哈工大机电控制三系统的时域分析石

实验5-控制系统时域分析实验目的：1. 掌握控制系统的时域分析方法；2. 熟悉控制系统的基本概念；3. 比较不同控制系统的性能指标，并对其优化。

实验原理：控制系统是由控制器、被控对象和传感器等组成的系统。

它的主要功能是将被控对象的输出值与预期输出值（设定值）进行比较，并根据比较结果对控制器的输出信号进行调整，以实现预期的控制系统动态响应。

系统的状态可以用输入输出关系来表示，通常用系统函数表示，它是输入信号与输出信号的转换函数。

根据系统函数的性质，系统的特性可以分析出来，比如稳态误差、响应时间和阻尼等。

控制系统的时域分析方法主要包括以下内容：1. 稳态误差分析稳态误差是指当控制系统到达稳定状态时，被控对象的输出值与设定值之间的差值。

它是一个反映控制系统偏离设定状态能力的指标。

稳态误差对于不同类型的系统有不同的计算方法，常见的系统类型包括比例控制系统、积分控制系统和派生控制系统。

比例控制系统的稳态误差是：$e_{ss}= \frac {k_p}{1+k_p}, (k_p \neq 0)$派生控制系统的稳态误差是0。

2. 基本响应特性分析一个控制系统的基本响应特性主要包括死区、超调量和稳定时间等。

死区是指当控制器输出的信号在一定范围内时，被控对象的输过不会发生变化。

死区对控制系统的响应时间和稳态误差有很大影响，通常需要根据系统的特点对死区进行调整。

超调量是指被控对象的输出值在达到设定值后，超出设定值的程度。

常见的超调量有百分比超调量和绝对超调量。

3. 阻尼及其影响阻尼是指系统的阻尼比，它是表征系统阻尼程度的一个参数。

阻尼对控制系统的稳定性和性能有很大影响。

当阻尼比为1时，系统的响应最快，但容易出现震荡现象。

阻尼比小于1时，系统的响应相对较慢，但是不会出现震荡现象。

当阻尼比大于1时，系统的响应速度较慢，但相对稳定。

实验步骤：本实验采用MATLAB软件对几种常见的控制系统进行时域分析，具体步骤如下：1. 打开MATLAB软件，新建文件进行编程。

姓名：学号：课程名称：机电系统控制基础实验实验序号： 1 实验日期：实验室名称：同组人：实验成绩：总成绩：教师评语：教师签字：年月日机电系统控制基础原理性仿真实验一、实验目的通过仿真实验，掌握在典型激励作用下典型机电控制系统的时间响应特性，分析系统开环增益、系统阻尼、系统刚度、负载、无阻尼自振频率等机电参数对响应、超调量、峰值时间、调整时间、以及稳态跟踪误差的影响；掌握系统开环传递函数的各参数辨识方法，最后，学会使用matlab 软件对机电系统进行仿真，加深理解系统动态响应特性与系统各参数的关系。

二、实验原理1．一阶系统的单位脉冲响应惯性环节（一阶系统）单位脉冲响应simulink 实现图，如图2-1 所示(a)可观测到输出曲线(b)输入、输出曲线均可观测到图2-1 惯性环节（一阶系统）单位脉冲响应simulink 实现图2．一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应simulink 实现图如图2-2 所示。

图2-2 一阶系统的单位阶跃响应simulink 实现图3．二阶系统的单位脉冲响应二阶系统的单位脉冲响应simulink 实现图，如图2-3 所示。

图2-3 二阶系统的单位脉冲响应simulink 实现图4．二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应实验simulink 实现图如图2-4 所示。

图2-4 二阶系统的单位阶跃响应实验simulink 实现图三、实验要求1. 掌握在典型激励作用下典型机电控制系统的时间响应特性。

2. 掌握系统开环传递函数的各参数辨识方法。

3. 使用matlab 软件对机电系统进行仿真四、实验结果1. 一阶系统的单位脉冲响应Simulink 模型图如图4-1图4-1 一阶系统单位脉冲响应模型图单位脉冲函数波形图如图4-2图4-2 单位脉冲函数波形图图4-3 输出函数波形图2. 一阶系统的单位阶跃响应Simulink 模型图如图4-4图4-4一阶系统的单位阶跃响应模型图单位阶跃函数波形图如图4-5图4-5 单位阶跃函数波形图图4-6 输出函数波形3.二阶系统的单位脉冲响应Simulink 模型图如图4-7图4-7 Simulink 模型图单位脉冲函数波形图如图4-2。

3—1 题图3-1所示的阻容网络中，i ()[1()1(30)](V)u t t t =--.当t =4s 时，输出o ()u t 值为多少？当t 为30s 时，输出u o （t )又约为多少？解:661(s)1111(s)1110410141o i U sCU RCs s R sC -====+⨯⨯⨯+++(4)0.632(V)o u ≈，(30)1(V)o u ≈3—2 某系统传递函数为21()56s s s s +Φ=++，试求其单位脉冲响应函数。

解：2(s)112(s)5623o i X s X s s s s +-==+++++ 其单位脉冲响应函数为23(t)(e 2e )1()t t x t δ--=-+⋅3-3 某网络如图3—3所示，当t ≤0-时，开关与触点1接触；当t ≥0+时,开关与触点2接触。

试求输出响应表达式，并画出输出响应曲线。

1V题图3-1 题图3—3解：1(s)11(s)2121()o i R U RCs s sCU RCs s R R sC++===++++01(t)1(2)1()(V)i i i u u u t =+=+-⋅1111212(s)(s)121212o i s s U U s s s ss ++-===-+++ 则21(t)(e 2)1()(V)t o u t -=-⋅1201(t)1(e 2)1()(V)o o o u u u t -=+=+-⋅其输出响应曲线如图3—3所示图3-3 题图3—43-4 题图3—4所示系统中，若忽略小的时间常数，可认为1d 0.5()d yB s x-=∆。

其中，ΔB 为阀芯位移,单位为cm ，令a =b （ΔB 在堵死油路时为零）。

(1) 试画出系统函数方块图,并求(s)(s)Y X 。

(2) 当i ()[0.51()0.51(4)1(40)]cm x t t t s t s =⨯+⨯---时,试求t =0s,4s ，8s,40s,400s 时的y （t )值，()B ∆∞为多少?(3） 试画出x （t )和y （t )的波形。

电气工程2012年硕士研究生入学考试大纲考试科目名称：电路与数字电子技术考试科目代码：[827]一、考试要求要求考生全面系统地掌握电路和数字电子技术的基本概念及基本定律，并且能灵活运用，具备较强的分析、设计与解决电路与数字电子电路问题的能力。

二、考试内容（一）电路部分（60％）1 直流电路(1)基本概念和电路元件：参考方向，电功率和电能量，基尔霍夫定律。

电阻、电容、电感、电压源、电流源和受控源，理想变压器、互感等元件的特性及其电压电流关系。

(2)星－三角等效变换，支路电流法，回路电流法，节点电压法。

(3)叠加定理，齐性定理，戴维南和诺顿定理，最大功率传输定理，特勒根定理。

2 交流电路(1)正弦电路中有效值、瞬时值，正弦量的相量，相量图，电路元件电压电流关系的相量形式、阻抗和导纳，正弦电流电路的分析计算，含互感电路的计算（互感电压、同名端、串联、并联、互感消去），有功功率、无功功率和复功率，功率表的使用，最大功率传输定理。

(2)非正弦周期量的有效值，平均功率, 非正弦周期电流电路的计算。

(3)串联谐振和并联谐振条件、特点，谐振电路的分析计算。

(4)三相电路的连接方式，对称三相电路线电压、线电流、相电压、相电流及功率的计算, 简单不对称三相电路的计算。

3 暂态电路(1)线性电路的时域分析：换路定则，阶跃函数和冲激函数，零输入响应，零状态响应和全响应，用三要素法求一阶电路的全响应，一阶电路的冲激响应的计算。

(2)线性电路的复频域分析：复频域中的电路模型，用拉氏变换求解电路暂态过程，复频域中的网络函数。

4 二端口网络：(1)二端口网络四种参数（阻抗、导纳、传输、混合）方程的计算(2)二端口网络的T型和 型等效电路，二端口网络的联接。

(3)二端口网络（包括有载二端口、有源二端口）端口电压、电流的计算。

（二）数字电子技术部分（40％）1 逻辑代数基础(1)逻辑代数中的基本概念：逻辑变量、逻辑运算和逻辑函数等；(2)逻辑代数的基本定律、形式定理和基本规则；(3)最小项与最大项的定义和性质；(4)逻辑函数的逻辑式、真值表、逻辑图和卡诺图表示法；(5)采用代数法和卡诺图法化简逻辑函数。

控制系统的时域响应分析
控制系统是指将环境及机器内部参数调节到所需状态的系统，它通过检测及控制参数的变化来实现控制的目的，稳定状态，使之不受外界参数的干扰。

控制系统的时域响应分析，是指控制系统对系统参数和环境影响做出的时间分布响应。

时域响应分析可以根据控制系统的结构特征和实现方式来进行，具体可以分为三类：一是闭环响应分析，在这种情况下，系统中的输出经过一定的误差修正后，又会作为输入反馈回系统，实现系统本身的稳定性。

二是开环响应分析，在这种情况下，系统的输出受到输入的影响，但没有反馈回系统，因此，系统不能自行稳定，而只能在输入变化的情况下，通过外部调节来实现。

第三是多参数响应分析，在这种情况下，控制系统不仅考虑输入和输出，还考虑参数的变化，对待调参数进行调节。

一般来说，控制系统的时域响应分析可以包括系统的调节时间、调节准确度、均衡时间等。

调节时间，指的是控制系统输出参数达到稳定态所需要的时间，它可以反映出控制系统的稳定性。

3-1 题图3-1所示的阻容网络中，i ()[1()1(30)](V)u t t t =--。

当t =4s 时，输出o ()u t 值为多少？当t 为30s 时，输出u o (t )又约为多少？解：661(s)1111(s)1110410141o i U sCU RCs s R sC -====+⨯⨯⨯+++(4)0.632(V)o u ≈，(30)1(V)o u ≈3-2 某系统传递函数为21()56s s s s +Φ=++，试求其单位脉冲响应函数。

解：2(s)112(s)5623o i X s X s s s s +-==+++++ 其单位脉冲响应函数为23(t)(e 2e )1()t t x t δ--=-+⋅3-3 某网络如图3-3所示，当t ≤0-时，开关与触点1接触；当t ≥0+时，开关与触点2接触。

试求输出响应表达式，并画出输出响应曲线。

1V题图3-1 题图3-3解：1(s)11(s)2121()o i R U RCs s sCU RCs s R R sC++===++++ 01(t)1(2)1()(V)i i i u u u t =+=+-⋅1111212(s)(s)121212o i s s U U s s s ss ++-===-+++ 则21(t)(e 2)1()(V)t o u t -=-⋅1201(t)1(e 2)1()(V)o o o u u u t -=+=+-⋅其输出响应曲线如图3-3所示图3-3 题图3-43-4 题图3-4所示系统中，若忽略小的时间常数，可认为1d 0.5()d yB s x-=∆。

其中，ΔB 为阀芯位移，单位为cm ，令a =b （ΔB 在堵死油路时为零）。

(1) 试画出系统函数方块图，并求(s)(s)Y X 。

(2) 当i ()[0.51()0.51(4)1(40)]cm x t t t s t s =⨯+⨯---时，试求t =0s,4s,8s,40s,400s 时的y (t )值，()B ∆∞为多少？ (3) 试画出x (t )和y (t )的波形。

《机电系统控制基础》大作业一基于MATLAB的机电控制系统响应分析哈尔滨工业大学2013年12月12日1作业题目1. 用MATLAB 绘制系统2()25()()425C s s R s s s Φ==++的单位阶跃响应曲线、单位斜坡响应曲线。

2. 用MATLAB 求系统2()25()()425C s s R s s s Φ==++的单位阶跃响应性能指标：上升时间、峰值时间、调节时间和超调量。

3. 数控直线运动工作平台位置控制示意图如下：X i伺服电机原理图如下：LR(1)假定电动机转子轴上的转动惯量为J 1，减速器输出轴上的转动惯量为J 2，减速器减速比为i ，滚珠丝杠的螺距为P ，试计算折算到电机主轴上的总的转动惯量J ；(2)假定工作台质量m ，给定环节的传递函数为K a ，放大环节的传递函数为K b ，包括检测装置在内的反馈环节传递函数为K c ，电动机的反电势常数为K d ，电动机的电磁力矩常数为K m ，试建立该数控直线工作平台的数学模型，画出其控制系统框图；(3)忽略电感L 时，令参数K a =K c =K d =R=J=1，K m =10，P/i =4π，利用MATLAB 分析kb 的取值对于系统的性能的影响。

源代码：t=[0:0.01:5];u=t;C=[25],R=[1,4,25];G=tf(C,R);[y1,T]=step(G,t);y2=lsim(G,u,t);subplot(121),plot(T,y1);xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)'); grid on;subplot(122),plot(t,y2);grid on;xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)');仿真结果及分析：源代码：t=[0:0.001:1];yss=1;dta=0.02;C=[25],R=[1,4,25];G=tf(C,R);y=step(G,t);r=1;while y(r)<yss;r=r+1;endtr=(r-1)*0.001;[ymax,tp]=max(y);tp1=(tp-1)*0.001;mp=(ymax-yss)/yss;s=1001;while y(s)>1-dta && y(s)<1+dta;s=s-1;endts=(s-1)*0.001;[tr tp1 mp ts]仿真结果及分析：C = 25ans = 0.4330 0.6860 0.2538 1.0000由输出结果知：上升时间为0.4330秒，峰值时间为0.6860秒，最大超调量为0.2538，调整时间1.0000秒。

控制系统的时域与频域分析及应用研究控制系统的时域与频域分析是控制工程中的两个重要方面，它们为我们研究和设计控制系统提供了强大的工具。

本文将探讨控制系统的时域与频域分析的基本概念、方法和应用，并讨论它们在实际工程中的重要性。

控制系统的时域分析是对系统在时间域内的行为进行分析和研究。

时域分析的主要目标是研究系统的稳定性、响应速度和稳态误差等特性。

在时域分析中，我们通常关注系统的脉冲响应、阶跃响应和频率响应等。

通过对这些响应的分析，我们可以了解系统对输入信号的处理方式和输出响应的特点。

时域分析的基本方法包括传递函数法、状态空间法和信号流图法等。

其中，传递函数法是最常用的方法之一。

它通过求解系统的传递函数，将输入信号和输出响应之间的关系用数学表达式表示出来。

传递函数法可以帮助我们分析系统的稳定性、零极点分布和频率响应等重要特性。

另外，状态空间法可以帮助我们直观地理解系统的动态特性，以及对多输入多输出系统进行分析和设计。

信号流图法则可以帮助我们将系统的结构图形象地表示出来，从而更好地理解和分析系统的性能。

除了时域分析，控制系统的频域分析也是十分重要的。

频域分析是通过将系统的输入和输出信号转换为频率域内的频谱图来研究系统的动态特性。

频域分析的主要目标是研究系统的频率响应、幅频特性和相频特性等。

在频域分析中，我们可以使用频率响应法、傅里叶变换法和拉普拉斯变换法等方法来分析系统。

其中，频率响应法是最常用的分析方法之一。

它通过将系统的输入和输出信号的频谱进行比较，得出系统的幅度响应和相位响应。

频率响应法可以帮助我们分析系统的频率特性，如共振频率、带宽和滤波特性等，从而指导系统的设计和优化。

控制系统的时域与频域分析在实际工程中具有广泛的应用。

首先，时域分析可以通过对系统的阶跃响应进行研究，帮助我们评估系统的稳态误差和响应速度，从而指导系统的控制策略和参数调节。

其次，频域分析可以通过对系统的幅度响应和相位响应进行研究，帮助我们评估系统的稳定性和抑制高频噪声的能力。

机电工程学院2011年硕士研究生入学考试复试大纲适用学科：机械制造及其自动化、机械电子工程、机械设计及理论、航空宇航制造工程一、复试要求：统考生、推免生均须参加复试。

要求考生系统深入地掌握所学过的每一门基础课和技术基础课的基本知识，基本理论和基本设计计算方法，并能灵活运用，具有运用这些知识分析问题和解决问题的能力。

二、复试分数与录取复试由笔试和面试两部分组成，共280分，其中笔试200分，面试80分，笔试和复试都单独设定合格线，低于合格线的考生将失去被录取的资格。

合格线以上的考生最后按初试4门科目成绩+复试成绩的排序进行录取，推免生的初试成绩按本学科统考生初试成绩的最高分计算。

三、复试笔试内容大学物理、理论力学、材料力学、电工技术、电子技术、金属工艺学、计算机原理、自动控制原理、测试技术与仪器、机械制造技术基础11门课程为一张试卷，考生根据自己情况任选其中六门答题，每门33.3分，合计200分。

多答科目者，只取高分数的六门成绩之和。

1）大学物理部分a．机械运动的描述：物质和运动、时间和空间、质点和刚体、参考系和坐标系等基本概念，质点和刚体运动的描述，相对运动。

b．动量和动量守恒：惯性和质量，动量和动量守恒定律，动量的时间变化率，动量定理，非惯性系和惯性系，动量守恒。

c．角动量和角动量守恒：角动量和角动量守恒定律，质点系角动量，转动惯量，角动量的时间变化率，转动定律，角动量定理，质点系角动量守恒定律。

d．能量和能量守恒：动能，功，动能定理，势能，机械能守恒定律，能量守恒。

e．机械振动：简谐振动，阻尼振动，受迫振动，共振，振动的合成，振动的分解，傅立叶变换，两自由度振动。

f．机械波：平面简谐行波，波的干涉，驻波，波包，群速，多普勒效应。

g．相对论：狭义相对论的基本假设，狭义相对论运动学，狭义相对论动力学。

h．静电场：电荷，库仑定律，静电场的场强，高斯定理，静电场的环路定理和电势，静电场中的导体，电容，静电场中的电介质，静电场的能量。

控制系统的时域分析实验报告实验目的：1.了解控制系统的时域分析方法；2.学习使用MATLAB进行时域分析；3.通过实验验证时域分析的准确性。

实验原理：时域分析是控制系统研究中的一种方法，通过研究系统在时间上的响应来研究系统的动态特性和稳定性。

在时域分析中，常用的方法包括脉冲响应、阶跃响应和正弦响应等。

通过对这些响应进行观察和分析，可以得到系统的各种性能指标，如超调量、响应时间、稳态误差等。

实验步骤：1.使用MATLAB编写程序，生成一个二阶控制系统的传递函数。

2.通过给控制系统输入一定的信号，观察系统的脉冲响应，并记录脉冲响应图像。

3.给控制系统输入一个阶跃信号，观察系统的阶跃响应，并记录阶跃响应图像。

4.给控制系统输入一个正弦信号，观察系统的正弦响应，并记录正弦响应图像。

5.根据实验数据，使用MATLAB分析系统的性能指标，如超调量、响应时间和稳态误差等。

实验结果：通过实验测得的数据和MATLAB分析，得到了控制系统的各种性能指标。

例如，测得的脉冲响应图像显示了系统的初值响应特性；阶跃响应图像显示了系统的过渡过程；正弦响应图像显示了系统的频率响应特性。

通过分析这些响应图像，可以得到系统的超调量、响应时间和稳态误差等指标。

实验结论：1.通过实验和分析，了解了控制系统的时域分析方法；2.掌握了使用MATLAB进行时域分析的技巧；3.实验证明了时域分析在控制系统研究中的重要性和准确性。

实验心得：通过进行控制系统的时域分析实验，我深刻认识到了时域分析在控制系统研究中的重要性。

通过观察和分析系统的脉冲响应、阶跃响应和正弦响应，可以全面了解系统的动态特性和稳定性。

同时，学会了使用MATLAB进行控制系统的时域分析，这将在我未来的研究工作中发挥重要作用。

实验结果验证了时域分析的准确性，这对我提高对控制系统的理解和研究能力有着积极影响。

自动控制理论(哈尔滨工业大学)中国大学MOOC答案2022版第1章自动控制理论概述单元测验1、自动控制是指在没有人直接参与的情况下，通过（）使被控制对象或过程自动地在一定的精度范围内按照预定的规律运行。

答案: 控制器2、信息在控制系统中占有重要的作用，控制系统对信息利用主要体现在（）。

答案: 采集、处理、决策3、开环控制的特点不包括（）。

答案: 不会不稳定4、对控制系统性能的三个基本要求不包括（）。

答案: 抗干扰性5、时变系统是指系统中的物理参数（）的系统。

答案: 随时间变化6、稳定性是系统正常工作的首要条件，稳定性的要求是（）。

答案: 在扰动作用下重新回复到平衡状态的能力7、控制系统按照给定输入是否为恒定可分为（）。

答案: 调节控制和伺服系统8、负反馈是利用输入和反馈量相减所得的（）去作用于被控对象，达到减小偏差或消除偏差的目的。

答案: 偏差量9、自动控制系统组成最基本的两部分是（）和（）。

答案: 控制对象;控制器10、关于反馈的概念说法正确的是（）。

答案: 将输出量引入输入端比较，结果重新作用于输入。

;因为反馈的存在系统形成了闭环结构。

;反馈控制可以提高系统的精度和抗扰性。

11、随动系统主要强调的是抗扰性，调节系统主要强调的是跟随性。

答案: 错误12、非线性系统是指其中所包括的全部元件都具有非线性特性。

答案: 错误13、控制系统稳、快、准三方面基本的性能中，每个可以独立调整，相互之间没有影响。

答案: 错误14、闭环系统的不稳定主要是因为系统存在扰动。

答案: 错误15、时变系统是指系统中的物理参数（）的系统。

答案: 随时间变化第2章线性系统的数学模型线性系统的数学模型单元测试1、理想化的物理系统是（）。

答案: 忽略了次要因素的，可以用物理定律进行描述的系统2、描述系统时域的输入输出特性的模型是答案: 微分方程3、描述系统数学模型的微分方程的系数由（）决定。

答案: 系统中各元件的物理参数4、同一个闭环系统中设定的输入输出变量不同，则（）。

自动控制理论_哈尔滨工业大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.对于惯性环节【图片】，下列说法错误的是（）。

参考答案:其微分方程为。

2.负反馈系统的开环极点为-1、-4（两重极点），开环零点为-2；若该系统具有一对实部为-3.75的共轭复极点，那么该系统的另外一个极点为（）。

参考答案:-1.53.某单位负反馈控制系统的开环传递函数为【图片】，若使该系统在单位斜坡信号作用下的稳态误差小于0.2 ，那么K的范围应为（）。

参考答案:44.传递函数为【图片】，在阶跃输入下，输出响应的形式为（）。

参考答案:单调上升5.系统的开环传递函数是指（）。

参考答案:所指定的闭环回路主反馈点断开后，反馈信号和偏差信号之比6.设单位反馈系统的开环传递函数为【图片】，当K由0增大时，闭环系统（）。

参考答案:由不稳定到稳定7.控制系统的稳态响应是指【图片】时（）。

参考答案:系统对某一输入信号的固定响应8.系统的开环传递函数为【图片】，当增大K时，闭环系统阶跃响应的超调量（），调整时间（）。

（调整时间近似取【图片】）参考答案:增加；不变9.已知单位反馈系统的开环传递函数为【图片】，其闭环系统稳定的条件是（）。

参考答案:K>1510.控制系统如图所示，若使系统在斜坡输入下的稳态误差为零，【图片】应取为（）。

（定义误差e(t)=r(t)-c(t)）【图片】参考答案:1/K11.已知单位反馈系统的开环传递函数为【图片】，当输入信号为【图片】时，闭环系统输出的稳态误差为（）。

参考答案:0.212.求取控制系统的时域响应的方法有（）。

参考答案:求取系统的输出，并求其拉氏反变换_求得其微分方程的通解和特解之和_求得暂态分量和稳态分量之和_求得零输入响应和零状态响应之和13.减小或消除系统稳态误差的方法主要有（）。

参考答案:增大系统的开环增益_引入适当的前馈环节_在前向通道中串联积分环节14.如果一个线性系统是稳定，那么（）。