工程控制网模拟计算分析与优化设计.
一、目的与要求
1.通过实践环节，培养运用本课程基本理论知识的能力，学会分析解决工程技术问题；加深对课程理论的理解和应用，提高工程测量现场服务的技能。
2.掌握工程测量地面控制网模拟设计计算的基本理论和方法，对附合导线进行设计、模拟计算、统计分析和假设检验，对结果进行分析，发现附合导线存在的问题，提出相应得对策，通过与边角网模拟计算结果的比较，加深对地面控制网的精度和可靠性这两个重要质量指标的理解。
3.掌握基于观测值可靠性理论的控制网优化设计方法，能根据工程要求独立布设地面控制网并进行网的模拟优化设计计算。
4.掌握COSA系列软件的CODAPS（测量控制网数据处理通用软件包）的安装、使用及具体应用。
二、内容与步骤
2.1附合导线模拟计算
2.1.1模拟网的基本信息
网类型和点数：附合导线、全边角网，9个控制点。
网的基准：附合导线为4个已知点、全边角网取1个已知点和1个已知方向。
已知点坐标：自定
待定点近似坐标：自定
边长：全边角网1000 ～ 1500m 左右，附合导线 400～ 500m
2.2计算步骤
1.人工生成模拟观测方案设计文件“导线数据.FA2”在主菜单“新建”下输入等边直伸导线的模拟观测数据，格式按照 COSA2 的规定输入，另存为“导线数据.FA2”。文件如下：
1.8,3,2
D1,0,1261.778,671.640
D2,0,997.212,1086.813
D3,1,1242.007,1542.800
D4,1,1027.823,2001.479
D5,1,1258.483,2496.456
D6,1,1071.641,2921.460
D7,1,1226.964,3367.157
D8,0,1031.118,3795.525
D9,0,1114.036,4306.353
D2
L:D1,D3
S:D3
…………
2.主菜单“设计”栏的下拉菜单，有三项子菜单项，单击“生成正态标准随机数”，将弹出一对话框，要求输入生成随机数的相关参数。第一个参数用于控制生成不相同的随机数序列，其取值可取1-10的任意整数；第二个参数即“随机数个数”只能选200，400或500，即最多可生成500个服从（0,1）分布的正态随机数。系统对所生成的随机数按组进行检验，检验通过就存放在RANDOM.DAT文件中。该文件中的随机数用于网的模拟计算时生成在给定精度下的模拟观测值。
3.生成平面网初始观测值文件“导线数据.IN2”单击“生成初始观测值文件”，选择“平面网”，在弹出的对话框中选择文件“导线数据.FA2”，则自动生成初始观测值文件“导线数据.IN2”。如下：
1.800,3.000,
2.000,1
D1, 1261.778000, 671.640000
D2, 997.212000, 1086.813000
D8, 1031.118000, 3795.525000
D9, 1114.036000, 4306.353000
D2
D1,L,0.0000
D3,L, 119.155092
D3,S, 517.543047
D3
D2,L,0.0000
D4,L, 233.153520
D2,S, 517.537413
D4,S, 506.224731
…………
4. 生成平面网平差结果文件“导线数据.ou2”单击“平差”主菜单下的“平
面网”，则自动对观测值进行平差，生成平差结果文件“导线数据.OU2”，其中部分
显示结果如下：
最弱边及其精度
------------------------------------------------------------------------
FROM TO A(dms) MA(sec) S(m) MS(cm) S/MS E(cm) F(cm) T(dms)
D5 D6 113.435273 1.67 464.25861 0.209 222000 0.376 0.209 22.5820
------------------------------------------------------------------------
单位权中误差和改正数带权平方和
------------------------------------------------------------------------ 先验单位权中误差:1.80
后验单位权中误差:1.77
多余观测值总数:3
平均多余观测值数:0.15
PVV1 = 9.43 PVV2 = 9.43
------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------
导线数据控制网总体信息
已知点数: 4 未知点数:
5
方向角数: 0 固定边数:
方向观测值数: 14 边长观测值数:
6
方向观测先验精度:1.80 边长观测先验
精度(A,B):3.00,2.00
------------------------------------------------------------------------
5.附合导线网图"导线数据.map" 单击“网图”菜单选择网图文件“导线数
据.map”
图 1 附合导线网图
2.2统计计算 2.2.1计算步骤
对同一个观测方案文件，用不同的（0，1）分布正态随机数模拟生成观测值文件，取方向中误差为先验单位权中误差，进行附合导线平差，可得不同的平差结果。具体地分为 2 组，每组模拟计算 30 次（一共 60 次），相当于对同一条附合导线，用相同的仪器、精度和方法观测了 60 次，得到60 个平差结果。其结果列于表 1。我们通过计算发现：附合导线后验单位权中误差（先验值为 1.80″）的变化幅度很大（0.11″~2.36″）且绝大部分小于先验值。为此，有必要研究附合导线后验单位权中误差之中误差这一问题。
在间接观测平差中，后验单位权中误差按下式计算：
[]
u
n pvv m -=
0 （1）
式中，p 为观测值的权，v 为观测值改正数，n 为观测值个数，u 为独立未知数个数。
我们将按（1）式计算的 60 个0m 作为先验单位权中误差的子样，为了进行比较，以相同的精度对一个全边角也进行了模拟计算（具体步骤见后文）（30 组）按2小组和全边角网组进行统计分析。按下式计算每组的均值和中误差（结果见表１）：
∑==n
i i
m n m 1
01 （2）
()
1
1
2
0--=
∑=n m m m n
i i
m （3）
表1后验单位权中误差、均值和中误差之中误差（ 单位：″）
组
后验单位权中误差 0m （先验值 0σ =1.8″）
m （〞）
0m m
（〞）
1(30）
1.77 0.49 0.75 1.04
2.06 0.66 2.36 1.67 2.15 0.62 1.75 0.60 1.45 1.88 1.03 1.13 1.73 1.50 0.99 1.95 1.52 1.26 1.21 0.29 0.11 1.54 1.48 0.28 0.49 0.93
1.223
0.600
2(30)
1.91 1.08 1.41 0.59 1.36 1.88 1.50 1.34 1.45 1.51
2.31 1.45 2.18 0.71 0.44 0.55 0.76 1.02 1.44 0.86 0.25 0.88 2.25 2.08 0.84 1.39 0.84 1.26 0.94 1.69
1.272
0.545
全边角网组（30）
1.76 1.69 1.87 1.73 1.90 1.69
2.08 2.06 1.86 1.79 1.97 1.92 1.61 1.87 1.83 1.68 1.86 1.72 2.05 1.66 1.61 1.83 1.54 1.82 1.69 1.71 2.04 1.88 1.62 1.69
1.801
0.144
2.2.2结果分析
从表1可以看出附合导线的后验单位权中误差变化较大，它们两组的后验单位权
中误差的最或是值1.223〞和1.272〞与先验值相差较大，其后验单位权中误差的中误差为0.600和0.545。而边角网的后验单位权中误差的或是值是1.864〞，与先验值相差很小，并且其后验单位权中误差的中误差仅仅只有0.120。
2.3假设检验
首先作t 检验，检验附合导线和全边角网后验单位权中误差的最或然值是否与先验值0σ有显著性差别。再作f 检验，取他人在同样先验精度和网型下计算的一组数据，检验两个后验单位权中误差之中误差之间是否有显著性差别。对检验结果作评价。检验时显著水平取0.05，要列出公式和写出计算过程。
2.3.1后验单位权中误差显著性检验(t 检验)
零假设： 000:σ=m H （4） 备选假设： 001:σ≠m H （5） 采用： )(~/00
0f t n
m m t m σ-= （6）
当2
,
α
f t
t ≤时，接受0H ；当2
,
α
f t
t >时，接受1H ，即后验单位权中误差与先验值
1.80″有显著性差别。其中f 为t 分布的自由度，在这里等于29，α为显著水平，取0.05，2
,
αf t
为分位值，检验结果如表２所示。由表得知：附合导线中后验单位权中误
差最或然值与先验值0σ有显著性差别，且都小于先验值。说明后验单位权中误差不是0σ的无偏估计量。而全边角网中后验单位权中误差最或然值与先验值0σ没有显著性差别，说明其后验单位权中误差是0σ的无偏估计量。
表2 后验单位权中误差的显著性检验
2.3.2 组间后验单位权中误差的中误差的显著性检验（F 检验）
对表1中的第1，2组数据的中误差之中误差进行F 检验，
零假设： 2
42
10:σσ=H （7） 备选假设： 24211:σσ≠H （8）
做统计量： ()α,1,122
1410
4
~--=
n n m m F m
m F （9）
其中，()α,1,114--n n F 为分位值，14-n 和11-n 为自由度，在这里均等于29，α为显著水平，取0.05。当()α,1,114-- ()α,1,114--n n F ，接受0H ，说明这两组的中误差之中误差无显著差别，由此推得，表1，2两组的中误差之中误差都无显著差别，说明采用统计法计算的中误差之中误差是可靠的。 2.4 粗差影响分析 在附合导线的一个方向观测值中加入 10″粗差，后验单位权中误差增大到4.01″（未加入粗差时为1.77″）。有时加入一个粗差后，后验单位权中误差并不显著增大，但导线点的坐标变化仍会变大。且导线观测值的粗差很难通过粗差探测方法发现，粗差也可能被探测出来，但不能准确定位。同样对全边角网在一个方向观测值中加入10″粗差，平差后后验单位权中误差变化不大, 点击“平差”菜单下的“粗差探测”选项，看是否能 组号 ) (0''σ )(0''m )(0''m m t 检验结果 1 1.8 1.223 0.600 5.267 2.045 拒绝 H 0 2 1.8 1.272 0.545 5.306 2.045 拒绝 H 0 全边角网组 1.8 1.801 0.144 0.038 2.045 接受 H 0 发现所模拟的粗差： 粗差探测结果 ------------------------------------------------------------------------ FROM TO TYPE VALUE(m) M(sec/cm) V(sec/cm) G.Error(sec/cm) Y1 D7 L 288.204849 1.80 -8.09 -14.7647 对加入粗差前后的观测值文件进行平差，并用“工具”下的“叠置分析”作结果比较分析： 点号△X(m) △Y(m) δx(m) δy(m) δp(m) D3 0.000 -0.000 0.004 0.008 0.009 D4 -0.001 -0.000 0.009 0.006 0.011 D5 -0.001 -0.001 0.009 0.006 0.011 D6 0.000 -0.002 0.005 0.008 0.009 D7 0.002 -0.003 0.007 0.008 0.011 Y1 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 Y2 -0.000 -0.001 0.001 0.004 0.005 D1 0.002 -0.001 0.011 0.005 0.012 D2 0.001 -0.000 0.007 0.007 0.010 以上结果说明，对于附合导线来说，观测值的粗差很难通过粗差探测方法发现。只有在假设已知坐标无粗差时，当一个方向（或一条边长）存在粗差时，才有可能被检测出来，而且观测值粗差对平差结果的影响较大，而对于全边角网却很容易探测出粗差，且粗差对平差结果影响不大。综合考虑原因，是由于附合导线多余观测数较小（3），图形强度不大，而全边角网的多余观测数（84）则大得多，网型较强，从而其抵抗以及探测粗差的能力强。 2.5全边角网模拟计算 2.5.1 计算步骤 1.生成边角网方案文件“边角网数据.FA2”; 1.8,3,2 Y1,0,872.683,1755.115 Y2,1,1024.244,2741.666 D1,1,1024.356,578.842 D2,1,1763.103,1280.811 ………… Y1,Y2,A,81.0000 Y1 L:D1,D2,D3,D4,Y2,D5,D6,D7 S:D1,D2,D3,D4,Y2,D5,D6,D7 Y2 L:D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,Y1 S:D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,Y1 ………… 2.平差结果文件“边角网数据.OU2”; 最弱边及其精度 ------------------------------------------------------------------------ FROM TO A(dms) MA(sec) S(m) MS(cm) S/MS E(cm) F(cm) T(dms) D1 D2 43.161777 0.61 1019.0672 0.202 503000 0.307 0.196 145.5605 ------------------------------------------------------------------------ 单位权中误差和改正数带权平方和 ------------------------------------------------------------------------ 先验单位权中误差:1.80 后验单位权中误差:1.76 多余观测值总数:84 平均多余观测值数:0.77 PVV1 = 259.12 PVV2 = 259.16 ------------------------------------------------------------------------ 边角网数据控制网总体信息 已知点数: 1 未知点数: 8 方向角数: 1 固定边数: 0 方向观测值数: 72 边长观测值数: 36 方向观测先验精度:1.80 边长观测先验精度(A,B):3.00,2.00 2.6 优化设计 2.6.1基本理论 观测值的内部可靠性与观测值的精度有密切关系，而观测值的精度又与建网费用有关，而且，变形监测网的灵敏度实际是网点在特定方向上的精度，它也取决于网的观测方案设计和观测值的精度。此外，变形与粗差的可区分性也必然涉及到观测值的精度。因此，观测值的内部可靠性与观测值的精度、建网费用、监测网的灵敏度和可区分性存在密切的关系。 该方法的特点是：初始方案是一个观测精度和观测值个数都有富余的全边角网，如果该方案还达不到设计要求的话，则说明或者是设计要求太高，或者是所拥有的仪器设备精度不够高。整个优化设计过程的关键是删除多余观测和调整观测精度。所谓调整观测精度是提高（或降低）方向观测精度或／和边长观测精度，即修改观测方案文件的第一行。按此法删除的多余观测具有确定性且不致于引起形亏，这也是该法的特点和优点。 2.6.2设计一个全边角网“肥”而“密”的初始方案 设计一个任意形状的全边角网，其做法同前。取1个已知点，一个已知方位角，它们可在任意位置，注意网的最弱点、最弱边精度以及网点精度与已知点（基准）位置的关系。人工生成“边角网数据.FA2”文件，自动生成“边角网数据.IN2”文件。 2.6.3进行模拟优化设计计算 单击“设计”——>“平面网优化设计”，将弹出对话框，选择需要进行优化设计的控制网对应的平面观测值文件（边角网数据.IN2），然后自动对该网进行平差，平差完毕后，将弹出平面网优化设计信息界面。 根据平均多余观测分量的初始值，给定一个较小一些的平均多余观测分量设计值，然后单击“确认”按钮，重新平差，将自动删去多余观测分量较大的观测值。平差后，将弹出新的平面网优化设计信息界面。在该界面下，平均多余观测分量的设计值与前面的给定值相等或十分接近，这时要单击“取消”按钮退出，同时将生成“边角网数据Y.IN2”的优化设计观测值文件和“边角网数据.SC2”的含已删除观测值的结果文件,可在“边角网数据.SC2”上查看所删除的多余观测分量较大的那些观测值。 2.6.4比较初始方案与优化方案的坐标差 在“平差”菜单下对“边角网数据Y.IN2”和“边角网数据.IN2”分别进行平差，在“工具”菜单下的“叠置分析”中对“边角网数据.OU2”和“边角网数据Y.OU2”作比较，可得到优化前后的坐标变化量（取平均多余观测分量为0.50）。 点号△X(m) △Y(m) δx(m) δy(m) δp(m) D3 -0.000 -0.003 0.005 0.009 0.010 D4 0.009 -0.002 0.010 0.009 0.014 D5 0.004 0.005 0.010 0.009 0.014 D6 0.007 0.006 0.006 0.009 0.011 D7 -0.006 -0.000 0.008 0.010 0.012 Y1 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 Y2 0.001 0.006 0.001 0.009 0.009 D1 -0.006 -0.004 0.012 0.006 0.014 D2 -0.001 0.002 0.008 0.009 0.012 2.6.5优化效益分析 1.优化前后网形对比 图 2.优化前网图图3.优化后网图 2.删除文件 1 Y1 --> D4 LRi=-0.86 2 Y1 --> D5 LRi=-0.86 3 Y2 --> D1 LRi=-0.86 4 Y2 --> D2 LRi=-0.86 5 Y2 --> D7 LRi=-0.86 6 D1 --> D3 LRi=-0.8 7 7 D1 --> D4 LRi=-0.87 8 D1 --> Y2 LRi=-0.87 9 D1 --> D5 LRi=-0.87 ………… 3.结果分析 分析以上被删除的观测值，发现被删除的都是那些多余观测分量（0.80 以上）较大的方向观测值和边长观测值，将他们结合网图进行分析，发现这些观测值都与边长和网型有关，即它们对应的边长都比较长，这说明它们精度不高，在网中地位较低。为了进一步比较分析，我取不同的平均多余分量，对不同的平差结果文件进行优化设计。结果列入下表： 表 3 网优化前后参量对比 m 0 （优化后） R i m 0 （优化前） 0.65 0.60 0.55 1.76 1.85 1.71 1.85 2.18 2.31 1.91 1.65 1.93 1.82 1.71 1.68 删除观测 值个数 方向观测值 27 32 37 边长观测值 13 16 18 （注：0m （优化后）指优化后的后验单位权中误差，单位秒；0m （优化前）指优化前的后验单位权中误差，单位秒；i R 指选择的平均多余观测分量。优化前的平均多余观测分量均为0.78。 ） 对表格中数据的相应文件进行比较，发现对于同一控制网，当取不同的随机数（模拟不同的观测值）时，后验单位权中误差不一样，优化设计后 Sc2 文件中删除的观测值一样；当取不同方向观测精度时，Sc2 文件中删除的观测值一样；当取不同的平均多余观测分量 Ri 时，结果不一样，Ri 越小，则 Sc2 文件中删除的观测值越多。即删除文件（.sc2）与选择的平均多余观测分量有关，删除的观测值的数量也与平均多余分量有关。 我们知道，对于控制网，观测值的多余观测分量是其内部可靠性的量度，那些多余观测分量较大的可靠性较小，相应地，它们也会影响到与其邻近的、结构上紧密相关的那些观测值，造成网的各观测值没有均匀的可靠性。但是在控制网的设计中，我们必须要求在网形结构和精度配置上使各观测值有比较均匀的可靠性。为了兼顾精度和可靠性及费用问题，删除一些多余观测分量较大的、在网中地位较低的观测值是有必要的。 2.6.6 优化方法评述 根据以上过程，可以说优化设计的原理是先设计一个“肥”网（或“密”网），然后在 满足设计精度的前提下，剔除一些多余的观测值，该方法在本质上属于模拟法，但加进可靠 性指标后，具有量化的优化设计准则，不以人的知识和经验为转移，优化结果既具有一致性，也不失严密性。但该方法也有其缺点，通过上面的例子可以看出，将多余观测分量从 0.78 变到 0.60，减少了近一半的观测值，减少了费用。但是要注意的一个问题就是随着多余观测分量的减小，网的可靠性也在降低，因此，虽然在有些情况下，多余观测分量很小，而后验精度也符和要求，但是这样的网还是不取的。因为这时网的可靠性降低，会影响粗差探测 的能力，有时反而会得不偿失，需要依据工程的具体要求来合理的设计。 三、问题分析 1.附合导线的后验单位权中误差与先验值相差较大。 由表1中的两组附合导线的后验单位权中误差可以看出，它们的变化范围从0.11到2.36不等，与先验值相差较大，并且变化范围也较大。在间接观测平差中，后验单位权中误差按式[]u n pvv m -= 计算, 式中，p 为观测值的权，v 为观测值改正 数，n 为观测值个数，u 为独立未知数个数，附合导线不管中间有多少个导线点，其多余观测数都等于3（即3=-u n 不变），当未知导线点的个数大于2时，附合导线的可靠性较差，且随未知点的增加而更差；且附合导线中的粗差不易被发现，粗差对平差结果的影响也较大。附合导线的后验单位权中误差与先验值相差较大原因可能是：观测值中可能存在粗差；已知点可能有问题。因此，在测设附合导线时其未 知导线点数一般不宜超过6个，若超过6个，应在中间的导线点上尽可能地加测与已知点的方向观测值，将附合导线变成含结点的导线网，提高可靠性。 2.观测值多余分量的作用。 从表3中可以看出，平均多余观测分量是进行控制网优化的一个很重要的指标。观测值的多余观测分量是其内部可靠性的量度，观测值的内部可靠性与观测值的精 度成反比。对于一个确定的网和设计方案，即在网形和网的观测值总数n （或多余观测数r ）确定的情况下，观测值之间的精度相差愈大，则内部可靠性i r 的值相差也愈大。观测值的精度愈高，则相应的i r 愈小，观测值的精度愈低，其i r 愈大。即观测值的内部可靠性与观测值的精度成反比。对于确定的网和观测精度（方向与边长观测精度主要由仪器和测回数决定）情况下，多余观测数r 愈大，则观测值的i r 也愈大，反之，若i r 大，则r 也必定大。所以在实际的工程测量中，要合理安排多余观测数和观测精度的关系。当多余观测数越多时，建网的费用也就越高，当然也不能不顾观测精度盲目减少多余观测量。 四、结束语 本次工程测量课程设计的主要内容有：附合导线和全边角网的模拟计算分析以及基于观测可靠性的工程控制网优化设计。课程设计采用的是COSA 系列COSAPS 测量控制网数据处理通用软件包对附和导线数据和边角网数据进行模拟分析等一系列工作，而附合导线和边角网的点位坐标数据是通过CAD 编辑得出。课程设计的内容充实并且具有一定的复杂性，对掌握工程测量平面控制网的数据处理与优化设计有较大的帮助。 通过本次课程设计，我初步接触和了解了COSA 系列软件，它处理控制测量数据的功能强大，并且使用方便。设计过程中，首先要对附合导线和边角网进行模拟计算分析，并对其进行假设检验和粗差分析；另外要进行全边角网的优化设计，并根据优化结果评述优化的作用。整个过程涉及到了控制测量、误差处理等多方面的问题，巩固了工程测量知识，提高了我们的实践能力。 一、填空题 1．控制系统正常工作的首要条件是__稳定性_。 2．脉冲响应函数是t e t g 532)(--=，系统的传递函数为___2s ?3S+5____ 。 3．响应曲线达到过调量的____最大值____所需的时间，称为峰值时间t p 。 4．对于一阶系统的阶跃响应，其主要动态性能指标是___T _____，T 越大，快速性越___差____。 5．惯性环节的奈氏图是一个什么形状______半圆弧 。 二、选择题 1．热处理加热炉的炉温控制系统属于：A A.恒值控制系统 B.程序控制系统 C.随动控制系统 D.以上都不是 2．适合应用传递函数描述的系统是（ C ）。 A 、单输入，单输出的定常系统； B 、单输入，单输出的线性时变系统； C 、单输入，单输出的线性定常系统； D 、非线性系统。 3．脉冲响应函数是t e t g 532)(--=，系统的传递函数为： A A.)5(32+-s s B.) 5(32-+s s C.)5(32+- s D. )5(32++s s 4．实轴上两个开环极点之间如果存在根轨迹，那么必然存在( C ) A ．闭环零点 B ．开环零点 C ．分离点 D ．虚根 5. 在高阶系统中，动态响应起主导作用的闭环极点为主导极点，与其它非主导极点相比，主导极点与虚轴的距离比起非主导极点距离虚轴的距离（实部长度） 要（ A ） A 、小 B 、大 C 、相等 D 、不确定 6．一阶系统的动态性能指标主要是（ C ） A. 调节时间 B. 超调量 C. 上升时间 D. 峰值时间 7 . 控制系统的型别按系统开环传递函数中的（ B ）个数对系统进行分类。 自动控制理论实验报告 实验一 典型环节的时域响应 院系： 班级： 学号： 姓名： 实验一 典型环节的时域响应 一、 实验目的 1．掌握典型环节模拟电路的构成方法，传递函数及输出时域函数的表达式。 2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3．了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、 实验设备 PC 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。 三、 实验步骤 1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。 注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。不需再接。 2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。将信号形式开关设为“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。 3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t)， 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。记录实验波形及结果。 4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。 5、再将各环节实验数据改为如下： 比例环节：；，k R k R 20020010== 积分环节：；，u C k R 22000== 比例环节：；，，u C k R k R 220010010=== 惯性环节：。，u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。 四、 实验原理、内容、记录曲线及分析 下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。 1．比例环节 (1) 结构框图： 图1－1 比例环节的结构框图 (2) 传递函数： K S R S C =) () ( K R(S) C(S) GPS控制网的优化设计 GPS控制网的优化设计 摘要 优化设计是最优化理论和方法在设计中的应用，力求以最低的成本、最高的效率达到最优的目标。本文通过一系列的分析，对控制网的优化方法进行分析，说明可行性。 为了解决控制网优化设计问题，本论文分两大部分，GPS网的优化设计和GPS网的精度和可靠性，在 GPS网形设计中，首先根据工程的特点和GPS网设计规范的要求，大致确定网的规模，用图论和树的有关算法推导出GPS网形中点、边、异步环之间的关系，然后给出一种生成网形的算法，自动生成初步网形，并用模拟法在顾及精度和可靠性准则下对初步网形进行优化设计，确定最终网形，并按最小路径方法生成观测方案。 关键词： GPS控制网，优化设计，精度，可靠性 OPTIMIZING DESIGNING OF CONTROL NETWORK ABSTRACT The optimization design is a application of the most optimizative theory and method in the design. It is design of GPS control network’s methods by a series of analysis. This paper consists of two parts: Optimizing designing of GPS control network and the Precision and Reliability of GPS network. When designing a GPS control network ,its scale should be predicted as the project requested and the GPS surveying standard disciplined. According to the relationship among GPS points , edges and nonsynchronous loops, we can use an algorithm of Graphic Theory to produce a network when given the number of points and the maximum edges of each nonsynchronous loop, after being modified by using simulate optimizing method we can draw the ultimate network, then the observation plan can be gained by using the best way algorithm. KEYWORDS：gps control network, optimizing designing, precision, reliability 系统优化设计 一．填空（３０分） １.系统工程是用于系统设计、实现、技术管理、运行使用和退役的专业学科方法论。 ２.系统工程师在引导系统架构的开发、需求的定义和分配、设计方案的评价与权衡、系统间技术风险均衡、系统接口的定义与评估、验证和确认活动的全面监督，以及许多其他任务中起关键的作用。３.在NPR7123.1《NASA系统工程流程和需求》中包括三类技术流程：系统设计、产品实现及技术管理。 ４.对飞行和地面保障项目，NASA寿命周期的两个阶段又分为以下7个递进阶段： ●Ａ前阶段：概念探索（即确定确定可行备选方案）。 ●阶段Ａ：概念研究和技术开发（即项目定义，明确和组织必要的 技术）。 ●阶段B：初步设计和技术完善（即建立初步设计方案，开发必要 的技术）。 ●阶段Ｃ：详细设计和制造（即完成系统设计，进行组件的建造／ 编码）。 ●阶段Ｄ：系统组装、集成、试验和投产（即集成组件，验证系统， 系统投入生产并准备运行使用）。 ●阶段E：运行使用与维护（即运行与维修系统）。 ●阶段Ｆ：退役处置（即处置系统，分析数据）。 ５.产品交付流程：产品实施、产品集成、产品验证、产品确认、产品交付。 ６.产品验证流程分为５个主要步骤：（１）验证计划（准备实施验证的计划）； （２）验证准备（准备进行验证）；（３）执行验证（进行产品验证）；（４）分析验证结果；（５）获得验证工作产品。 ７.技术管理：技术规划、需求管理、接口管理、技术风险管理、技术状态管理、技术数据管理、技术评估、决策分析。 二．（３０分） Ａ．直升机的主动防御系统 Ｂ．坦克的主动防御系统 三．简答题（２０分） Ａ．系统设计的关键 Ｂ．系统设计各流程间相互关系 Ｃ．产品实现流程图 Ｄ．产品实现的关键 四．（１０分） 运用系统工程的方法简述对系统总师的认识 《控制工程基础》期末复习题 一、选择题 1、采用负反馈形式连接后，则 ( ) A 、一定能使闭环系统稳定； B 、系统动态性能一定会提高； C 、一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除； D 、需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能。 2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果 ( )。 A 、增加开环极点； B 、在积分环节外加单位负反馈； C 、增加开环零点； D 、引入串联超前校正装置。 3、系统特征方程为 0632)(23=+++=s s s s D ，则系统 ( ) A 、稳定； B 、单位阶跃响应曲线为单调指数上升； C 、临界稳定； D 、右半平面闭环极点数2=Z 。 4、系统在2)(t t r =作用下的稳态误差∞=ss e ，说明 ( ) A 、 型别2 8、若某最小相位系统的相角裕度0γ>，则下列说法正确的是 ( )。 A 、不稳定； B 、只有当幅值裕度1g k >时才稳定； C 、稳定； D 、不能判用相角裕度判断系统的稳定性。 9、若某串联校正装置的传递函数为1011001 s s ++，则该校正装置属于( )。 A 、超前校正 B 、滞后校正 C 、滞后-超前校正 D 、不能判断 10、下列串联校正装置的传递函数中，能在1c ω=处提供最大相位超前角的是： A 、 1011s s ++ B 、1010.11s s ++ C 、210.51s s ++ D 、0.11101 s s ++ 11、关于传递函数，错误的说法是 ( ) A 传递函数只适用于线性定常系统； B 传递函数不仅取决于系统的结构参数，给定输入和扰动对传递函数也有影响； C 传递函数一般是为复变量s 的真分式； D 闭环传递函数的极点决定了系统的稳定性。 12、下列哪种措施对改善系统的精度没有效果 ( )。 A 、增加积分环节 B 、提高系统的开环增益K C 、增加微分环节 D 、引入扰动补偿 13、高阶系统的主导闭环极点越靠近虚轴，则系统的 ( ) 。 A 、准确度越高 B 、准确度越低 C 、响应速度越快 D 、响应速度越慢 14、已知系统的开环传递函数为50(21)(5) s s ++，则该系统的开环增益为 ( )。 A 、 50 B 、25 C 、10 D 、5 15、若某系统的根轨迹有两个起点位于原点，则说明该系统( ) 。 A 、含两个理想微分环节 B 、含两个积分环节 C 、位置误差系数为0 D 、速度误差系数为0 16、开环频域性能指标中的相角裕度γ对应时域性能指标( ) 。 A 、超调%σ B 、稳态误差ss e C 、调整时间s t D 、峰值时间p t 17、已知某些系统的开环传递函数如下，属于最小相位系统的是( ) A 、 (2)(1)K s s s -+ B 、(1)(5K s s s +-+） C 、2(1)K s s s +－ D 、(1)(2) K s s s -- 18、若系统增加合适的开环零点，则下列说法不正确的是 ( )。 实验1模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验 一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器, 以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a. 电容值1uF，阶跃响应波形： b. 电容值2.2uF，阶跃响应波形: c. 电容值4.4uF，阶跃响应波形: 2?—阶系统阶跃响应数据表 U r= -2.87V R°=505k? R i=500k? R2=496k 其中 T = R2C U c C：)=「(R/R2)U r 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差； ②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大3?二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形: b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形: 4.二阶系统阶跃响应数据表 E R w ( ?) 峰值时间 U o (t p ) 调整时间 稳态终值 超调（%） 震荡次数 C. d. 阻尼比为0.7，阶跃响应波形: 阻尼比为1.0，阶跃响应波形: CHI 反相 带宽限制 伏/格 四、回答问题 1.为什么要在二阶模拟系统中 设置开关K1和K2 ,而且必须 同时动作？ 答：K1的作用是用来产生阶跃信号，撤除输入信后，K2则是构成了C2的 放电回路。当K1 一旦闭合（有阶跃信号输入），为使C2不被短路所以K2必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。而K1断开后，此时要让 C2尽快放电防止烧坏电路，所以K2要立即闭合。 2.为什么要在二阶模拟系统中设置 F3运算放大器？ 答：反相电压跟随器。保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。 实验2模拟控制系统的校正实验 一、实验目的 了解校正在控制系统中的作用 海南省红岭灌区工程东干渠土建施工第Ⅰ标段 施工控制网布设 批准： 审核： 编制： 中国水利水电第十一工程局有限公司红岭灌区工程东干I标施工项目部 2016年2月28日 一、工程概况 东灌区系统的控灌面积为131.84万亩，其中新增灌溉面积78.96万亩，保灌面积 40.57 万亩，改善灌溉面积 12.31 万亩。渠首由总干渠分水闸分水，设计流量为 40.0m3/s，加大流量 46 m3/s，灌溉定安、琼海、文昌和海口等 4 个市县的24 个镇与 8 个农场区域内的耕地。渠首设计水位为 125.537m，加大水位为125.778m，渠道底高程为 122.025m。 东干渠设 3 条分干渠、20 条支渠、2 条水库补水渠、1 个水库补水口及 15条干斗等 42 个分（补）水口，分别设置相应的分水闸控制流量，干渠全长145.93km。 本工程第1标段为桩号 0+000~27+551 段是连接 1#渡槽首端至 16#渡槽渐变段首端的渠段，全长 27.551km，设计流量为 40m3/s，加大流量 46.0m3/s。本段渠系共布置有渡槽14座、倒虹吸1座、暗涵1座、隧洞1座、节制泄水闸3座、分水闸 2 座等渠系建筑物。 二、控制网布设原则 2.1平面控制网原则 2.1.1各级GPS网一般逐级布设，在保证精度、密度等技术要求时可跨级布设。 2.1.2各级GPS网的布设应根据其布设目的、精度要求、卫星状况、接收机类型和数量、测区已有的资料、测区地形和交通状况以及作业效率等因素综合考虑，按照优化设计原则进行。 2.1.3各级GPS网最简异步观测环或附合路线的边数应不大于表1的规定。 表1 2.1.4各级GPS网点位应均匀分布，相邻点间距离最大不宜超过该网平均点间距的2倍。 2.1.5各级GPS网按观测方法可采用基于A级点、区域卫星连续运行基准站网、临时连续运行基准站网等的点观测模式，或以多个同步观测环为基本组成的 实验内容 （一）直流电机双环调速系统实验，此时必须松开连轴节！不带动工作台！ 1． 测试电流环特性 ，由于外接霍尔传感器只有一套，有五套PWM 放大器有电流输出（接成跟随器方式，其电流采样输出为25芯D 型插座的17（模拟地），19脚，但模拟地是电流环的模拟地，不是实验箱运算放大器OP07的地！所以，只能用万用表量测。多数同学可用手堵转，给定微小的输入电压（小于±50mV ）加入到电流环输入端,再加大就必须松开手，观察电机转速能否控制？为什么？如果要测试电流环静态特性，必须用台钳夹住电机轴，保证电机堵转。所以此项实验由教师按图22进行，这里只给出以下数据： 图 22 电流环静态特性实验接线图 （1）霍尔传感器的校准 利用直流稳压电源和电流表校准霍尔传感器，该 传感器为LEM-25,当原边为1匝时，量程为25A ，而原边采用5匝时， 量程为5A ；现在按后者的接法实验，M R 约500Ω。 （2）然后利用它来测试PWM 功率放大器的静态传递系数。电流环的静态特性如表2所示。注意电机是堵转的！ 1V;得到通频带400Hz. 2.根据给定参数，利用MATLAB设计速度环的校正装置参数,画出校正前后的Bode图调，到实验室自己接线，教师检查无误后，可以通电调试；首先，正确接线保证系统处于负反馈，如果正反馈会产生什么现象？如何通过开环特性判断测速反馈是负反馈？对此有正确定答案后方能够开始实验。 （1）在1 β和β=0.4～0.5时分别调试校正装置的参数，使其单位阶跃输入的 = 响应曲线超调量最小，峰值时间最短，并记录阶跃响应曲线的特征值； 能够用A/D卡把数据采集到计算机中更好！ （2）断开电源，记录最佳的校正装置参数； （3）测试速度环静态特性，为加快测试速度，可直接测试输入电压和测速机电压的关系；在转速低的情况下用手动阻止电机的转动，是否会影响转速？ 为什么？分析速度环的机械特性（转速与负载力矩的关系曲线称为机械特 性），从而说明系统的刚度。 （4）有条件的小组可测试速度环频率特性（只测量幅频特性）。 （二）电压－位置伺服系统实验 开始，也必须脱开电机与工作台的连轴节！直到位置环调试好后，再把连轴节连接好！ 1．断开使能，手动电机转动，检查电子电位计工作的正确性！ 2．让位置环开环，利用调速系统，观察电子电位计在大范围工作的正确性，可利用示波器或万用表测试电位计的输出。 3．位置环要使用实验箱的头2个运算放大器，所以必须注意注意位置反馈的极性；为保证位置反馈是负反馈，必须通过位置系统开环来判断，这时位置调节器只利用比例放大器，如果发现目前的接线是正反馈后，怎么接线？ 4．将位置环的位置反馈正确接到反馈输入端，利用给定指令电位计，移动它，使电机位置按要求转动。正确后，即可把连轴节连接好，连接连轴节时用专用内六角扳手。这时应该断电！ 5．按设计的校正装置连接好，再上电。测试具有比例放大器和近似比例积分调节器时的阶跃响应曲线，并记录之； 6．测试输入电压－位置的传递特性曲线； 7．用手轮加小力矩估计系统的（电弹簧）刚度。 三、实验报告要求 （一）速度环实验 1．对速度环建模，画出速度环方块图，传递函数图 2．画出校正前后的Bode图，设计校正装置及其参数； 3．写出实验原始数据，整理出静态曲线和动态数据； 4．从理论和实际的结合上，分析速度环的特点，并写出实验的收获和改进意见； （二）位置环实验 1．对位置环建模，画出位置环方块图，传递函数图； 一．工程概况 本工程为永城煤电控股集团热电厂灰场防风抑尘工程，工程位于电厂院，本工程由灰场配电室、灰场防风抑尘网、储灰场及场运输道路喷洒降尘系统组成。 配电室长度4.8米，宽度3.9米，高度为4米，地面以下基础为钢筋混凝土条形基础，基础上部为砖混结构，屋面为钢筋混凝土现浇屋面。 防风抑尘网总长度661米，防尘网钢架及网总高度12米，基础为钢筋混凝土独立基础，立面安装挡风板，挡风板形式为三峰开孔镀锌钢板，峰高75mm，板宽810mm板材厚度为1mm，开孔率大于35%。独立基础上部设立两个基础柱用来安装挡风抑尘墙钢桁架，基础柱截面尺寸为450㎜×450㎜，基础混凝土强度为C30混凝土，基础垫层混凝土强度等级C15，基础底面标高为-2m。基础上部为门式钢结构，两边为直径114*4mm及152*5.5mm 厚钢管柱，钢柱中间距为2米，基础与柱连接为预埋板地锚螺栓连接。 储灰场及场运输道路喷洒降尘系统又分部喷洒降尘系统和道路喷洒降尘系统两部分，两部分不同时工作。本系统所用管道均为外热镀锌钢管，钢管分明装和地埋两种安装方式。 二．施工目标 为确保安全生产和工程施工质量，我们科学地组织土建、安装工程的交叉作业，精心施工，严格履行合同，确保实现如下目标：（一）成本目标：加强成本控制，注意节约，实现保本微利。 （二）质量目标：合格标准争达优良。 （三）工期目标：计划开工时间年月日，竣工时间年月日，工程历时天。 （四）安全施工目标：确保施工安全，做到无工伤、无事故，千人负伤率为0。 （五）文明施工目标：确保文明施工，达到综合考评优良标准。 三．施工管理及部署 （一）施工管理 本工程按项目法组织施工，实行项目经理终身责任制。由施工过城郊选煤厂挡风抑尘墙同样工程的庆功任经理目负责人，梁心想任项目技术负责人。我项目部将该工程列为重点项目，组织精兵强将，高效善战人员组成项目管理班子，投入精良的施工装备，采用先进的工艺技术，建立完善的各种保证体系，充分发挥项目部的主观能动性。 （二）施工部署 为做到科学管理，均衡施工，保证工程质量和施工进度，我们根据现场实际情况，针对不同情况进行施工部署。 （三）主要施工机械计划主要施工机械计划表 《控制工程基础》实验报告 姓名欧宇涵 914000720206 周竹青 914000720215 学院教育实验学院 指导老师蔡晨晓 南京理工大学自动化学院 2017年1月 实验1：典型环节的模拟研究 一、实验目的与要求： 1、学习构建典型环节的模拟电路； 2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响； 3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。 二、实验内容： 完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。 三、实验步骤与方法 （1）比例环节 图1-1 比例环节模拟电路图 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中1 2R R K =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。 步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。 2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。调节完成后恢复初始。 3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。 4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。 5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。 图1-2 比例环节阶跃响应 （2）积分环节 图1-3 积分环节模拟电路图 积分环节的传递函数为： S T V V I I O 1 -=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1μf 。 步骤：同比例环节，采集数据如下图。 图1-4 积分环节阶跃响应 （3）微分环节 图1-5 微分环节模拟电路图 200K R V I Vo C 2C R 1 V I Vo 200K 1 GPS卫星定位的基本原理 GPS卫星定位的基本原理，就是把卫星视为“飞行”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。 2 在进行载波相位定位时，在不同观测时段，载波可以分别划分为那几个阶段 3 坐标系之间的坐标转换过程 举例:WGS—84大地坐标系至80平面直角坐标系： 方法一：先将WGS—84大地坐标系转换成WGS—84空间直角坐标系，再将WGS —84大地坐标系，利用七参数（三个平移参数，三个旋转参数，一个尺度变换参数）转变成80空间直角坐标系，在将80空间直角坐标系转换成80大地坐标系，通过高斯投影，输入相应中央子午线经度L0，将其转换成80平面直角坐标系。 方法二; 通过高斯投影，输入相应中央子午线经度L0，先将WGS—84大地坐标系转换成WGS—84平面直角坐标系，再利用四参数（两个平移参数，一个旋转参数，一个缩放参数）将WGS—84平面直角坐标系转化成80平面直角坐标系。 4 GPS网络数据处理的基本过程 设置参数，选择椭球，导入数据，数据修正，基线解算，检核基线质量，无约束平差，无约束平差质量检核，约束平差（改变坐标基准，输入控制点），质量检核，导出数据 5 GPS控制网优化设计的分类处理方法 GPS控制网优化设可以参照传统控制网优化设计进行分类处理： 零类设计：即控制网的基准设计，是对一个已知图形结构和观测方案的自由GPS 网确定最优坐标系统的优化设计。对于区域GPS网来说，主要确定控制网的投影面和投影带，一般要考虑现有坐标系统的利用及其两种坐标系统的转换。 一类设计：即控制网图形设计，是在约定网的精度和观测方案的情况下，求得最佳点位的优化设计。研究表明，尽管GPS对网形设计要求不十分严格，但是网形仍然影响着最后成果的精度。GPS网图形设计主要考虑连接方式：即边连接，点连接，重复设站比率，重测基线比率等。 二类设计：即观测方案的最佳选择。选择观测方案主要反映在选星计划，行车路线，观测时间和数据处理方法等内容。 三类设计：用GPS改造现有控制网的最优设计。主要考虑在什么地方加测GPS基线向量，加则多少。在设计时主要计算各种方案的经费、精度和可靠性。 6 GPS网络数据处理精度控制指标 一基本精度指标：各级GPS网测量精度用相邻点弦长标准差 二基线解算质量控制指标：1 基线本身限制， 2 网限制：（1）同一时段观测值的数据剔除率应小于10％。 无线网络工程施工管理及技术方案 1.工程概况 本工程施工项目包括：线路安装、设备安装、设备调试。该工程首先要充分了解大楼系统结构，系统安装连接，保证不破坏原有装修，整体性能优良，安装工艺合理，使用操作灵活高效；本工程因使用环境要求严格，因而对其工程施工质量较高的要求，工程质量应以达到优良质量水平为目标，在计划编制、技术应用、施工机具、劳动力安排、质量监控等方面，需要通过科学管理，精心组织，周密安排，优化资源搭配，采取有效措施保证工程萁和质量，让业主得到最优的施工技术，最短的施工工程工期，最好的工程质量和最高的社会效益，短平快志完成任务。 工程实施计划 1.1.工程组织结构 无线网络的建设是一项系统工程，不仅仅是无线网络的顺利搭建，还包含和第三方的主机、操作系统、网络设备、各种应用软件等的联调，为了保障工程的进度和质量，保障“*********”无线网络项目的顺利完成，也为了使用户有效管理和维护软、硬件系统，我们建议双方成立一个项目实施小组，包括项目经理、技术经理、供应链经理、客户经理、实施工程师、研发协调经理、客户代表，共同完成这一无线网络工程。双方分别委派负责人负责本工程项目总体规划，统筹制订工作计划、协调工作步骤和节奏及有关在实施过程中和调试过程中重大事件的决策，对工程进行全面监控 和管理。 具体工作职责如下： ：**** 项目职务：项目经理 公司职务：技术总监 项目职责：项目的总体协调与负责，公司工程人员的调配。 ：*****项目职务：客户经理 公司职务：销售经理 项目职责：制定该网络工程项目商务实施方案，跟踪项目的执行情况，检查项目的执行质量，负责与用户的协调工作。 ：****项目职务：技术经理 公司职务：售前部经理 项目职责：该项目的总体技术负责，同时负责该项目环境收集、技术方案的设计与编写，实施目标咨询等。 ：*** *** ***** ***项目职务：实施工程师 项目职责：负责项目设备及软件安装、调试、割接、测试、验收、售后服务等管理及技术服务工作，负责技术文档资料的编制与整理。 1.2.项目工程进度列表 一. 填空题(每小题2.5分，共25分) 1． 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、 快速性 和 准确性 。 2． 按系统有无反馈，通常可将控制系统分为 开环系统 和 闭环系统 。 3． 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有 微分方程 、 传递函数 等。 4． 误差响应 反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统 控制精度的程度。 5． 一阶系统 1 1 Ts 的单位阶跃响应的表达是 。 6． 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和 频域性能指标 。 7． 频率响应是线性定常系统对 谐波 输入的稳态响应。 8． 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与 的类型有关。 9． 脉冲信号可以用来反映系统的 。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 。 二． 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分） 电压放大 功率放大 可逆电机 + -自偶调压器~220V U f +给定毫 伏信号 + -电炉热电偶加热器 U e U g 炉温控制系统 减速器 - 图1 炉温控制结构图 试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。 三、如图2为电路。求输入电压i u 与输出电压0u 之间的微分方程， 并求该电路的传递函数（10分） 图2 R u 0 u i L C u 0 u i C u 0 u i R (a) (b) (c) 四、求拉氏变换与反变换(10分) 1．求[0.5]t te -（5分） 2．求1 3 [] (1)(2) s s s - ++ （5分） 五、化简图3所示的框图，并求出闭环传递函数（10分） 页眉 实验1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的 根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。 二、实验内容 研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。 三、实验结果及理论分析 1.一阶系统阶跃响应 a.电容值1uF，阶跃响应波形： b.电容值2.2uF，阶跃响应波形： 页脚 页眉 ，阶跃响应波形：电容值c.4.4uF 阶系统阶跃响应数据表2.一稳态终值U（∞）（V）时间常数T(s) 电容值c（uF）理论值实际值实际值理论值0.50 2.87 1.0 0.51 2.90 1.07 2.90 2.2 2.87 1.02 2.06 2.90 2.87 4.4 2.24 元器件实测参数=505kU= -2.87V R? R=496k? =500kR?2o1r其中 T?RC2U(?)??(R/R)U rc21页脚 页眉 误差原因分析： ①电阻值及电容值测量有误差； ②干电池电压测量有误差； ③在示波器上读数时产生误差； ④元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大； ⑤电池内阻的影响输入电阻大小。 ⑥在C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。 3.二阶系统阶跃响应 a.阻尼比为0.1，阶跃响应波形： b.阻尼比为0.5，阶跃响应波形： 页脚 页眉 ，阶跃响应波形：0.7c.阻尼比为 ，阶跃响应波形：阻尼比为1.0d. 阶系统阶跃响应数据表4.二ξR（?）峰值时间U(t) 调整时间稳态终值超调（%）震荡次数pow M（）t）t（s V（）（s UV）N psps6 62.7 2.8 0.3 0.1 2.95 454k 4.8 1 0.5 0.5 3.3 52.9k 2.95 11.9 0.4 1 0.7 0.3 0.4 24.6k 3.0 2.7 2.92 1.0 1.0 2.98 1.0 2.97k 2.98 页脚 页眉 四、回答问题 控制网优化设计 一、GPS 卫星定位的基本原理 GPS 定位时，把卫星看成是“飞行”的已知控制点，利用测量的距离进行空间后方交会，便得到接收机的位置。卫星的瞬时坐标可以利用卫星的轨道参数计算。 二、在进行载波相位观测时，在不同观测时段，载波可以划分为哪几部分？ 首次观测值0 0)(~φ?Fr = 后继量测值)()(~φφ? Fr Int += 通常表示为)()(~0 0φφ?Fr Int N N ++=+=Φ 三、坐标系之间的转换过程 四、GPS 网数据处理的基本过程 1、数据传输 2、建立坐标系统 1）打开TGO 软件，功能—Coordinate System Manager ，进入坐标系统管理器。 2）增加椭球，输入椭球名称、长半轴、扁率 3）增加基准转换（Molodensky ），创建新的基准转换组。 4）增加坐标系统组 5）选择投影方式：横轴墨卡托投影 6）文件保存退出 3 、新建项目 1）新建项目 2）选择模板(Metric 米制单位模板). 3）改变坐标系统，选择需要的坐标系统。 4、导入静态观测数据(*.dat 或RINEX)数据 1）文件/导入 2）修改测站名，天线高度，天线类型，测量方法。 5、处理Timeline 6、处理GPS 基线 7、GPS 网的无约束平差 1)平差—基准—WGS-84，进行无约束平差。 2)查看网平差报告。看迭代平差是否通过；如果不通过，选择“交替的”加权策略 3)再次进行平差，直到通过为止。 8、网的约束平差 1) 平差—基准—当地投影基准。 2)然后点击观测值，加载水准面模型，输入已知点坐标。 3)点击平差，进行网的约束平差。 9、成果输出 五、GPS 控制网优化设计的分类处理方法 零类设计：即控制网的基准设计，是对一个已知图形结构和观测方案的自由GPS 网确 技术资料 附件2 向家坝水电站 引水发电系统土建及金属结构安装工程 （合同编号：XJB/0184） 测量控制网技术方案 水电七局向家坝项目部 二零零六年五月九日 向家坝水电站引水发电系统控制网技术方案 一、工程概述 1、1向家坝水电站引水发电系统工程简介 向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一个梯级，位于四川省 与云南省交界处的金沙江下游河段，坝址左岸下距四川省宜宾县的安边镇4km 宜宾市33km右岸下距云南省的水富县城1.5km。工程开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用。工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、左岸坝后厂房、右岸地下引水发电系统及左岸河中垂直升船机等组成。 本标的主要内容为右岸引水发电系统工程、右岸EL288.00m?384.00m坝基开挖与支护工程、排沙洞工程、施工支洞工程、右岸310m 混凝土生产系统工程的设计、建设与运行等。 本合同工程计划于2006年4月1日开工，要求2012年6月30 日全部完工。本合同主要工程量：土石方明挖4645075帛，土石方填筑230997用，石方洞挖1639190帛，混凝土970531^钢筋制安62030.06t.喷混凝土44867斥。 二、控制网的设计依据 2、1设计依据 2、1、1、2003年1月9日发布的《水电水利工程施工测量规范》 (DL/T5173-2003)。 2、1、2、中国长江三峡工程开发总公司向家坝工程建设部颁发 的《向家坝工程施工测量管理细则》。 2、1、 3、XJB/0184标段有关施工设计图。 2、1、4、施工组织设计 2、1、5、《水利水电工程测量规范》 2、1、6、国家技术监督部门颁发的有关测量规范 三、施工控制网的布设和控制点的埋设 3、1施工控制网的布设 向家坝水电站引水发电系统测量控制网拟在三峡总公司向家坝工程建设部测量中心提供的首级控制网和加密控制网的基础上布设适合于本标段施工的三等加密控制网。共布设：三条附合导线，一条闭合导线，排沙洞附合导线。平面控制按照三等级布设，高程按四等水准测量布设；困难条件下也可以按四等级光电三角高程测距布设。其余工作面可以从此五条主干导线上引支导线进行施工放样，但尽可 能附合在主干导线上。 目前本标段的地面施工测量控制网点密度已经基本满足前期施工的需要。考虑到工程质量和以后施工放样的方便，对于引水系统工程中的进水口隧洞部分和厂房系统部分，要在业主提供三角基准网点和水准基准网点的基础上进行加密，加密的控制网的工作基点(永久工作基点)应在进水口和出水口各布设一个单三角，中间用导线连接。采用三等精度，以边角网观测方法进行加密，每个点应进行三维坐标的观测。高程工作基点在进水口和出水口各布设一 南理工控制工程基础实验报告 成绩：《控制工程基础》课程实验报告班级：学号：姓名：南京理工大学2015年12月《控制工程基础》课程仿真实验一、已知某单位负反馈系统的开环传递函数如下G(s)?10 s2?5s?25借助MATLAB和Simulink完成以下要求：(1) 把G(s)转换成零极点形式的传递函数，判断开环系统稳定性。>> num1=[10]; >> den1=[1 5 25]; >> sys1=tf(num1,den1) 零极点形式的传递函数：于极点都在左半平面，所以开环系统稳定。(2) 计算闭环特征根并判别系统的稳定性，并求出闭环系统在0～10秒内的脉冲响应和单位阶跃响应，分别绘出响应曲线。>> num=[10];den=[1,5,35]; >> sys=tf(num,den); >> t=[0::10]; >> [y,t]=step(sys,t); >> plot(t,y),grid >> xlabel(‘time(s)’) >> ylabel(‘output’) >> hold on; >> [y1,x1,t]=impulse(num,den,t); >> plot(t,y1,’:’),grid (3) 当系统输入r(t)?sin5t时，运用Simulink搭建系统并仿真，用示波器观察系统的输出，绘出响应曲线。曲线：二、某单位负反馈系统的开环传递函数为：6s3?26s2?6s?20G(s)?4频率范围??[,100] s?3s3?4s2?2s?2 绘制频率响应曲线，包括Bode图和幅相曲线。>> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> bode(sys,{,100}) >> grid on >> clear; >> num=[6 26 6 20]; >> den=[1 3 4 2 2]; >> sys=tf(num,den); >> [z , p , k] = tf2zp(num, den); >> nyquist(sys) 根据Nyquist判据判定系统的稳定性。 施工控制网的优化设计 顾利亚 岑敏仪 (西南交通大学 测量工程系 成都 610031) 【摘 要】 根据施工控制网的特点,提出了用解析法进行控制网优化设计的新方法,介绍了在平 均可靠率和精度的约束下使用0-1规划进行网形设计的算法。实例验证,精度函数增量的“A ”标准和“E ” 标准均可作为控制网图形设计的目标函数。【关键词】 优化设计;0-1规划;测量控制网【分类号】 T P 391.41;T U 198 根据作业的过程,通常将施工控制网的优化设计划分为四个阶段,即:零类设计、一类设计、二类设计和三类设计。零类设计是控制网参考系或基准的设计问题,它包括数据处理的方法和坐标系的选择,不同用途的控制网选择不同的数据处理方法。由于施工控制网要考虑相对点位的精度问题,因此零类设计通常采用传统的习惯做法。一类设计是控制网的网形设计问题,是在预定测量精度的前提下,确定最佳的点位概略坐标和联系方式。控制点的设计位置,主要受施工放样的需要及地形和设备条件的制约,有些因素目前还很难用数学的方式表示。而控制网的图形(即控制点之间的联系方式)对网的图形强度影响较大,它是一类设计的主要研究内容,亦是本文的核心内容。二类设计是控制网在图形固定的前提下,寻求最佳的精度配置,它是控制网优化设计的热点问题。三类设计则是对已有控制网的改善,它一般要包含零类、一类和二类设计。 施工控制网优化设计的作用,是使所求解的控制网的图形和观测纲要在高精度、高可靠性及低成本意义上为最优。本文针对施工控制网设计的特点,在其图形设计中建立求解模型,使求出的图形和观测纲要同时满足预先规定的优化设计指标。 1 优化设计指标 控制网的优化设计指标包括精度、可靠性和经济费用指标。精度指标一般通过精度约束函数来满足。可靠性分为内部可靠性和外部可靠性,常用的指标有:观测量的多余观测分量、可发现粗差的下界值、外部可靠性尺度等。这些指标均对某些特定的条件有显著作用。根据施工控制网的特点,其可靠性指标可用平均可靠率来表示[1] r 0=r /n (1) 式中,r 为多余观测数,n 为总观测数。 控制网的费用标准一般可用下式表示 收稿日期:1996-10-08 顾利亚:女,1956年生,讲师。 第32卷第2期1997年4月 西南交通大学学报 JOU RNAL OF SOU THWEST JIAOT ONG UNIVERSITY Vo l.32N o.2A pr. 1997 控制工程基础期末试题 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，，共20分) 1.如果系统中加入一个微分负反馈，将使系统的超调量σp( ) A.增加 B.减小 C.不变 D.不定 2.运算放大器具有_____的优点。( ) A.输入阻抗高，输出阻抗低 B.输入阻抗低，输出阻抗高 C.输入阻抗高，输出阻抗高 D.输入、输出阻抗都低 3.在伯德图中反映系统抗高频干扰能力的是( ) A.低频段 B.中频段 C.高频段 D.无法反映 4.设开环系统频率特性G(jω)= ,当ω=1rad/s时，其频率特性幅值M(1)=( ) A. B.4 C. D.2 5.设开环传递函数G(s)H(s)= ,α>0,K>0，随着K增大，闭环系统 ( ) A.相对稳定性变差，快速性不变 B.相对稳定性变好，快速性不变 C.相对稳定性不变，快速性变好 D.相对稳定性变差，快速性变差 6.对于一阶、二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的( ) A.充分条件 B.必要条件 C.充分必要条件 D.以上都不是 7.开环传递函数为G(s)H(s)=, 则实轴上的根轨迹为( ) A.〔－4,∞) B.〔－4,0〕 C.(－∞,－4) D. 〔0,∞〕 8.进行串联滞后校正后，校正前的穿越频率ωc与校正后的穿越频率的关系，通常是( ) A.ωc= B.ωc> C.ωc< D.ωc与无关 9.PID控制规律是____控制规律的英文缩写。( ) A.比例与微分 B.比例与积分 C.积分与微分 D.比例、积分与微分 10.比例环节的频率特性相位移θ(ω)=( ) A.90° B.－90° C.0° D.－180° 二、填空题(本大题共10小题，每小空1分，共15分) 1.根轨迹全部在根平面的__________部分时，系统总是稳定的。 2.设系统的频率特性G(jω)=R(ω)+JI(ω)，则相频特性∠G(jω)=__________。 3.随动系统中常用的典型输入信号是__________和__________。 4.超前校正装置的最大超前角处对应的频率ωm=__________。 5.根据系统给定值信号特点，控制系统可分为__________控制系统、__________控制系统和程序控制系统。控制工程基础期末考试题
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