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4.1 对于如下系统，求其传递函数。
并判别：系统是否由其传递函数完全表征？系统是否渐进稳定？是否输入-输出稳定？（1）[]0100001061161310x x u y x⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦= 解：由3261160sI A s s s -=+++=得极点为：1231,2,3s s s =-=-=-所以系统渐进稳定。
13231()()6116(1)(2)s G s C sI A B s s s s s -+=-==+++++ 所以系统为输入-输出稳定，但不能由G （s ）完全表征。
（2）[]010000102500550510x x u y x⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦=-解：由3252500sI A s s -=+-=得1235,55,55s s i s i ==-+=--所以不是渐进稳定。
G(s)=C(sI-A)1-B=C 1502501001-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+---s s sB=)5)(55)(55()5(50--+++-s j s j s s .=)55)(55(50j s j s -+++所以系统是输入-输出稳定，但不能由G （s ）完全表征。
（3）[]110001010002110x x u y x-⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=- 解：由3220sI A s s s -=++=得1230,1,1s s s ==-=-所以系统不是渐进稳定。
12()()(1)sG s C sI A B s --=-=+ 所以系统是输入-输出稳定，但不能由G （s ）完全表征。
（4）（a ）解：25()27s G s s s -=+-，1,21s =-± 所以既不是渐进稳定，又不是输入-输出稳定。
系统可由其传递函数完全表征。
.（b ）解：)54)(1()1)(3()(2++-++=s s s s s S G .，有极点在右半平面所以既不是渐进稳定，又不是输入-输出稳定。
制造系统自动化技术大作业指导书李松柏编中南大学2015年12月目录1. 前言 (1)2. 第一作业控制自动化技术 (2)作业题目：搬运机械手运动控制系统设计3. 第二作业物料传输自动化技术 (4)作业题目：自动导引式物料搬运小车系统设计4. 第三作业检测自动化技术 (6)作业题目：零件质量的自动化检测系统设计5. 第四作业装配自动化技术 (8)作业题目：滚动组件自动装配系统设计6. 附录 (9)1. 前言《制造系统自动化技术》是机械设计制造及其自动化专业的主干选修课，通过系统全面的课堂教学和直观生动形象的实验教学，让学生全面深入地掌握制造系统自动化技术知识。
通过新知识的获取和以往所学知识的综合应用，培养学生分析和解决制造系统自动化问题的能力。
本课程作业设计是培养同学们进行制造系统自动化设计能力、综合运用所学知识能力、解决实际制造系统中问题能力的一个重要环节。
通过本作业的训练可使同学进一步掌握和了解制造自动化系统中各个环节的设计过程与方法，熟悉制造自动化技术的设计规范以及各种自动化机构、控制方法、检测元器件等的运用，为解决制造系统中的实际问题打下基础。
本课程作业涉及四个方面的技朮，分别为控制自动化技术、物料传输自动化技术、检测自动化技术和装配自动化技术。
要求同学严格地按着作业的设计内容来完成，需要手写文稿，要求结构合理、图纸规范、文字简练、书写工整。
作业内容和数量根据具体情况而定，一般要求每位同学完成一个以上作业。
编者2015年12月第一作业搬运机械手运动控制系统设计一、搬运机械手功能示意图图1二、基本要求与参数本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。
该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。
以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。
机械手通过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A到B的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A与B之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQi。
东南大学自动化学院实验报告课程名称：过程控制实验实验名称：水箱液位控制系统院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：实验室：实验组别：同组人员：实验时间：评定成绩：审阅教师：目录一、系统概论 (3)二、对象的认识 (4)三、执行机构 (14)四、单回路调节系统 (15)五、串级调节系统Ⅰ (17)六、串级调节系统Ⅱ (18)七、前馈控制 (20)八、软件平台的开发 (21)一、系统概论1.1实验设备1.1.1 组成器件图1.1 实验设备正面图图1.2 实验设备背面图本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。
1.1.2 铭牌·加热控制器：功率1500w，电源220V（单相输入）·泵：Q40-150L/min，H2.5-7m，Hmax2.5m，380V，VL450V，IP44，50Hz，2550rpm，1.1kw，HP1.5，In2.8A，ICL B·全自动微型家用增压器：型号15WZ-10，单相电容运转马达最高扬程10m，最大流量20L/min，级数2，转速2800rmp，电压220V，电流0.36A，频率50Hz，电容 3.5μF，功率80w，绝缘等级E·LWY-C型涡轮流量计：口径4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V，标准信号输出4-20mA，负载0-750Ω，精确度±0.5%Fs ±1.0%Fs，外壳防护等级 IP65 ·压力传感器YMC303P-1-A-3RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V- ·SBWZ温度传感器 PT100量程0-100℃，精度0.5%Fs，输出4-20mADC，电源24VDC·智能电动调节阀型号2DYP-16P压力 1.6MPa，输入信号4-20mA，口径2.5mm，电源220V，反馈信号4-20mA，阀门控制精度0.1%-8%可调·电磁阀MODEL UW-15，VOLTS 220V，ORIFICE 15，CYCLES 60Hz，PIPESIZE 1/211，OFERATING PRESSURE MINI 0kg/c m2—MAX 8kg/cm2·交流变频器功率1500w，电源220V（单相输入）380V（三相输入）1.2电气接线图见最后一页1.3操作面板图控制面板中有4个P909仪表，以及执行机构和变送器的接口。
东南大学自动化学院实验报告课程名称：过程控制第四次实验实验名称：液位单回路调节系统实验院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：同组人员：实验时间：2017 年 5 月13 日评定成绩：审阅教师：目录一．实验目的 (3)二．实验内容 (3)三．实验步骤 (3)四．实验现象 (5)五．思考题 (9)一、实验目的1、熟悉PID参数对控制系通过实验掌握单回路控制系统的构成，构成单回路单容液位控制系统；2、并应用临界比例度法、经验试凑法和衰减曲线法等整定方法来整定控制系统的PID 参数；3、了解扰动对过程品质指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的整定和自动控制的投运；4、熟练掌握调节器的参数设置和手动、自动的操作方法。
二、实验内容1、单回路系统简介：单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，即SISO（single input single output）系统。
其中，控制器只接收一个测量喜好，其输出也只控制一个执行机构。
单回路流量PID控制系统也是一种单回路调节系统，系统框图如上图所示。
在此控制回路中，被控对象的液位是被控量。
利用压力型液位感测器和调理电路对测量信号进行归一化处理，形成4~20mA的信号；PID控制器作为系统的核心，控制输出，使液位打到期望的设定值。
单回路系统示意图如图4.1所示。
图4.1 单回路系统示意图三、实验步骤1、接好实验导线，打开或关闭相应的阀门；2、接通总电源和各仪表电源；3、液位回路整定参数值的计算：选取工程中常用的整定方法（经验试凑法、临界比例度法、衰减曲线法等）的一种或两种，按照每种整定方法不同的整定步骤，计算和整定液位回路的P、I、D参数；4、将计算所得的PID参数值置于调节器中，系统投入闭环运行。
加入扰动信号观察液位的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止。
注意每改变一次整定参数，系统必须处于稳定状态下再加阶跃信号；5、曲线的分析处理：对液位的过渡曲线进行分析和处理，描绘几组典型的整定曲线，分别标出得到每组曲线时所设定的PID参数值，计算每条整定曲线的超调量、峰值时间、调节时间等指标并分析比较哪组曲线整定效果相对最佳并给出合理的解释，总结P、I或D参数对过渡曲线性能指标的影响；6、记录曲线，运用力控组态软件中的历史趋势曲线，曲线下方操作按钮的作用参看附录二。
自动控制作业作业答案一、填空题1、对非线性系统分析的方法采用的主要方法有（相平面法）、（描述函数法）和（李雅普诺夫直接法）。
2、相轨迹作图方法有（解析法）和（图解法）两种方法。
3、控制系统通常采用（线性组合）、（线性独立）、（系统变量）、（状态变量）、（状态向量）、（状态空间）和（状态空间方程）进行状态空间描述。
4、一个不可控、不可观测的系统，可以将其状态空间划分为（可控可观测子空间）、（可控不可观测子空间）、（可观测不可控子空间）和（不可观测不可控子空间）四部分。
5、根据Zadel的定义，对一个系统进行辨识，必须具备三个基本要素：（观测数据）、（模型类）和（等价准则）。
6、系统辨识的方法有（参数辨识问题）和（在线辨识和离线辨识）两种。
7、通常系统辨识的实验设计主要包括：（输入信号的设计）、（采样区间的设计）和（参数估计的方案）等内容。
8、系统辨识的方法有（参数辨识问题）和（在线辨识和离线辨识）两种。
二、问答题1、相轨迹的基本特点是什么？答：从以下四个方面进行说明：1）对称性（1）x’轴对称：在对称点(x’,x)和(x’,-x)上，相轨迹的斜率大小相等，符号相反。
（2）x轴对称：在对称点(x’,x)和(-x’, x)上，相轨迹的斜率大小相反，符号相反。
（3）原点对称：在对称点(x’,x)和(-x’,-x)上，相轨迹的斜率相同。
2）奇点由相轨迹方程式可知，在x’和f(x’,x)不同时为零的点上，相轨迹的斜率由式（8-29）确定。
若在某点有f(x’,x)和x’同时为零，dx’/dx=0/0为不定值，称这样的特殊点为奇点，奇点也是系统的平衡点。
相平面上的其他点，叫做普通点。
通过奇点的相轨迹不止一条，说明相轨迹线在奇点发生相交，而经过普通点的相轨迹是惟一的。
另外，由于奇点处x’=0，所以奇点只能出现在x轴上。
3）相轨迹垂直通过x轴除奇点外，通过x轴的相轨迹斜率a=-f(x’,x)/x’=-∞，所以，相轨迹是垂直通过x轴的。
控制系统CAD 作业四《控制系统CAD 》课程的平时作业共布置4次记分作业，每次作业满分2.5分，共10分。
在完成记分作业的前提下，辅导教师还可根据学生学习的实际情况，再布置一些有针对性的作业，作为对记分作业的补充，供学生更好地掌握学习内容。
一、填空题1．()()()ωωωj G x y A ==称为系统的幅频特性，它描述系统对_不同频率特性___输入信号的稳态响应_____幅值______衰减（或放大）的特性。
()()ωωϕj G ∠=称为系统的___相频_____特性，它描述系统对不同频率输入信号的稳态响应及相位滞后()0＜ϕ或超前()0＞ϕ的特性。
2．若sys 为系统传递函数，则在函数[mag ，phase ，w]=bode （sys ）中函数的返回值mag 和phase 分别表示___频率特性的幅频值_____和___相位_____。
3．若sys 为系统传递函数，则函数margin （sys ）的功能是___绘制系统的Bode 图_____，它和函数bode （sys ）的区别在于所绘制的Bode 图上带有稳定裕量标记________。
4．若sys 为系统传递函数，则函数nyguist （sys ）的功能是____绘制系统的Nyquist 曲线____。
5．常用的串联校正有__相位超前校正、相位滞后校正、 和相位滞后-超前校正__三种方式。
6．某串联校正装置的传递函数为()11.014.0c ++=s s s G ，该串联校正装置提供的是___超前（微分）_____校正，它能改善系统的___稳定性和快速性_____。
7．MATLAB 提供的单输入单输出系统可视化设计工具SISO Design Tool 是一种基于___根轨迹分析__或_频域性能指标__________的系统设计工具。
8．欲用SISO Design Tool 对系统进行校正设计，需在MATLAB 命令窗口输入___rltool(sys)_____命令启动SISO Design Tool 。
第一章 概述1.1 过程控制系统由哪些基本单元构成？画出其基本框图。
控制器、执行机构、被控过程、检测与传动装置、报警，保护，连锁等部件1.2 按设定值的不同情况，自动控制系统有哪三类？ 定值控制系统、随机控制系统、程序控制系统1.3 简述控制系统的过渡过程单项品质指标，它们分别表征过程控制系统的什么性能？a.衰减比和衰减率：稳定性指标；b.最大动态偏差和超调量：动态准确性指标；c.余差：稳态准确性指标；d.调节时间和振荡频率：反应控制快速性指标。
第二章 过程控制系统建模方法习题2.10某水槽如图所示。
其中F 为槽的截面积，R1，R2和R3均为线性水阻，Q1为流入量，Q2和Q3为流出量。
要求：（1） 写出以水位H 为输出量，Q1为输入量的对象动态方程；（2） 写出对象的传递函数G(s)，并指出其增益K 和时间常数T 的数值。
（1）物料平衡方程为123d ()d HQ Q Q Ft-+= 增量关系式为 123d d HQ Q Q Ft∆∆-∆-∆= 而22h Q R ∆∆=， 33h Q R ∆∆=， 代入增量关系式，则有23123()d d R R hh F Q t R R +∆∆+=∆ （2）两边拉氏变换有：23123()()()R R FsH s H s Q s R R ++=故传函为：232323123()()()11R R R R H s KG s R R Q s Ts F s R R +===+++ K=2323R R R R +, T=2323R R F R R +第三章 过程控制系统设计1. 有一蒸汽加热设备利用蒸汽将物料加热，并用搅拌器不停地搅拌物料，到物料达到所需温度后排出。
试问：（1） 影响物料出口温度的主要因素有哪些？（2） 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁？为什么？（3） 如果物料在温度过低时会凝结，据此情况应如何选择控制阀的开、闭形式及控制器的正反作用？解：（1）物料进料量，搅拌器的搅拌速度，蒸汽流量（2）被控变量：物料出口温度。
东南大学自动化学院实验报告课程名称：过程控制第三次实验实验名称：被控过程的电动调节阀实验院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：同组人员：实验时间：2017 年 5 月13 日评定成绩：审阅教师：目录一．实验目的 (3)二．实验内容 (3)三．实验步骤 (3)四．实验现象 (3)五．思考题 (6)一、实验目的1、了解执行器的功能和组成；2、掌握电动调节阀的使用方法，并完成调节阀特性的测定工作；3、熟练掌握调节器的参数设置和手动、自动的操作方法。
二、实验内容1、仪表的配线操作；2、本实验的仪表配线图见图1.2，对实验控制台上的2#、3#调节器的输入、输出、电源进行插棒连线（6根弱电，4根强电）；3、调节器参数的设置；记录曲线，运用组态王中的历史趋势曲线，曲线下方操作按钮的作用参看附录二。
三、实验步骤1、了解P909智能调节器的工作原理P909介绍；2、掌握P909智能调节器的使用方法P909及其使用；3、掌握力控组态过程控制实验平台的使用方法力控软件；4、理解电动调节阀特性电动调节阀的使用；5、当液位平衡后，改变进水阀的开度，一般变化10%左右，等待液位再次平衡，并且记录下改变阀位的时刻。
四、实验现象1、电动调节阀的使用与评价（1）使用注意事项在工业自动化仪表中，电动调节阀算是一种极其笨重的仪表设备，因其结构简单，主要元部件又被壳体笼罩，加之安装在工艺管道上，所以往往不被人们重视。
但是，它的工作状态的好坏会直接影响自动控制过程，如调节阀一旦出现问题，操作人员就会忙手忙脚，还会涉及系统投运、生产安全、产品质量、环境污染等等。
为了确保电动调节阀能够正常工作，使生产系统安全运行，新阀在安装之前，应首先检查阀上的铭牌标记是否与设计要求相符。
同时还应对其基本误差限、全行程偏差、回差、死区、泄漏量（在要求严格的场合时进行）等项目进行调试。
如果是对原生产系统中调节阀进行了大修，除了对上述各项进行校验外，还应对旧阀的填料函和连接处等部位进行密封性检查。
