自动控制原理1评分标准.doc

实验一 典型环节的电路模拟

一、实验目的

1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用；

2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；

3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备

1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；

2．PC机一台(含“THKKL-5”软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线。

三、实验内容

1．设计并组建各典型环节的模拟电路；

2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。

四、实验原理

自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图

如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。

1．比例（P）环节

比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。 图1-1

它的传递函数与方框图分别为：

KSUSUSGiO)()()(

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。

2．积分（I）环节 图1-2

积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别为：

设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。 TsSUSUsGiO1)()()(

图1-3

3．比例积分(PI)环节

比例积分环节的传递函数与方框图分别为：

)11(11)()()(21211212CSRRRCSRRRCSRCSRSUSUsGiO

其中T=R2C，K=R2/R1

设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。

东北大学自动控制原理 模拟试题及答案（一）

所有答案必须做在答案题纸上，做在试题纸上无效！

一、简答：（合计25分, 共5个小题，每题5分）

1） 控制系统的阶次是如何定义的？

答：系统传递函数特征方程s算子的最高阶次就是控制系统的阶次。

2） 如何从微分方程求得传递函数？需满足什么条件？

答：在零初始条件下，对微分方程用拉普拉斯变换，就可以求得传递函数。

3） 系统闭环频宽的含义？

答：闭环对数幅频特性曲线中，－3dB对应的频率，就是系统的闭环频宽。

4） 简述Nyquist图和Bode图的对应关系。

答：

5） 列表阐述0、I、II型系统分别对单位阶跃、斜坡和加速度信号的响应误差。

二、改错：（合计15分, 共5个小题，每题3分）

6） II型系统的Bode图幅频特性曲线中，穿越频率和开环增益的值相等；

I型系统 不相等

7） 劳斯稳定判据只能判断线性定常系统的稳定性，不可以判断相对稳定性；

可以

8） 命题a： 阻尼比决定了超调量的大小。

命题b：相位裕量决定了超调量的大小。 ()1kWj()1kWj()1kWj负实轴 Nyquist图 Bode图

0dB线

0dB线上

0dB线下

－线

k 0

∞

∞ 0

0 k

k ∞ 阶跃 斜坡 加速度

0型

I型

II型 《考研专业课高分资料》之模拟题

2 / 16 考研专业课研发中心 命题a和命题b是矛盾的。

不矛盾

9） 闭环传递函数中积分环节的个数决定了系统的类型。

10）开环

11）5）Mason增益公式适用于线性和非线性定常系统。

⾃动控制原理1实验指导书

《⾃动控制原理Ⅰ》实验指导书2011年9⽉

实验⼀典型环节及其阶跃响应

⼀．实验⽬的1．学习构成典型环节的模拟电路。

2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

3．学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

4．掌握仿真分析软件multisim的使⽤。

⼆．物理模拟说明

⽤电⼦线性运算放⼤器和各种反馈电路能够模拟线性系统典型环节。同时，模拟典型环节是有条件的，即是将运算放⼤器视为满⾜以下条件的理想放⼤器：(1)输⼊阻抗为∞，进⼊运算放⼤器的电流为零，同时输出阻抗为零；

(2)电压增益为∞；

(3)通频带为∞；

(4)输⼊与输出间呈线性特性．

可是，实际运算放⼤器毕竟不是理想的；电⼦元件和电路仍然有惯性（尽管⾮常⼩）其通频带有限，并⾮达到∞，输⼊输出功率也是有限的；⼀般的运算放⼤器，在开环使⽤时，其通频带仅为10-100Hz，当将其接成K=1的⽐例器，其通频带也不过MHz左右。所以，以线性运算放⼤器和各种反馈电路去模拟系统的各种线性和⾮线环节也不是⽆条件的，它仍然是在⼀定条件下，在⼀定程度上模拟出线性典型环节的特性，超出条件的范围和要求过份精确都是办不到的。因此，需要说明以下⼏点事项：(1)⽤实际的运算放⼤器模拟线性系统各种典型环节都是有条件的近似关系，不可能得到理想化典型环节的特性。其主要原因是：1实际运算放⼤器输出幅值受其电源所限，根本不可能达到∞，此即⾮线性影响；2实际运算放⼤器不是⽆惯性的。尽管惯性很⼩，但通频带不会达到∞。(2)实际运算放⼤器输出幅值受限的⾮线性因素对所有各种模拟环节都有影响，但情况迥异。对⽐例环节、惯性环节、积分环节、⽐例积分环节和振荡环节，只要控制了输⼊量的⼤⼩或是输⼊量施加的时间长短(对于积分或⽐例积分环节），不使其输出在⼯作期间内达到最⾼饱和度，则⾮线性因素对上述环节特性的影响可以避免；但是⾮线性因素对模拟⽐例微分环节和微分环节的影响却⽆法避免。只要输⼊有微⼩跃变．理想微分环节和⽐例微分环节的输出即在瞬时跃变⾄∞。但模拟环节的输出只能达到有限的饱和值，与∞有质的差别。(3)实际运算放⼤器有惯性。它对所有的模拟环节动态响应都有影响，但情况⼜有很⼤的不同。对于模拟的惯性环节、积分环节、和振荡环节的的动态响应很⼩，因为放⼤器的惯性时间常数只有若⼲微秒，与实际系统的惯性（时间常数⾄少为毫秒级）相⽐，可以忽略，对⽐例环节影响则相对⼤些，如不过分要求，也可不考虑。唯有对微分环节和⽐例微分环节，当输⼊有微⼩跃变，整个暂态经历的时间只在瞬间。输出在瞬间以∞的变化率，即时跃变到∞的幅值，然后⼜以∞的变化率下降到稳态值。但是⽤了实际运算放⼤器模拟成微分环节或⽐例微分环节，在输⼊跃变时，输出只能以有限的变化率响应。输出量的变化率是有限值与能达到∞之间⼜是质的区别。(4)实际系统各环节的输出功率是有限的，输出阻抗不等于零，对于微分和⽐例微分环节，实际上受系统功率限制⽆法实现瞬间的急剧变化，电路中，这种急剧变化对电容则相当于短路，但由于输出阻抗的存在，回路并⾮零阻抗的短路状态。

1 参考答案及评分标准

一、 单项选择题（每小题1分，共20分）

1. 系统和输入已知，求输出并对动态特性进行研究，称为（ C ）

A.系统综合 B.系统辨识 C.系统分析 D.系统设计

2. 惯性环节和积分环节的频率特性在（ A ）上相等。

A.幅频特性的斜率 B.最小幅值 C.相位变化率 D.穿越频率

3. 通过测量输出量，产生一个与输出信号存在确定函数比例关系值的元件称为（ C ）

A.比较元件 B.给定元件 C.反馈元件 D.放大元件

4. ω从0变化到+∞时，延迟环节频率特性极坐标图为（ A ）

A.圆 B.半圆 C.椭圆 D.双曲线

5. 当忽略电动机的电枢电感后，以电动机的转速为输出变量，电枢电压为输入变量时，电动机可看作一个（ B ）

A.比例环节 B.微分环节 C.积分环节 D.惯性环节

6. 若系统的开环传 递函数为2)(5 10ss，则它的开环增益为（ C ）

A.1 B.2 C.5 D.10

7. 二阶系统的传递函数52 5)(2sssG，则该系统是（ B ）

A.临界阻尼系统 B.欠阻尼系统 C.过阻尼系统 D.零阻尼系统

8. 若保持二阶系统的ζ不变，提高ωn，则可以（ B ）

A.提高上升时间和峰值时间 B.减少上升时间和峰值时间

C.提高上升时间和调整时间 D.减少上升时间和超调量

9. 一阶微分环节TssG1)(，当频率T1时，则相频特性)(jG为（ A ）

A.45° B.-45° C.90° D.-90°