春自动控制系统课设题目

自动控制系统课程设计题目

题目1：

已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示，其中，电机电枢总电阻Ra=1.75欧，总电感La=2.83mH ，电机转子旋转产生的电动势Uv=Kv*W ，Kv=0.093，w 为转子角速度；电动机产生的电磁力矩为T=Kt*I ，Kt=0.09；电动机及负载的转动惯量J=30e-6；阻力矩为TL=B*w ，其中B=0.005。

要示：

1) 分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。 所用公式：dt dw J T T L e =-

dt dI L IR U U a v +=- 其中，输入信号为电压U ，输出信号为角频率w

2) 系统跟踪阶跃响应的时间为0.5秒，超调量为小于5%，设计校正系统

题目2：

下面为单闭环直流调速系统原理图

其中，A 为放大器，GT 为触发装置，UPE 为晶闸管三相桥式整流装置，M 为被控的直流电动机，TG 为测速发电机，Un*为给定电压信号，Un 为反馈信号，Uc 为控制信号，Ud 为电动机电枢电压，Id 为电枢电流，n 为电动机转速。

已知，放大器A 的放大倍数是Ka=21，GT 和UPE 总的传递函数为10167.044)(1+=s s G ，电动机的传递函数为1

075.0001275.019.5)(22++=s s s G ，反馈环节可看做一个比例环节，比例系数为Ktg=0.02。

要求：设计调节器，使得系统稳定，并有足够好的动态性能，超调量小于20%，调节时间小于1s 。

题目3：

磁盘驱动器必须保证磁头的精确位置，并减小参数变化和外部振动对磁头定位造成的影响。作用于磁盘驱动器的扰动包括物理振动、磁盘转轴轴承的磨损和摆动，以及元器件老化引起的参数变化等。下图为磁盘驱动器示意图和磁头控制系统框图：

已知被控制对象（电机和驱动臂）的传递函数为)

1000)(20(5000)(++=s s s s G ，传感器传递函数H(s)=1。要求：设计控制器Gc （s ），使系统稳定，并满足调节时间小于0.5s ，超调量小于10%。

题目4：

火星漫游车转向控制：1997年7月4日，以太阳能为动力的“逗留者”号火星漫游车在火星上着陆，全车重10.4KG ，可由地球上发出的路径控制信号实施遥控。车上的两组车轮以不同的速度运行，以便实现整个装置的转向。

上图为火星漫游车转向控制系统框图，G （s ）为动力传动系统与漫游车的传递函数，为)5)(2()(1++=s s s K s G ，反馈H(s)=1。要求：设计校正装置，选择合适的K1的值，在确保系统稳定的条件事，使系统对斜坡输入的稳态误差小于或等于输入指令幅度的24%。 题目5：

一种采用电磁力驱动的磁悬浮列车的构造如下：

其运行速度可达480km/h ，载客量为400人。但是磁悬浮列车的正常运行需要在车体与轨道之间保持0.635cm 的气隙。设车体与悬浮线圈的传递函数为2)

2(4)(+-=s s s G ，系统为单位负反馈，试设计校正装置Gc （s ），要求：系统稳定，对单位阶跃输入的稳态跟踪误差为零，系统的动态性能较好。（气隙为被控变量）

题目6：

雕刻机控制系统如图：y 轴

z 轴

其x 轴方向配有两台驱动电机，用来驱动雕刻针运动，另外还各有一台单独的电机用于在y 轴和z 轴方向驱动雕刻针。雕刻机x 轴方向位置控制系统中，其电机、螺杆、雕刻针支撑杆整体的传递函数为)2

)(1(1)(++=s s s s G ，单位负反馈。设计控制器，要求：系统相位裕度为40左右，超调量小于25%，调节时间小于15s 。

题目7：

遥控侦察车速度控制：一种用于联合国维和使命的遥控侦察车，由无线电指令传递给侦察车，其传递函数为4

21)(2++=s s s G ，反馈为单位负反馈。设计校正装置，使系统的调节时间小于5s ，超调量小于45%，稳态误差小于15%。

题目8：

转子绕线机控制系统：

绕线机用直流电机来缠绕铜线，能快速准确地绕线，并使线圈连贯。采用自动绕线后，操作人员只需从事插入空的转子、按下启动按钮和取下绕好线的转子等简单操作。已经系统的传递函数为)

10)(5(1)(++=s s s s G ，设计控制器，要求：系统对斜坡输入响应的稳态误差小于10%，超调量在10%左右，调节时间为3s 左右。

题目9：

X 轴

已经汽车点火系统中有一个单位负反馈子系统，其开环传递函数为，设计校正装置，使系统稳定，并满足调节时间小于2s ，超调量小于10%。

题目10：

MANUTEC 机器人具有很大的惯性和较长的手臂：

其机械臂的动力学特性可以表示为：)

45)(40)(2(250)(+++=s s s s s G ，系统为单位负反馈，要求设计控制器，满足系统阶跃响应的超调量小于20%，上升时间小于0.5s ，调节时间小于

1.2s （误差带2%），静态速度误差系统大于等于10。

题目11：

双手协调机器人：两台机械手相互协作，试图装一根长杆插入另一个物体中去。已知单个机器人关节的反馈控制系统为单位反馈控制系统，被控对象为机械臂，其传递函数为)

5.0(4)(+=s s s G ，要求设计校正网络（至少两种方法），使系统在单位斜坡输入时的稳态误差小于0.0125，单位阶跃响应的超调量小于25%，调节时间小于3s 。

题目12：

机器人和视觉系统：移动机器人利用摄像系统来观测环境信息。已知机器人系统为单位反馈系统，被控对象为机械臂，其传递函数为：)

15.0)(1(1)(++=s s s G ，试设计PID 调节器使系统阶跃响应的稳态误差为零，超调量不大于5%，调节时间小于6s （误差带2%）。 题目13：

大型天线可以用来接收卫星信号，为了能跟踪卫星的运动，必须保证天线的准确定向。天线指向控制系统采用电枢控制的电机驱动天线，电机和天线的传递函数为

)

10)(5(10)(++=s s s s G ，设计合适的校正网络，要求系统斜坡响应的稳态误差小于1%，阶跃响应的超调量小于5%，调节时间小于2s 。

题目14：

模拟随动控制系统的串联校正设计。已知某随动系统固有特性开环传递函数为: )1)(1()(21++=

s T s T s K s G

其中：T 1=0.1s ，T2=0.025s 。设计迟后-超前校正装置。使校正后的系统具有如下性能指标：

1) 开环增益K ≥100

2) 超调量σp ≤30%

3) 调整时间ts ≤0.5秒

题目15： 设一系统的开环传递函数为：1)

1)(0.5s s(s k (s)G 0++=，试设计串联校正网络)(s G c 要求校正后，系统稳态速度误差系数v K =5秒-1，γ3400。

要求：①确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

②将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络)(s G c 的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。仿真校正后整个系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

③当输入)(t r ＝1（t ）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线)(t h 。分析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分析结论。

题目16：

设单位反馈系统的开环传递函数为：

)

101.0)(11.0()(0++=s s s K s G 试设计一校正装置，使系统期望特性满足如下指标：

（1）静态速度误差系数v K ≥250/s ；

（2）截止频率c ω≥30rad/s ；

（3）相角裕度γ≥?45。

要求：①确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

②将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络)(s G c 的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。

仿真校正后整个系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

③当输入)(t r ＝1（t ）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线)(t h 。分析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分析结论。

题目17：

隧道钻机控制系统：钻机在推进的过程中，为了保证必要的隧道对接精度，施工中使用了一个激光导引系统，以保持钻机的直线方向。已知钻机的传递函数为)

1(1)(+=s s s G ,用两种设计方法，设计校正装置，要求系统稳定，且满足阶跃响应的超调量小于5%，调节时间小于1s ，上升时间小于0.5s 。

题目18：

设计校正装置G 0（s ），要求：相位裕度大于40度，剪切频率小于10，阶跃响应超调量小于10%，调节时间小于0.8s 。

题目19：

电动车控制系统：某电动车控制系统如图：

若系统的数学模型及控制环节的传递函数为)

6)(3(40)(++=s s s s G ，设计校正装置，要求至少使用两种校正方式，使系统在阶跃响应的超调量小于5%，调节时间小于4s 。 题目20：

X-Y 记录仪控制系统框图如下图：

已经系统的前向通道传递函数为)

06.0)(11.0(40)(++=s s s s G ，设计校正环节，要求校正后系统的相位裕度为40度，幅值裕度大于12在dB 。

题目21：

典型电机结构示意图如图3所示，控制系统的输入变量为输入电压)(t U a ，系统输出是电机负载条件下的转动角速度)(t ω。现设计补偿器的目的是通过对系统输入一定的电压，使电机带动负载以期望的角速度转动，并要求系统具有一定的稳定裕度。

直流电机动态模型本质上可以视为典型二阶系统，设直流电机的传递函数为 02.40145.1)(2++=s s s G 系统为单位负反馈，设计校正装置，使系统的设计指标为：稳态误差ess<5%，最大超

调量<10%，幅值裕度Lg>20dB ，相角裕度o 40>γ。

题目22：

燃油调节控制系统如图：

已知燃油调节控制系统前向通道总的传递函数为：

)

1.01)(25.01(2)(s s s s G p ++= 设计校正环节（至少用两种校正方法）。要求静态速度误差系数为10，相位裕度为45°，调节时间小于0.8s 。

题目23：

已知随动系统固有部分传递函数为：

)1)(1()(++=

s T s T s K s W l m obj obj 式中：15=obj K ；s T m 2.0=；s

T l 2.0=。要求设计调节器（至少用两种校正方法），使系统满足下述性能指标：系统阶跃响应的超调量：%30≤σ；调节时间：s t s 3.0≤。

题目24： 已知单位负反馈系统的开环传递函数0()(0.051)(0.11)

K G S S S S =++，试用频率法设计串联滞后——超前校正装置使系统的速度误差系数150v K s -≥，相位裕度为00402γ=±，剪切频率(100.5)c rad s ω=±。

题目25： 已知单位负反馈系统的开环传递函数0

()11(1)(1)26

K G S S S S =++，试用频率法设计（至少用两种方法），使系统的相位裕度为0

0402γ=±，增益裕度不低于10dB ，静态速度误差

系数1v K 7s -=，剪切频率不低于1rad s 题目26： 已知单位负反馈系统的开环传递函数1261060()(10)(60)

G S S S S ??=++试用频率法设计串联超前——滞后校正装置，使（1）输入速度为1rad s 时，稳态误差不大于1126rad 。(2)相位裕度030γ≥，截止频率为20rad s 。（3）放大器的增益不变。

题目27： 已知单位负反馈系统的开环传递函数0(0.51)()(1)(0.21)(0.11)

K S G S S S S S +=+++，试用频率法分别设计串联滞后和超前两种校正装置，要求校正后系统的开环增益K=8，相位裕度035γ≥，增益裕度6dB 20lgK g ≥。

题目28：

一个位置随动系统如图所示: