机械工程控制基础考试题(卷)完整版.doc

1、.机械控制工程基础一、填空题1. 线性控制系统最重要的特性是可以应用叠加 原理，而非线性控制系统则不能。2反馈控制系统是根据输入量和 反馈量的偏差进行调节的控制系统。3. 根据自动控制系统是否设有 反馈环节 来分类，控制系统可分为 _开环 _控制系统、 _闭环 _控制系统。4. 根据系统 输入量变化的规律 ，控制系统可分为恒值 控制系统、随动 控制系统和程序控制系统。5. 如果在系统中 只有离散信号 而没有连续信号， 则称此系统为 离散 (数字 )控制系统，其输入、输出关系常用差分方程来描述。6. 根据控制系统元件的特性 ，控制系统可分为 _线性 _ 控制系统、 非线性 _控制系统。7. 线性

2、控制系统其 输出量与输入量间的关系 可以用 线性微分 方程来描述。8. 对于一个自动控制系统的 性能要求 可以概括为三个方面： 稳定性、 快速性 和准确性。9. 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。10. 传递函数的定义是对于 线性定常系统 ,在零初始条件 下，系统输出量的拉氏变换与 输入量的拉氏变换之比 。11. 传递函数的组成与 输入、输出信号无关 ，仅仅决定于 系统本身的结构和参数 ，并且只适于零初始条件下的 线性定常 系统。12. 瞬态响应 是系统受到外加作用激励后，从 初始状态到最终稳定 状态的响应过程。13. 脉冲信号 可以用来反映系统的 抗冲击能

3、力 。14. 单位斜坡函数 t 的拉氏变换为1。s2Word 资料.15. 单位阶跃信号 的拉氏变换是 1/s 。16 在单位斜坡输入信号作用下， 0 型系统的稳态误差 e ss=。17. I 型系统 G (s)K在单位阶跃输入下，稳态误差为 0，在单位加速度输入下，稳态s(s 2)误差为 。1t18. 一阶系统的单位阶跃响应的表达是 1e T 。Ts119 决定二阶系统 动态性能 的两个重要参数是 阻尼系数 和 无阻尼固有频率 n 。20. 二阶系统的典型传递函数 是wn2。s22 wn s wn221 二阶衰减振荡系统的阻尼比 的范围为 01 。22. 二阶系统的阻尼比 为 0时，响应曲线

4、为 等幅振荡 。23. 系统输出量的实际值 与 输出量的期望值 之间的偏差称为误差。24. 系统的稳态误差 与输入信号的形式 及系统的结构和参数或系统的开环传递函数 有关。25. 分析稳态误差时，将系统分为 0 型系统、 I 型系统、 II 型系统 ，这是按开环传递函数的积分 环节数来分类的。26. 用频域法分析 控制系统时， 最常用的典型输入信号是 正弦函数 。27 线性定常系统在正弦信号输入时，稳态输出与输入的相位移随频率而变化的函数关系称为 相频特性。28. 频率响应是系统对 正弦输入 稳态响应，频率特性包括 幅频和相频 两种特性。29. 用频率法研究控制系统时，采用的 图示法分为极坐标

5、图示法和 _对数坐标 _图示法。30积分环节的对数幅频特性曲线是一条直线，直线的斜率为20 dB dec。31 0 型系统对数幅频特性低频段渐近线的斜率为0 dB/dec ，高度为 20lgKp。32. 从 0 变化到 + 时，惯性环节的频率特性极坐标图在第四 象限，形状为 半圆。133. G(s)=的环节称为惯性 环节。Ts1Word 资料.34 设系统的频率特性为G( j)R( j)jI () ，则 R ( ) 称为实频特性。35. 反馈控制系统开环对数幅频特性三频段的划分是以 c（截止频率）附近的区段为中频段，该段着重反映系统阶跃响应的 稳定性和快速性；而低频段主要表明系统的 稳态性能

6、。36. 二阶系统的阻尼系数 =_0.707 _时，为最佳阻尼系数。这时系统的平稳性与快速性都较理想。37. 如果系统受扰动后偏离了原工作状态， 扰动消失后， 系统能自动恢复到原来的工作状态，这样的系统是 稳定的系统。38. 判别系统 稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为 负实根或负实部的复数根 ，即系统的特征根必须全部在 复平面的左半平面 是系统稳定的充要条件。39.当且仅当闭环控制系统特征方程的所有根的实部都是负数 时，系统是稳定的。40.函数 te -at 的拉氏变换为1。a)2(s二、单项选择题：K1 一阶系统 G(s)=的时间常数 T 越小，则系统的输出响应达到稳态值的时间Ts +

7、 1BA越长B 越短C不变D 不定2. 传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？CA. 输入信号B.初始条件C.系统的结构参数D.输入信号和初始条件3 惯性环节的相频特性() ，当时，其相位移( ) 为CA -270 B -180 C-90 D04 设积分环节的传递函数为G(s)=1M( )=C，则其频率特性幅值sA. KB. K2Word 资料.C.1D.125. 有一线性系统， 其输入分别为u 1 (t) 和 u 2 (t) 时，输出分别为y1 (t) 和 y 2(t) 。当输入为 a1 u 1 (t)+a 2u 2 (t) 时 (a 1,a2为常数 )，输出应为BA. a 1

8、y 1(t)+y 2 (t)B. a 1 y1 (t)+a 2 y 2(t)C. a 1y1(t)-a 2 y 2(t)D. y 1 (t)+a 2y 2(t)6 拉氏变换将时间函数变换成DA正弦函数B单位阶跃函数C单位脉冲函数D 复变函数7 二阶系统当 00B. 0 14D. 031. 典型二阶振荡环节的峰值时间与 ( D )A.增益B.误差带C.增益和阻尼比D.阻尼比和无阻尼固有频率32. 若系统的 Bode 图在=5 处出现转折 (如图所示 )，这说明系统中有(D)环节。A. 5s+1B. (5s+1) 2C. 0.2s+1D.1(02. s 1)233. 某系统的传递函数为 G(s)=

9、(s7)( s 2) ,其零、极点是 ( D )(4s1)( s 3)A.零点 s= 0.25,s=3; 极点 s= 7,s=2B.零点 s=7,s= 2;极点 s=0.25,s=3Word 资料.C.零点 s= 7,s=2; 极点 s= 1,s=3D. 零点 ( 分子为0) s= 7,s=2; 极点( 分母为 0) s= 0.25,s=334. 一系统的开环传递函数为3(s2),则系统的开环增益和型次依次为 ( A )s(2s3)(s 5)6( 1s1)原式 =2，故 K=6/15=0.4( 注意多项式的常数项为 1)2 s 213 s 1)15(1515A. 0.4 ，B. 0.4 ，C.

10、 3，D. 3，35. 已知系统的传递函数 G(s)=Ke ts ，其幅频特性 G(j )应为 ( D)1TsA.KeB.KeT1T1C.K 2eD.KT 2211T2 236. 二阶系统的阻尼比 ，等于 ( C ) A.系统的粘性阻尼系数B.临界阻尼系数与系统粘性阻尼系数之比C.系统粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比D.系统粘性阻尼系数的倒数37. 设c 为幅值穿越 (交界 )频率， (c)为开环频率特性幅值为 1 时的相位角，则相位裕度为(C)A. 180 (c)B. (c)C. 180 + (c)D. 90 + (c)38. 单位反馈控制系统的开环传递函数为4，则系统在 r(t)=2t 输入

11、作用下，其稳态G(s)=s(s5)误差为 (A )A.10B. 5C.4D. 044539. 二阶系统的传递函数为G(s)=122s 2 n sn,在 0 2 时，其无阻尼固有频率 n 与谐2Word 资料.振频率 r 的关系为 ( C )A. rD. 两者无关nrnrn40. 串联相位滞后校正通常用于 ( B )A.提高系统的快速性B.提高系统的稳态精度C.减少系统的阻尼D.41. 下列串联校正装置的传递函数中，能在频率c=4 处提供最大相位超前角的是 ( D )A. 4s1B.s1C.01. s1D. 0.625 s 1s14 s10.625 s101. s 142. 从某系统的 Bode

12、 图上，已知其剪切频率 c40 ，则下列串联校正装置的传递函数中能在基本保持原系统稳定性及频带宽的前提下，通过适当调整增益使稳态误差减至最小的是(B)A.0.004 s1B. 0.4s 1C. 4s1D.4s10.04 s14s 110s10.4s1三、简答题1-1 机械工程控制论的研究对象与任务是什么?答： 1 ）机械控制工程是研究控制论在机械工程中应用的学科，用于改进和完善机械系统。2 ）有以下五个任务:(1) 系统分析。(2) 最优控制。(3) 最优设计。(4) 系统辨识。(5) 滤波与预测。1.2 什么是反馈 ?什么是外反馈和内反馈?Word 资料.答： 1 ）将系统的输出全部或部分地

13、返送回系统的输入端，并与输入信号共同作用于系统的过程，称为反馈或信息反馈。2 ）外反馈是指人们利用反馈控制原理在机械系统或过程中加上一个人为的反馈，构成一个自动控制系统。3 内反馈是指许多机械系统或过程中存在的相互藕合作用，形成非人为的“内在”反馈，从而构成一个闭环系统。1.3 反馈控制的概念是什么?为什么要进行反馈控制?答： 1 ）反馈控制就是利用反馈信号对系统进行控制。2 ）为了提高控制系统的精度，增强系统抗干扰能力。1.4 闭环控制系统的基本工作原理是什么?答：工作原理如下:(1)检测被控制量或输出量的实际值;(2)将实际值与给定值进行比较得出偏差值;(3) 用偏差值产生控制调节作用去消

14、除偏差。通常闭环控制系统至少具备测量、比较和执行三个基本功能。1.5 对控制系统的基本要求是什么?答：基本要求是稳定性、准确性和快速性。1 ）稳定性是指系统振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。是保证控制系统正常工作的首要条件。2 ）准确性是指控制系统的控制精度，一般用稳态误差来衡量。是衡量控制系统性能的重要指标。3 ）快速性是指系统消除输出量与输入量之间产生偏差的快慢程度。Word 资料.3.1什么是时间响应？时间响应由那两部分组成？答： 1 ）时间响应：在输入信号作用下，系统的输出随时间变化的过程。2 ）时间响应由瞬时响应和稳态响应组成。3.2简述脉冲响应函数和传递函数的关系。答：脉冲响应的拉氏

15、变换等于传递函数乘以脉冲信号的拉氏变换，由于脉冲信号的拉氏变换为1 ，所以脉冲响应的拉氏变换等于传递函数。3.3简述一阶系统的阶跃响应。txo (t )1e T ,t0答：一阶系统的阶跃响应为：3.4 典型二阶系统的传递函数，两个重要参数是什么？对系统性能的影响如何？2答： 1 ）典型二阶系统： G( s )n22ns2sn2 ）阻尼比及系统的无阻尼固有频率是系统的两个重要参数。3 ）它们决定着系统的时间响应特性。二阶系统的阻尼比决定了其振荡特性。3.5简述二阶系统的阶跃响应，并分别画出阶跃响应曲线。2答： 1）二阶单位阶跃响应：X o (s)ns( s22 n s n2 )2）图 3-9.3

16、.6误差和稳态误差的定义是什么？Word 资料.答： 1 ）系统实际输出量与期望输出量的偏差称为系统误差；2 ）系统进入稳态后其实际输出量与期望输出量之间的相差程度。3.7稳态误差和哪些因素有关？计算稳态误差的方法有哪几种？答： 1 ）系统的稳态误差与系统开环传递函数的增益、型次和输入信号有关。2 ）方法有：（1 ）拉氏反变换法；（ 2 ）终值定理法；（ 3 ）静态误差系数法；（ 4 ）误差级数法；（ 5 ）动态误差系数法；（ 6 ）频率特性法。5.1 什么是系统的稳定性?控制系统稳定的充分必要条件是什么?答： 1 ）系统的稳定性是指:系统受到扰动作用时，输出偏离平衡状态，当扰动消除后，若系统

17、在足够长的时间内能恢复到其原来的平衡状态或趋于一个给定的新平衡状态，则该系统是稳定的。反之，系统是不稳定的。2 ）系统稳定的充分必要条件是:系统的全部特征根都具有负实部，即系统闭环传递函数的全部极点均位于复平面的左半平面。四、程序题10s25求其单位阶跃响应曲线，1. 已知某闭环系统的传递函数为：G(s)0.16s3 1.96s2 10s25单位脉冲响应曲线，以及输入信号为r(t) =1+ t 的响应曲线。Word 资料解：程序如下：num=10 25;den=0.16 1.96 10 25;sys=tf(num,den)subplot(3,1,1);step(num,den);subplot

18、(3,1,2);impulse(num,den)t=0:0.01:3;u=1+t;subplot(3,1,3);lsim(num,den,u,t)end22. 典型二阶系统的传递函数为G(s)n22s 2 n sn.；n 为自然频率，为阻尼比，试绘出当=0.5 ，n 分别取2 、 4 、 6、 8、 10 、 12 时该系统的单位阶跃响应曲线。解：程序如下：kesi=0.5;wn=2;while wn13num=wn2;den=1 2*kesi*wnwn2;Word 资料.step(num,den);hold on;wn=wn+2;endend3.单位反馈系统前向通道的传递函数为：G (s)2

19、s48s38s28s2，试绘制该系统的 Bode 图和 Nyquist曲线。5s510s410s35s2s6s解：程序如下：num=2 8 12 8 2;den=1 5 10 10 5 1 0;figure(1);bode(num,den);figure(2);nyquist(num,den);endWord 资料.2. 设有一高阶系统开环传递函数为：0.016s30.218s2 1.436s9.359G (s)0.268s20.635s，试绘制该系统的零极点图，求取该系统的特征根，判断系0.06s36.271统的稳定性。解：程序如下：num=0.016 0.218 1.436 9.359;d

20、en=0.06 0.268 0.635 6.271;pzmap(num,den);roots(den)end求得特征根为：ans =-5.77100.6522 + 4.2054i0.6522 - 4.2054i特征根有正实部，故系统不稳定。Word 资料.五、计算题2-1a.设回流电流为 i1由电压定律有：ui (t)idtu0 (t )C同时： u 0 (t)Riui (t)1u0 (t )u0 (t )CdtRdu i ( t)1u0 (t)du 0 ( t)dtRCdtdu 0 (t)1u0 (t )du i ( t)dtRCdtb.解：对 x 0(t)左端： FB d ( xi (t)

21、 x 0 (t)dt对 x 0(t)右端： FKx 0 (t )B d (xi (t ) x 0 (t )Kx 0 (t )dtdx 0 (t )K x 0 (t)dx i (t)dtdtBc.设R1C两端电压为 u RC (t)由电压定律有： ui (t )u RC (t )u0 (t)又R1 及电容并联的电流为 i RCu RC (t)du RC (t )R1CdtiR 2u 0 (t)R2u 0 (t)u RC (t)du RC (t)R2R1Cdtu 0 (t ) ui (t) u0 (t)d (ui (t)u0 (t)R2R1CdtCdu0 (t )11)u0 (t) Cdui (t

22、 )1dt(R2dtui (t)R1R1Word 资料.d.解：对 x 0 (t)左端： Fd (xi (t) x 0 (t )k1 ( xi (t) x 0 (t )Bdt对 x 0 (t)右端： FK 2 x 0 (t )d (xi (t)x 0 (t)K 2 x 0 (t)Bk1 (xi (t) x 0 (t )dtdx 0 (t)(k 1k 2 )x 0dx i (t )k1 xi (t)B(t ) Bdtdte.设回流电流为 i由电压定律有： ui (t )R1iu0 (t )(1)同时： u0 (t )1idtR2iC由（ ）ui(t )u0 (t)1 iR 1u 0 (t)R2u

23、i (t ) u0 (t ) 1ui (t ) u0 (t)dtR 1CR 1du0 (t )R 2dui (t)du0 (t )1(t)u0 (t )dtR1(dtdt(uiR 1C(1R 2 )du 0 (t)R 2 du 0 (t)R 2du i (t)1(ui (t )R1dtR1dtR1dtR 1C(R1du 0(t)du 0(t)dui(t )ui (t)R 2)CR1CR 2 CdtdtdtWord 资料.f .解：设 k 2右端的位移为 x k2对 x0 (t)左端： Fk1 (xi (t)x 0 (t)对 x0 (t)右端： FB d (x0 (t )x k2 (t )dtB

24、 d (x0 (t ) x k2 (t )k1 ( xi (t ) x 0 (t )(1)dt对 k2左端： Fk2B d ( x0 (t )x k 2 (t)dt对 k2右端： Fk2 k2x k 2 (t)Bd (x0 (t ) x k2(t )k2 x k2 (t)(2)dt由(1)、(2)有：x k2 (t )k1( xi (t) x 0 (t)k2代入（ 1）B dx0 (t )B dx k 2 (t)k1 ( xi (t) x 0 (t)BBdtdx0 (t )dtdx0 (t )dtdtB k1d ( xi (t)x 0 (t)k1 (xi (t)x 0 (t)k2dtB k1d

25、x 0 (t)k1x 0 (t)B k1dxi (t)k1 xi (t)k2dtk2dt(k1dx0 (t)k1k2 x 0 (t) Bk1dxi (t)k2 )Bk1 k2 xi (t )dtdt2-2(1) F (s) L( f (t )11位移 11 -1ssTs1sTWord 资料.(2) f (t)0.030.03cos 2tF (s)L ( f (t )0.031ss24 - s20.120.03s2220.0324）s( s24）ss(s(3) f (t )sin(5t)（t)sin 535155sF (s)L ( f (t )t15e1525s225s2(4) cos12t及复

26、位移 0.4F (s) L ( f (t )s0.42（ s0.4） 144F (s)A1A2(s2)( s3)A1s1(s2)1(s 2)( s 3)2-3 （ 1）s 2A1s1(s3)2(s2)( s3)s3f (t)L 1 F ( s)e 2 t2e 3tF (s)s441( s 4)21( s 4)21（ 2）f (t )e 4tcost4e 4 t sintF (s)A1A2A3s( s1)2( s3)A1s2s2s(s1) 2 ( s3)03s（ 3 ）A2s(ss 23)(s 1) 211) 2 ( ss12A3s2(s3)1s(s1) 2 ( s3)12s3f (t )2 (

27、t )1 te t1 e 3 t32123-9 解：根据系统的开环传递函数可知系统的特征方程为：D (s)s410s310 s215s70由赫尔维茨判据可知，n=2且各项系数为正，且Word 资料.2a1 a2 a0 a345 0, 以及2a12 a4 / a3 16.8 ，因此系统是稳定的。D (s)7(s1)(7 / 8)(s 1)4)(s22s2)s(0.25s+4)(0.5s2s 1)s( s由 G(s) 可知，系统式 I 型系统，且 K=7/8, 故系统在 1(t), t和t 2信号作用下的稳态误差分别为：ees s v()Kes s p( ) 0,1 /, s s a ( )4-4 解： 1 ）由图可知，其低频段为一水平线，（即 v=0 ），故系统为0 型系统；2）由 20 lg K10( dB / dec) 求得 K3.16 ；3）由过点2 斜率增加 -20dB/dec1（式中， T1