来优化和验证控制系统的实际应用能力。
     
  • 自动控制原理中的位置随动系统课程设计
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    本课程设计基于《自动控制原理》，重点探讨并实践位置随动系统的分析与设计。学生将通过理论学习和实际操作，掌握控制系统建模、性能分析及控制器设计方法，提升工程应用能力。 位置随动是指输出位移根据给定的位置输入量而变化。在位置随动控制系统中，通常使用伺服电动机作为执行器，因此也称为位置私服系统。这种系统的应用非常广泛，例如军事工业中的自动火炮跟踪雷达天线或电子望远镜的目标控制、陀螺仪的惯性导航控制以及飞行器和火箭的姿态控制；冶金行业中轧钢机压下装置的自动化控制及火焰切割金属时喷头的位置调整；仪器仪表制造业中函数记录仪的操作，还有机器人的自主操作等。通常来说，随动控制系统需要具备良好的跟随性能。 位置随动系统是一个典型的位置闭环反馈系统，在这个系统中有给定值、检测和反馈环节。它的各个参数都是连续变化的模拟量，并且使用电位器、自整角机、旋转变压器或感应同步器等设备进行位置检测。在该控制系统中，输入的目标定位是经常变动的随机变量，需要输出能够准确地跟随这些变动，响应迅速灵活并且精确。 为了确保系统的稳定性和动态性能优良，必须配备校正装置，例如设置串联和并联校正装置于前向通道内。此外，提高位置随动系统控制精度的方法包括增加开环放大倍数或在系统中加入积分环节等措施。
     
  • 自控原理课程设计中的水位控制系统
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    本项目为《自控原理》课程设计的一部分，专注于开发一套基于自动控制理论的水位控制系统。该系统旨在通过传感器监测与反馈机制来实现对容器内水量的有效调节和管理，以确保维持恒定的最佳水位。此设计不仅强化了学生在自动化领域的知识应用能力，还促进了实际工程问题解决技巧的发展。 引言 自动控制学科由两部分组成：自动控制技术和自动控制理论。近几十年来，随着技术的飞速进步，自动控制系统在工农业生产、交通运输、国防建设以及航空航天等领域得到了广泛应用，并逐渐渗透到各个科学领域中，成为推动生产发展和科学技术进步的重要动力。 例如，在日常生活方面，温度调节器、湿度控制器、洗衣机、售货机、电梯系统等设备都应用了自动化技术。工业领域的控制需求主要分为两大类：一类是对气体、液体或固体材料的加工过程中需要对温度、压力及物位等参数进行调控；另一类则是针对已成型材料进一步处理或者将多种不同材质结合在一起，这要求精确地操控位置移动和角度变化。 在理论层面，自动控制系统可以区分为经典控制理论与现代控制理论两大分支。早期的经典控制原理主要用于调节较为简单的系统变量，并随着技术的进步更名为“经典控制理论”。该领域的研究主要基于传递函数这一数学工具来分析单输入、单输出系统的性能并进行设计优化。其方法包括时域法、根轨迹图以及频率特性曲线等。 现代控制理论的出现是为了应对科学技术迅猛发展的需求，特别是在空间技术和高速飞行器领域中对高精度和快速响应的要求日益增长的情况下产生的。面对更为复杂且动态耦合性强的大规模系统，经典的方法显得力不从心，无法满足多输入输出、非线性以及时间变化系统的优化设计要求。因此，在这种背景下催生了现代控制理论的诞生和发展，它能够解决上述挑战并进一步提升控制系统性能和适应环境的能力。
     
  • 温箱调节控制系统的自动控制原理课程设计
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    本项目旨在通过设计温箱调节控制系统，研究与实现其自动控制原理。学生将掌握PID等算法的应用，提升自动化技术实践能力。 1. 使用实验法中的阶跃响应方法对温箱系统（即图示的炉子部分）进行建模，并提出合理的建模策略以建立该装置的数学模型。 2. 学习MATLAB语言中关于自动控制系统仿真的相关内容。 3. 设计PI控制器来控制调压器，使温箱温度保持恒定。利用MATLAB语言仿真并绘制出系统阶跃响应曲线；调整PI控制器参数，讨论其对控制效果的影响。 4. 要求系统的输出动态性能达到无超调量且Ts≤10分钟的标准。
     
  • 自动控制原理课程设计
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    《自动控制原理课程设计》是一门结合理论与实践的教学环节，旨在通过具体项目加深学生对控制系统分析和设计的理解。 系统开环传递函数为 或 ，其中G1（s）是在阻尼系数 的归一化二阶系统的传递函数上增加了一个零点得到的，而G2（s）则是通过在相同阻尼系数下添加一个极点到该归一化的二阶系统中获得。主要任务如下： (1) 当开环传递函数为G1(s)时，绘制根轨迹图和奈奎斯特曲线； (2) 对于开环传递函数为G1(s)，当参数a取值分别为0.01、0.1、1、10以及100的情况下，利用Matlab计算系统对阶跃输入的超调量及频率响应中的谐振峰值，并分析这两者之间的关系； (3) 绘制上述各a值下的波特图； (4) 当开环传递函数为G2(s)，绘制系统的根轨迹和奈奎斯特曲线； (5) 对于开环传递函数为G2(s)，当参数p取值分别为0.01、0.1、1、10以及100的情况下，绘制不同p值下的波特图； (6) 分析增加极点后系统的带宽与原二阶系统之间的差异，并探讨添加极点对系统带宽的影响； (7) 使用Matlab描绘上述每种情况下在单位反馈时对于单位阶跃输入的响应情况； (8) 完成一份完整的课程设计说明书，其中包括详细的过程分析、计算方法以及所使用的Matlab源程序或Simulink仿真模型。说明书应按照教务处规定的格式进行撰写和提交。
     
  • 自动控制原理课程设计
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    《自动控制原理课程设计》是一门结合理论与实践的教学活动，旨在通过具体项目引导学生深入理解并应用自动控制的基本概念和方法。 本次自动控制原理课程设计使用了Matlab仿真软件来构建一个直流电动机调速系统。该系统的输入电压为1V，在电动机稳态运行时角速度为0.1 rad/秒。
     
  • 自动控制原理课程设计文档.doc
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    本设计文档详细阐述了自动控制原理课程的核心内容与实验项目，涵盖系统分析、控制器设计及仿真技术等关键环节。 ### 自动控制原理课程设计知识点概述 #### 一、根轨迹的基本概念 1. **定义**：根轨迹是指当系统的某个参数（通常是开环增益k）从零变化到无穷大时，闭环系统特征方程的根在复平面上的变化路径。这一工具在控制系统的设计和分析中至关重要，因为它能直观展示性能如何随参数变化而改变。 2. **重要性**： - **稳定性**：通过观察所有闭环极点是否位于左半平面来判断系统的稳定性。 - **稳态性能**：根轨迹的位置影响系统稳态误差及相应性能指标。 - **动态响应特性**：决定系统的超调量、响应速度等关键属性。 3. **关系** - 对于单位反馈系统，闭环和开环的增益相同；闭环零点即为开环零点。而闭环极点由开环零极点及根轨迹增益共同确定。 #### 二、常规根轨迹绘制法则 1. **起点与终点**： - 起始于所有有限个开放回路极点，终止于各个开放回路的零点或无穷远位置。 2. **数量特性** - 根轨迹的数量等于开环实数零极点中较大者；它们关于虚轴对称，并且是连续曲线。 3. **渐近线**： - 当有限个极点多于有限个零点时，存在(n-m)条渐近线。渐进角度为(2k+1)\pi/(n-m)，其中(k=0,1,...,n-m-1)；交点位置通过特定公式确定。 4. **实轴上的分布** - 实数根轨迹位于开环零极点总数奇数的区间内。 5. **分离与夹角**： - 分离点是两条或多条路径交汇后再分开的位置，坐标可通过方程求解；而夹角是在这些位置处的角度。 6. **起始和终止角度** - 起始角度是从开环复数极点离开时相对于正实轴的偏转。 7. **虚轴交点**： - 通过劳斯判据或直接将闭环特征方程中的(s=jw)代入求解。 8. **根之和** - 在(n>M)条件下，开环及闭合回路极点总和相等。当差值大于等于2时，无论增益k为何值都成立。 #### 三、计算与MATLAB仿真 1. **理论分析**：结合数学方法进行根轨迹的具体位置推导。 2. **软件应用** - 编写程序绘制路径图；显示图形结果并进一步通过该工具评估系统性能。 #### 四、结论性总结 1. 性能评价 - 依据根轨迹判断不同参数条件下系统的稳定性及各项指标。 2. 参数优化 - 调整控制参数以满足特定的性能目标，基于对路径图的理解进行设计调整。 3. 设计指导原则 - 根轨迹提供直观的设计方法和工具，帮助实现高性能控制系统。通过深入研究可以更有效地实施系统改进与创新。 根轨迹作为关键分析手段，在理解和预测系统的动态行为方面极为重要，并为优化控制策略提供了坚实的基础。
     
  • 自动控制原理中的线性系统特性
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    本课程探讨自动控制原理中线性系统的特性和分析方法，涵盖稳定性、响应性能及设计优化等内容。 线性系统是指用线性微分方程描述的系统，其重要性质是可以应用叠加原理。叠加原理具备可叠加性和均匀性（齐次性）。在给定两个外作用同时加于一个线性系统的条件下，根据叠加原理，总输出等于各个单独作用时产生的输出之和，并且当外部输入增大若干倍时，相应的输出也会按相同的比例增加。