中北大学信息商务学院
课程设计任务书
2012/2013 学年第 一 学期
学 院： 信息商务学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 刘波 学 号：09050542X45
课程设计题目： 直流电机PI控制器的计算机仿真设计 起 迄 日 期： 2012年12月31日～2013年1月6日
课程设计地点： 电气工程系中心实验室 指 导 教 师： 贾建芳
系 主 任： 王明泉
下达任务书日期: 2012 年 12 月 29日
课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的： 通过本课程设计，掌握《计算机仿真技术》课程要求的基本设计方法，掌握计算机仿真的基本原理及Simulink仿真的设计要点，学习应用MATLAB进行控制系统仿真，使学生具备对控制系统进行仿真和分析的能力；培养自动化专业学生综合运用所学的理论知识独立分析和解决控制工程实际问题的实践能力。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1)设计内容 一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y为电机转速，va为电枢电压，W为负载转矩。t令电枢电压由PI控制定律求取，PI表达式为：va?(kpe?kI?edt)，其中e=r-y。 0W 1200 + - e D R va 300 + - 1s?30 Y 试分别完成： （1）写出以R为输入的直流电机控制系统微分方程，并试求kp和kI的值，使闭环系统的特征方程的根包括?30?30j； （2）建立系统的状态空间模型和传递函数； （3）求系统的状态移矩阵； （4）分析系统的能控性和能观性； （5）利用Lyapunov第二法分析系统的稳定性； （6）分别建立系统的Simulink模型，并分别绘制其单位阶跃、单位斜坡响应曲线。 2）设计要求 （1）以*.m文件格式编写matlab程序； （2）阶跃响应输出结果用曲线形式给出。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 按照设计任务书要求，完成课程设计说明书一份，程序清单和仿真结果，并按照规定格式打印装订。
课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献： [1]肖田元 编著. 系统仿真导论（第2版）.北京：清华大学出版社，2010 [2]黄忠霖 编著. 控制系统MATLAB计算及仿真. 北京：国防工业出版社，2001 [3]薛定宇 编著. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用. 北京：清华大学出版社，2003 [4]张晓华 编. 控制系统数字仿真与CAD. 北京：机械工业出版社，1999 5．设计成果形式及要求： 1）仿真设计计算过程； 2）仿真程序； 3）仿真结果。 6．工作计划及进度： 2012年12月31日 ~ 2013年1月 1日 查找资料，确定方案 2013年 1月2 日 ~ 1月 4日 仿真程序设计，并调试通过 1月 5 日 ~ 1月6 日 编写课程设计报告，按组进行答辩 系主任审查意见： 签字：
年 月 日
武汉理工大学《自动控制原理》课程设计说明书
直流电机PI控制器设计与性能分析
1.设计要求
要求对直流电机控制系统PI控制环节的相关参数Kp和KI的设计以达到闭环特征根满足要求；并对直流电机控制系统在单位阶跃信号输入、单位斜坡信号输入以及扰动信号（单位阶跃信号、单位斜坡信号）输入下的动态性能、稳态性能等方面的分析， 并使用在Matlab仿真软件中对系统的输出响应进行仿真，与理论计算的结果进行比较，修正做设计参数已达到正确结果。
2.设计原理
系统的结构图能较好地反应系统各方面信息，通过对系统结构图的分析，我们可以求出输入到输出的传递函数；通过系统结构图的变换可以求出扰动到输出的传递函数。通过相应的传递函数我们可以非常清楚的看出系统的型别，零极点大致分布等信息，可以初略估计系统的动态性能和稳态性能。
通过对va为输入到Y输出的传递函数的拉普拉斯反变换可以求出相应的以va为输入的直流电机控制系统微分方程。从闭环传递函数中可以马上得到闭环特征方程，利用待定系数法可以求出所要求特定特征根情况下kP和kI的值。单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入时系统的跟踪性能都能通过相应传递函数拉普拉斯反变换得到其时域方程；对时域方程进行分析可以得到比较直观的系统动态性能和稳态性能指标。理论结果计算出来后，我们还可以利用Matlab工具进行仿真计算，Matlab能仿真出系统的输出响应曲线，能比较形象、直观的表现出系统的各方面性能，然后将通过Matlab仿真软件对系统响应仿真结果与理论计算结果进行比较、修正。
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