【正文】 自動控制理論課程設(shè)計 倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 班 級： 重慶大學(xué)自動化學(xué)院 二 O 一三年一月 課程設(shè)計指導(dǎo)教師評定成績表 項目 分值 優(yōu)秀 (100x≥ 90) 良好 (90x≥ 80) 中等 (80x≥70) 及格 (70x≥ 60) 不及格(x60) 評分 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 學(xué)習(xí)態(tài)度 15 學(xué) 習(xí) 態(tài) 度 認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計時間并按任務(wù)書中規(guī)定的進(jìn)度開展各項工作 學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù) 學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計時間，按期完成各項工作 學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù) 學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工 作 作 風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn) , 不能 保 證 設(shè)計 時 間 和進(jìn)度 技術(shù)水平與實際能力 25 設(shè)計合理、理論分析與計算正確，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有很強(qiáng)的實際動手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計算機(jī)應(yīng)用能力，文獻(xiàn)查閱能力強(qiáng)、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信 設(shè)計合理、理論分析與計算正確，實驗數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的實際動手能力、經(jīng)濟(jì)分析能力和計算機(jī)應(yīng)用能力， 文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信 設(shè)計合理，理論分析與計算基本正確，實驗數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有一定的實際動手能力，主要文獻(xiàn)引用、調(diào)查調(diào)研比較可信 設(shè)計基本合理，理論分析與計算無大錯，實驗數(shù)據(jù)無大錯 設(shè) 計 不 合理，理論分析 與 計 算有 原 則 錯誤，實驗數(shù)據(jù)不可靠，實 際 動 手能力差，文獻(xiàn)引用、調(diào)查 調(diào) 研 有較 大 的 問題 創(chuàng)新 10 有重大改進(jìn)或獨特見解，有一定實用價值 有較大改進(jìn)或新穎的見解，實用性尚可 有一定改進(jìn)或新的見解 有一定見解 觀念陳舊 論文(計算書、圖紙 )撰寫質(zhì)量 50 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字 流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算機(jī)打印成文；圖 紙 非 常 工整、清晰 結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算 機(jī)打印 成文；圖紙工整、清晰 結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達(dá)到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰 結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范化要求；圖紙比較工整 內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文 字 表 達(dá)不清，錯別字較多，達(dá)不 到 規(guī) 范化要求；圖紙 不 工 整或不清晰 指導(dǎo)教師評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 重慶大學(xué)本科學(xué)生課程設(shè)計任務(wù)書 課程設(shè)計題目 倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計 學(xué)院 自動化學(xué)院 專業(yè) 自動化 年級 2021 級 已知參數(shù)和設(shè)計要求： M：小車質(zhì)量 m：擺桿質(zhì)量 b：小車摩擦系數(shù) l：擺桿轉(zhuǎn)動軸心到桿質(zhì)心的長度 I：擺桿慣量 建立以小車加速度為系統(tǒng)輸入，以擺桿角度為系統(tǒng)輸出的被控對象數(shù)學(xué)模型。分別用 根軌跡法 、 頻率特性法設(shè)計控制器 使閉 環(huán)系統(tǒng)滿足要求的 性能 指標(biāo) ； 調(diào)整PID 控制器參數(shù)，使 閉環(huán) 系統(tǒng)滿足 要求 的性能指標(biāo) 。 利用根軌跡法設(shè)計控制器 ， 使得校正后系統(tǒng)的性能 指標(biāo)滿足 ： 調(diào)整時間 誤差帶）%(. 250 st s ? 最大超調(diào)量 %10%?p? 利用頻率特性法設(shè)計控制器，使得校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足： (1) 系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差常數(shù)為 10； (2) 相位裕量為 50?； (3) 增益裕量等于或大于 10dB。 設(shè)計或調(diào)整 PID 控制器參數(shù)，使得校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足： 調(diào)整時 間 誤差帶）%2(2 st s ? 最大超調(diào)量 %15%?p? 學(xué)生應(yīng)完成的工作： 利用設(shè)計指示書中的實際參數(shù)， 通過機(jī)理推導(dǎo)， 建立倒立擺 系統(tǒng) 的實際數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)行開環(huán)系統(tǒng)的時域分析。 利用根軌跡法設(shè)計控制器，進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析。 利用頻域法設(shè)計控制器，進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析。 設(shè)計 或調(diào)整 PID 控制器參數(shù) ，進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析。 將所 設(shè)計的控制器在倒立擺系統(tǒng)上 進(jìn)行 實時控制實驗。 完成課程設(shè)計報告。 參考資料： 固高科技有 限公司 .直線倒立擺安裝與使用手冊 ， 2021 固高科技有限公司 . 固高 MATLAB 實時控制軟件用戶手冊， 2021 Matlab/Simulink 相關(guān)資料 謝昭莉，李良筑 ， 楊欣 . 自動控制原理 . 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2021 胡壽松 . 自動控制原理 （第五版） . 北京：科學(xué)出版社， 2021 Katsuhiko Ogata. 現(xiàn)代控制工程 . 北京：電子工業(yè)出版社， 2021 課程設(shè)計的工作計劃： 布置課程設(shè)計任務(wù)；消化課程設(shè)計內(nèi)容，查閱并參考相關(guān)資料，進(jìn)行初步設(shè)計（ 3 天）； 按課程設(shè)計的要求進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計（ 3 天 ） ； 進(jìn)行實時控制實驗，并按課程設(shè)計的規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告（ 3 天 ） ； 課程設(shè)計答辯，實時控制驗證（ 1 天 ） 。 任務(wù)下達(dá)日期 2021 年 12 月 24 日 完成日期 2021 年 1 月 6 日 指導(dǎo)教師 （簽名） 學(xué) 生 （簽名） 目錄 1 引言 .................................. 錯誤 !未定義書簽。 2 數(shù)學(xué)模型的建立 ......................................... 2 建模方法 .................................................... 2 小車倒立擺實際數(shù)學(xué)模型的建立 ................................ 2 一級倒立擺動力學(xué)方程的建立 (微分法 ) ........................ 2 實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ........................................ 5 3 開環(huán)響應(yīng)分 析 ......................................... 5 4 根軌跡法設(shè)計 ......................................... 7 根軌跡分析 ................................................... 7 根軌跡設(shè)計 .................................................. 8 控制器的再一次調(diào)整 ......................................... 11 5 頻域法設(shè)計 .......................................... 14 頻率 響應(yīng)分析