2012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：Te?TL?JdwdIU?Uv?IR?Ladt dt

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G1(s)?44，电

0.0167s?1动机的传递函数为G2(s)?5.19，反馈环节可看做一个比例环节，比例

0.001275s2?0.075s?1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G(s)?5000，传感器传递

s(s?20)(s?1000)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

G(s)?K1，反馈H(s)=1。要求：设计校正装置，选择合适的K1的值，在确保

s(s?2)(s?5)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G(s)?s?4，系统为单位2(s?2)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

X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G(s)?1，单位负反馈。设计控制器，要求：系统相

s(s?1)(s?2)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G(s)?1，反馈为单位负反馈。设计校正装置，使系统的调

s2?2s?4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G(s)?1，设计控制器，要求：系统对斜坡输入响应的稳态误差小

s(s?5)(s?10)于10%，超调量在10%左右，调节时间为3s左右。

题目9：

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：G(s)?250，系统为单位负反馈，

s(s?2)(s?40)(s?45)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

G(s)?4，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

s(s?0.5)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：G(s)?1，试设计PID调节

(s?1)(0.5s?1)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

G(s)?10，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

s(s?5)(s?10)

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:

G(s)?

Ks(T1s?1)(T2s?1)

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：G0(s)?k，试设计串联校正网络Gc(s)要求

s(s?1)(0.5s?1)校正后，系统稳态速度误差系数Kv=5秒-1，??400。

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Gc(s)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r(t)＝1（t）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线h(t)。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：

G0(s)?K

s(0.1s?1)(0.01s?1)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Kv≥250/s； （2）截止频率?c≥30rad/s；

（3）相角裕度?≥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Gc(s)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r(t)＝1（t）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线h(t)。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G(s)?1,用两

s(s?1)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G0（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G(s)?40，设计校正装置，要求

s(s?3)(s?6)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G(s)?40，设计校正环节，要求校正后

s(0.1s?1)(0.06s?)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

Ua(t)，系统输出是

电机负载条件下的转动角速度?(t)。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

G(s)?1.5 2s?14s?40.02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

o??40调量<10%，幅值裕度Lg>20dB，相角裕度。

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：

Gp(s)?2

s(1?0.25s)(1?0.1s)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：

Wobj(s)?式中：

Kobjs(Tms?1)(Tls?1)

。要求设计调节器（至少用两种校正方法），使

Kobj?15；

Tm?0.2s；

Tl?0.2st?0.3s系统满足下述性能指标：系统阶跃响应的超调量：??30%；调节时间：s。

题目24：

已知单位负反馈系统的开环传递函数G(S)?K0，试用频率法设计

S(0.05S?1)(0.1S?1)00?1串联滞后——超前校正装置使系统的速度误差系数Kv?50s，相位裕度为??40?2，

剪切频率?c?(10?0.5)rads。

题目25：

已知单位负反馈系统的开环传递函数G(S)?K011S(S?1)(S?1)260，试用频率法设计（至

少用两种方法），使系统的相位裕度为??40?2，增益裕度不低于10dB，静态速度误差

?1系数Kv?7s，剪切频率不低于1rads

0

题目26：

已知单位负反馈系统的开环传递函数G(S)?126?10?60试用频率法设计串

S(S?10)(S?60)联超前——滞后校正装置，使（1）输入速度为1rads时，稳态误差不大于1126rad。(2)相位裕度??300，截止频率为20rads。（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G(S)?K0(0.5S?1)，试用频率

S(S?1)(0.2S?1)(0.1S?1)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

??350，增益裕度20lgKg?6dB。

题目28：

一个位置随动系统如图所示:

R(s) C(s) G1(s) G2(s) G3(s) G4(s) 位置随动系统

其中，自整角机、相敏放大G1(s)?1.25?540，可控硅功率放大G2(s)?，

0.007s?10.00167s?1执行电机G3(s)?23.980.1G(s)?，减速器。 42s0.0063s?0.9s?1对系统进行超前-滞后串联校正。要求校正后的系统在稳定的前提下，满足指标：

（1）幅值稳定裕度Gm>18，相角稳定裕度Pm>35o

（2）系统对阶跃响应的超调量小于36%，调节时间Ts <0.3秒。 （3）系统的跟踪误差Es<0.002。

题目29：

晶闸管-直流电机调速系统如图所示：

对系统进行串联校正，要求校正后的系统在稳定的前提下，满足指标： （1）相角稳定裕度Pm>40o , 幅值稳定裕度Gm>13。

（2）在阶跃信号作用下，系统超调量Mp<25%，调节时间Ts<0.15秒。

题目30：

水温控制系统设计：某单位水温控制系统为单位负反馈系统，其被控对象的传递函数为

G0(s)?Ks(0.1s?1)用串联校正的方式对系统进行设计（用超前、滞后和滞后-超前三种方

法中的任意两种），使校正后的系统满足斜坡信号作用下Kv=20s，相位裕度大于50度。

题目31：

位置随动系统的分析与设计：系统结构图如下：

对应的系统框图为：

其中，电桥增益K=6，放大器增益Ka=15，测速发电机增益kt=2，i=0.02，tm=0.02s，km=40。试设计校正环节，要求：在稳定的前提下满足稳态误差小于0.3，超调量小于15%，调节时间小于5s。

题目32：

哈勃太空望远镜指向系统：哈勃太空望远镜于1990年发射升空，标志着将空间技术发展推向了一个新的高度。望远镜的2.4m镜头拥有所有镜头中最光滑的表面，其指向系统能在644km以外将视野聚集在一枚硬币上。哈勃太空望远镜指向系统模型经简化为一个典型反馈系统，其望远镜动力学传递函数为G(s)?1，反馈为H(s)=K1s。选择合适的K1值，并2s设计校正装置，使系统满足稳定的前提下，在阶跃指令作用下，超调量小于5%，在单位斜坡输入作用下，稳态误差小于0.05。

题目33：

在喷气式战斗机的自动驾驶仪中，配置有横滚角控制系统，其由副翼执行机构、飞机和陀螺仪组成。现已经副翼执行机构和飞机为前向通道，其传递函数分别为G1(s)?K1和

s?10G2(s)?11.4，陀螺仪为反馈环节，其传递函数为H(s)?1。试设计校正环节，使系

s(s?1.4)统满足相位裕度50度左右，阶跃响应超调量小于5%。

题目34：

一种新型电动轮椅装有一种非常实用的速度控制系统，能使颈部以下有残障的人士自行驾驶这种电动轮椅。该系统在头盔上以90度间隔安装了四个速度传感器，用来指示前后左右四个方向。头盔传感系统的综合输出与头部运动的幅度成正比。已知头盔上的传感器传递函数为G1(s)?K1，放大器传递函数为G2(s)?K2，轮椅动力学模型

T1s?10G3(s)?K3，反馈为单位负反馈。其中三个时间常时T1、T2、T3分别为0.5s、

(T3s?1)(T4s?1)1s、0.25s。要求：（1）确定使系统稳定的K的取值范围。（2）设计校正装置，使系统阶跃响应的调节时间小于2s，超调量小于10%。

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