《控制系统仿真与CAD》大作业
一、提交内容和评分标准
1、大作业word文档（.doc格式），包括：每道题目的程序（有必要的注释）、程序运行结果、结果分析。此项占大作业成绩的50%。
2、5分钟的汇报视频文件（.mp4格式），汇报视频需用EV录屏软件（EVCapture，学习通“资料”栏目里可下载）录制，用这个软件对着程序讲解，录成一个mp4视频文件（打开录屏软件，点击开始录制，打开程序，对着麦克风说话，可以随时停止，结束后自动生成视频文件）。此项占大作业成绩的50%。
二、提交协议（非常重要！）
1、截至时间：2020年6月17日（周三）晚上20点。
2、提交方式：学习通“作业”栏目里，文件夹命名为学号_姓名（比如201710230001_张三），文件夹中需包括大作业word文档（.doc格式），汇报视频文件（.mp4格式），word文档和汇报视频文件命名与文件夹一样。
三、注意事项
1、两人雷同分数/2，三人雷同/3，以此类推。
2、没有做任何修改将例题、平时作业或阶段练习程序交上来，分数为0。
四、题目：以下四道题，任选一题完成，尽可能使用本课程学习的各种函数和分析方法。
选题一：二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定
考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(s)如下，参数为M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F(s)?1。 设计要求：用.m文件和simulink模型完成
（1）控制器为P控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
（2）控制器为PI控制器时，改变积分系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。(例如当Kp=50时，改变积分系数大小)
（3）设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
图1 弹簧－阻尼系统示意图
弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：
??M?x?bx?kx?F
G(s)?X(s)11?? F(s)Ms2?bs?ks2?2s?25
图2 闭环控制系统结构图
选题二：Bode图法设计串联校正装置
考虑一个单位负反馈控制系统，其前向通道传递函数为：
KGo(s)?
s(s?1)(s?4)设计要求：1、分析校正前系统的性能及指标
2、应用Bode图法设计一个串联校正装置Gc(s)，使得校正后系统的静态速度误差系数Kv?10s?1，相角裕量r?50o，幅值裕量Kg?10dB。
选题三：二阶系统串联校正装置的设计与分析
设某单位负反馈系统的开环传递函数如下：
Go(s)?设计要求：1、分析校正前系统性能指标
K
s(s?2)2、选用合适的方法设计一个串联校正装置Gc(s)，使闭环系统的阶跃响应曲线超调量?%?20%，过渡过程时间Ts?1.5(s)，开环比例系数Kv?10(1/s)，并分析串联校正装置中增益、极点和零点对系统性能的影响。
选题四：单级倒立摆的控制器设计与分析
某单级倒立摆如图1所示，其状态方程已知。
m.IθFMx 图1 单级倒立摆示意图
?0??x??????0?x?????????0?????????0?1?(I?ml2)I(M?m)?Mml20?mlbI(M?m)?Mml20mgl2I(M?m)?Mml20mgl(M?m)I(M?m)?Mml220?0??2x?????I?ml0????2??xI(M?m)?Mml??????u 1?????0?ml?????0????2????I(M?m)?Mml???x????0?1000??x????u y??????0010?????0???????其中小车的质量为M=0.5kg，倒立单摆的质量为m=0.2kg，小车的摩擦系数为b=0.1N/m/s，端点与倒立单摆质心的距离为l=0.3m，倒立单摆的惯量I=0.006kg*m2，输入量u=F是施加在小车上的外力，四个状态变量分别是小车的坐标x，x的一阶导数，倒立单摆的垂直角度Φ，Φ的一阶导数。输出的被控量分别是小车的坐标x和倒立单摆的垂直角度Φ。 1、 分析系统性能
2、 配置系统极点，满足如下指标：
（1）输出量x和Φ的过渡过程时间小于2s。 （2）输出量x的上升时间小于0.5s。 （3）输出量Φ的超调量小于20°（0.35rad/s）。
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