自动控制原理课程设计：实现系统性能指标与稳定性的实验

在自动控制原理的课程设计中，学生通常需要通过理论学习与实践操作相结合的方式，深入理解自动控制系统的基本原理和设计方法。该课程设计的目的是让学生熟悉控制系统的设计流程，掌握必要的分析与设计工具，并能够针对给定的系统性能指标进行校正设计。在设计过程中，会涉及到系统的稳定性分析、性能指标的计算以及控制器的设计等重要知识点。 设计课题要求学生对一个已知的单位反馈随动系统进行分析和设计。开环传递函数G(s)是一个关键的参数，它决定了系统的动态特性和稳态性能。在此基础上，学生需要设计一个校正装置，使得系统在单位斜坡输入下的稳态误差小于或等于0.1，且系统超调量小于30%，调节时间小于5秒，并且相角裕量至少为45度。 设计步骤包括： 1. 仿真校正前系统的开环对数频率特性图。对数频率特性图是通过Bode图来表示的，其中包含幅度和相位信息，能够直观地反映出系统的稳定性以及频率响应特性。 2. 仿真校正前系统的根轨迹图。根轨迹是系统特征方程根随系统参数变化的轨迹，它能够帮助分析系统的稳定性和瞬态响应特性。 3. 将校正前的性能指标与期望指标进行比较，并确定采用何种校正装置。常见的校正装置包括比例(P)、积分(I)、微分(D)控制器，以及它们的组合PID控制器。 4. 设计出校正装置的传递函数，并仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。这是为了确保校正后系统能够满足性能指标要求。 5. 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，以验证校正效果。 6. 在Simulink中画出校正前、后系统的模拟电路图，并仿真出校正前、后的单位阶跃响应曲线h(t)。Simulink是MATLAB的一个附加产品，提供了一个图形化的多域仿真和基于模型的设计环境。通过Simulink可以直观地看到系统的动态响应，并分析校正前后的变化。 7. 在Multisim电路仿真软件中画出校正前、后电路原理图，并仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线h(t)。Multisim是电子电路仿真软件，可以帮助学生理解电路中电子元件的实际工作情况，并可以直观地展示电路的动态响应。 在完成上述步骤的过程中，学生需要编写MATLAB程序代码，并运行以得到仿真结果。这包括系统稳定性的分析、性能指标的计算、校正装置的设计以及最终系统响应的仿真分析等。 整个课程设计的任务是通过理论与实际相结合的方式，让学生能够熟练运用自动控制原理的知识来解决实际问题，为将来在工程实践中的应用打下坚实的基础。这不仅要求学生掌握自动控制理论和仿真工具的使用，还要求他们具备解决复杂工程问题的能力。