控制工程基础考卷带答案复习资料

1、一、填空题：(每空1分，共20分)1 对控制系统的基本要求一般可归结为稳定性，准确性，快速性2自动控制系统对输入信号的响应，一般都包含两个分量，即一个是瞬态响应分量，另一个是响应分量。3在闭环控制系统中，通过检测元件将输出量转变成与给定信号进行比较的信号，这个信 号称为。4 若前向通道的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则闭环传递函数为6t5 函数f(t)= 3e 的拉氏变换式是 。6开环对数频率特性的低频段、中频段、高频段分别表征了系统的稳定性，动态特性，抗干扰能力、。7. Bode图中对数相频特性图上的一180°线对应于奈奎斯特图中的 。&已知单位反馈系统

2、的开环传递函数为：G(s) 20求出系统在单位阶跃(0.5s 1)(0.04s 1)输入时的稳态误差为。9. 闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点均位于s平面的半平面。10. 设单位反馈控制系统的开环传递函数为G(s) 匹，当系统作用有 xi (t) = 2cos(2 t -s 145 )输入信号时，求系统的稳态输出为 。k11 已知传递函数为 G(s)，则其对数幅频特性 L ()在零分贝点处的频率数值为s12在系统开环对数频率特性曲线上，低频段部分主要由环节和决定。,它的相频特性的数1 一13.惯性环节的传递函数 ，它的幅频特性的数学式是 Ts 1学式是14.已知系统的单位阶跃响应为Xo(

3、t)1 te t e t，则系统的脉冲脉冲响应为、填空题(每空1分，共20 分):稳定性，准确性,快速性;2稳态;3反馈;G(s)1 G(s)H (s)5 F(s)稳定性，动态特性,抗干扰能力;负实轴;121右半平面;1011 K ;12积分，比例；131丁,arctanT 1 T 2142t2e t,t 0e、判断题：（每小题1分，共10 分）1. 在对数相频特性图中，L（3）0围开环对数相频特性曲线由下而上穿过-180。线时为正穿越。（）2. 奈奎斯特稳定判据只能判断线性定常系统的稳定性，不能判断相对稳定性。（）3. 最大超调量 M与系统的阻尼比Z和固有频率3n有关。（）4. 闭环传递函数

4、中积分环节的个数决定了系统的类型。（）5. Mason（梅逊公式）公式适用于线性和非线性定常系统。（）6. 物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型。（）7. 叠加定理可以用在非线性系统。（）8. 传递函数是复数s域的系统数学模型，它仅取决于系统本身的结构及参数，与系统的 输入形式无关。（）9. 对于二阶系统，实际的工程常常设计成欠阻尼状态，且阻尼比Z以选择在0.41.0为宜。（）10. 一般系统的相位裕度应当在30度至60度之间，而幅值裕度应当大于6dB。（）1错误；2正确；3错误；4错误；5错误；6正确；7错误；8正确；9错误；10正确。基本概念：第一章：1 对控制系统的基本要求一般可以归

5、纳为：稳定性、快速性和准确性。其中稳定性的要系 统工作的必要条件。随动系统对响应快速性要求较高。2开环与闭环系统的定义。分别举例说明3对自动控制系统，按反馈情况可以分为哪些？按输出变化规律可分为哪些？第二章1 控制系统的数学模型有哪些表达方式？各自有何特点？2 微分方程的定义，如何由微分方程推导到传递函数3传递函数的定义：线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变 换之比，称为该系统的传递函数。4传递函数的分子反映了系统同外界的联系，传递函数的分母反映了系统本身与外界无关 的固有特性；5. 线性控制系统一般可由典型的环节所组成，这些典型环节分别为： 比例环节，惯性环节,微分环

6、节，积分环节，振荡环节，延时环节。这些典型环节的传递函数分别是什么？6线性定常系统的稳定性取决于系统的结构和参数，与系统的输入信号无关。7下列哪些属于系统传递函数方框图的结构要素有：函数方框，相加点，分支点 第三章：时域分析1 我们常说的典型输入信号有哪些？2. 时间响应的概念：时间响应是指系统在输入信号作用下，系统输出随时间变化的函数关系3. 时间响应分析是由 零输入响应和零状态响 应所组成的。不特别指明，时间响应都是指零状态响应4. 瞬态过程、稳态过程的含义。5. 一阶惯性环节的传递函数为G(s)TT1，其中T的含义是什么？二阶振荡环节的传递2函数为G（s）分别是什么?ns22 nS6.

7、二阶系统响应的性能指标有哪些？它们的计算公式分别是什么？第四章：频域分析1频率响应的概念：系统对输入为谐波时的稳态响应称为频率响应2. 频率特性的表示法：Nyquist 图（极坐标图，又称为幅相频率特性图）；Bode图（对数 坐标图，又称为对数频率特性图）3. 典型环节的 Bode图第五章：1. 系统稳定的充要条件为：系统的全部特征根都具有负实部；反之，若特征根中只要有一 个或一个以上的正实部，则系统必不稳定。2. 稳定性的判据有那些：Routh判据，Nyquist判据，Bode判据。其中Nyquist稳定性判 据是通过开环传递函数来判定闭环系统的稳定性K3. 系统的相对稳定性可以用相位裕度和

8、幅值裕度g来表示，是如何定义的？（书134,135页）1. PID控制器中的P、I、D分别指按偏差的比例、积分、微分进行控制。PI,PD,PID属于什么性质的校正，各有何特点？书154, 155, 156页2.相位超前校正若 Gc（s）Kc(Ts 1)(Ts 1)1，最大相位超前角m满足Sin m3.相位滞后校正装置的传递函数为Gc(s)罟)1，最大滞后角为,填空（10*1分=10分）1、 （控制的基本方式有哪些？）根据系统是否存在反馈，可将系统分为开环控制系统和闭 环控制系统两大类。开环控制没有反馈，闭环系统有反馈。2、 反馈控制系统的基本组成：给定元件，测量元件，比较元件，放大元件，执行元

9、件，校 正元件。3、 按系统的数学描述分类： 线性系统、非线性系统，按系统的传递信号的性质分类:连续 系统、离散系统。4、 对控制系统的性能要求：稳定性、快速性、准确性。5、已知 f(t)=8t2+3t+2,求 f(t-2) 的拉普拉斯变换£ f ( t - 2)=6、 数学模型：描述系统动态特性及各变量之间关系的数学表达式，分为动态数学模型和静 态数学模型。7、 建立控制系统数学模型的方法分为:分析法、实验法。&对于非线性微分方程的线性化处理一般有1.直接略去非线性因素，2.切线法或微小偏差法。9、 信号流图是一种表示一组联立线性代数方程的图。是由节点和支路组成的信号传递网

10、 络。10、常用的脉冲输入试验信号有 单位脉冲函数，单位阶跃函数，单位斜坡函数，单位加 速度函数，正弦函数等。11、根据极点分布情况，二阶系统分类如下：欠阻尼二阶系统、无阻尼二阶系统、临界阻尼二阶系统、过阻尼二阶系统。二，名词解释(3*4分=12分)1、传递函数：单输入单输出线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与其输入量的拉氏变换之比。用 G(s) =C (s) /R (s)表示。2、时域响应：控制系统在外加作用(输入)激励下，其输出量随时间变化函数关系。任一稳态时域响应由瞬态响应和稳态响应两部分组成。3、 最小相位系统：若系统的开环传递函数G (s)在右半s平面既无极点也无零点，则称

11、为最小相位系统。在最小相位系统中，对数相频对应幅频。4、主导极点：若极点所决定的瞬态分量不仅持续时间最长，而且其初始幅值也大，充分体 现了它在系统响应中的主导作用，故称其为系统的主导极点。5、闭环频率特性：(略)三，问答题(3*8分=24分)1,开环与闭环控制系统的优点与缺点?答：闭环控制系统的优点是采用了反馈，系统中真正起到调节的作用是偏差信号所以，闭环系统的响应对外部干扰和部系统的参数变化不敏感。 对于给定的控制 对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统，在开环情况下是不可能做到的。从稳定的角度出发，开环控制比较容易建立。闭环系统中， 稳定性很难建立，因为闭环系统可能出现

12、超调误差，从而导致系统做等幅振荡或 变幅振荡。2,建立元件或系统的微分方程可依据以下步骤进行？答：1.确立系统或者元件的输入量、输出量。2.按照信号的传递顺序，从系统的输入端开始，依据运动规律，列各环节的动态微分方程。3.消去所列各微分方程 组中间变量，得系统的输入量、输出量之间关系的微分方程。4.整理得到微分方 程。3，比较时域分析与频率特性分析的优缺点？答：时域分析法是种直接分析法，它根据所描述系统的微分方程或传递函数， 求 出系统的输出量随时间的规律，并由此来确定系统的性能。但不能对高阶系统进 行分析，且求解复杂。频率特性分析与此不同的是它不是通过系统的闭环极点和零点来分析系统的性能，而

13、是通过系统对正弦函数的稳态响应来分析系统性能，它将传递函数从复域引到频域中进行分析。利用频率特性分析不必求解微分方程就可估算出系统的性 能，从而简单、迅速地判断某些环节或参数对系统性能的影响， 并能指明改进系 统性能的方向。4,传递函数的零、极点和放大系数对系统性能的影响有哪些？答：1,极点决定系统固有运动属性。2，极点的位置决定模态的敛散性，即决定稳定性、快速性。3，零点决定运动模态的比重。4，传递系数决定了系统稳态 传递性能。控制工程基础、填空题(每空1分，共20分)1. 传递函数的定义是对于线性定常系统，在初始条件为零的条件下,系统输出量的拉氏变 换与输入量的拉氏变换之比。2. 瞬态响应

14、是系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终或稳定状态的响应过程。3. 判别系统稳定性的岀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。K4. I型系统G(s)在单位阶跃输入下，稳态误差为0，在单位加速度输入下，s(s 2)稳态误差为送。5. 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。6. 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（渐进）稳定的系统。7. 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

15、定常系统。8. 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。9. 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。10. 反馈控制系统开环对数幅频特性三频段的划分是以3c （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11. 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、快速性和精确或准确性。自动控制工程基础一、单项选择题：1.某二阶系统阻尼比为0,则系统阶跃响应为A.发散振荡B.单调衰减C.衰减振荡D.等幅振荡K2.一阶系统G(s)

16、=Ts+ 1的时间常数T越小，1则系统的输出响应达到稳态值的时间A.越长C.不变B.越短D.不定3.传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？A.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4 惯性环节的相频特性（），当A. -270 °C. -90 °时，其相位移B. -180D. 05.设积分环节的传递函数为a.KC.丄G（s）=-，则其频率特性幅值M（）=SB.D.6.有一线性系统，其输入分别为u1（t）和w（t）时，输出分别为y1（t）a1U1（t）+a 2U2（t）时（a 1,a 2为常数），输出应为和y2（t）。当输入为A.a 1y1(

17、t)+y 2(t)B.a 1y1(t)+a 2y2(t)7.Cay1(t)-a 2y2(t)拉氏变换将时间函数变换成A.正弦函数C.单位脉冲函数二阶系统当0< <1时，如果减小A.增加C.不变D.yi(t)+a 2y2(t)B.单位阶跃函数D复变函数，则输出响应的最大超调量B.减小D.不定线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下A. 系统输出信号与输入信号之比B. 系统输入信号与输出信号之比C. 系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比D. 系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 10.余弦函数cos t的拉氏变换是A.- s9.B.2 2s1-22sc.宀s11.

18、微分环节的频率特性相位移B( 3 )=A. 90 °B. -90C. 0 °D. -18012. II型系统开环对数幅频渐近特性的低频段斜率为A.-40(dB/dec)B.-20(dB/dec)C.0(dB/dec)D.+20(dB/dec)13. 令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的A.代数方程B.特征方程C.差分方程D.状态方程14. 主导极点的特点是A.距离实轴很远B.距离实轴很近C.距离虚轴很远D.距离虚轴很近15. 采用负反馈连接时，如前向通道的传递函数为 其等效传递函数为A.1 G(s)C.1 G(s)H(s)一、单项选择题：I. D6. BI

19、I. AD.、填空题:B.D.2.B7.D12.A3.C4.C5.C8.A9.D10.C13.B14.D15.CG(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则11 G(s)H(s)G(s)1 G(s)H(s)1.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。2.积分环节的对数幅频特性曲线是一条直线，直线的斜率为 dB/ dec。3.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。4单位阶跃函数1 (t)的拉氏变换为。5二阶衰减振荡系统的阻尼比E的围为。6当且仅当闭环控制系统特征方程的所有根的实部都是 时，系统是稳定的。7系统输出量的实际

20、值与之间的偏差称为误差。&在单位斜坡输入信号作用下，0型系统的稳态误差ess=。9设系统的频率特性为 G(j ) R(j ) jI()，则I()称为。10. 用频域法分析控制系统时，最常用的典型输入信号是_。11. 线性控制系统最重要的特性是可以应用 原理，而非线性控制系统则不能。12. 方框图中环节的基本连接方式有串联连接、并联连接和连接。13. 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环节数来分类的。14. 用频率法研究控制系统时，采用的图示法分为极坐标图示法和图示法。15. 决定二阶系统动态性能的两个重要参数是阻尼系数E和、填空题:1.相频特

21、性 2 20_ 3. _ 0 _46. 负数7 输出量的希望值 8 9 虚频特性10.正弦函数11. 叠加_12. _ 反馈_13. _ 积分_14. _ 对数坐标_15.无阻尼自然振荡频率 则自动控制工程基础作业答案作业一Ur(t)R0C0作业Ur(t)(t)2.1试建立图2 1所示电网络的动态微分方程,并求其传递函数R1Ur(t)Uc(t)Ur(t)R R0R1-IC°C1R2+ 一C丰+Uc(t)Uc(t)+Ur(t)(c)(b)R1(a)Ur(t)R2Uc(t)Ur(t)R2+Uc(t)(c)(d)解：+( a)根据克希荷夫定律有(1)1Ur(t)Idt U°(t)

22、Cuo(t) IR由(i)式可得，i c(M叫W)dt dt代入(2)式可得，Uo(t) RC(dU-( du也)dt dt整理后得系统微分方程： RC dUo(t) Uo(t) RC dUr(t)dtdt经拉氏变换后，得 RCsUo(s) Uo(s) RCsU,s)故传递函数为:G(s)也Ur(s)RCsRCs 1(c)根据克希荷夫定律有(1)Ur(t)RiiUo(t)uo(t)R2i1 idtC代入(1)式可得，Ur(t) C(R1只2昨dtCR2dUr(t)dtUo(t)C(R1R2) duo(t)CR2 dur(t)R1dtR1dt由(2)式可得，i整理后得系统微分方程：C(RR2)o

23、()Uo(t)CR2Ur(t)dtdt经拉氏变换后，得 C(R1 R2)sU°(s) Uo(s)CR2SUr(S) Ur(s)故传递函数为：G(s) Uo(s)CR2s 1Ur(s) C(R1 R2)s 12.2求下列函数的拉氏变换:(1)f(t) 2t 2( 2)f (t)te2t(3) f(t) sin(5t0 4t亍)(4) f (t) e cos(12t)解：(1) F(s)-(2) F(s) ss (s 2)2(3)由 f(t) sin(5t -) *sin5t -cos5t故 F(s)5V3s2(s225)2(s225)：f3s 52(s225)(4) F(s)s 0.4

24、2 2(s 0.4)122.3求下列函数的拉氏反变换:(1) F(s)(s 2)(s 3)F(s)3s2 2s 5解：(1 )由 F(s)s 1(s 2)(s 3)故 f(t) 2e 3t e 2t(2)由 F(s)32s 2s 5(s1)故 f (t)3e t sin 2t2作业三3.1设单位反馈系统的开环传递函数为Gk(s)试求系统的单位阶跃响应及上升时间、超调量、s(s 1)调整时间。解：系统闭环传递函数Gb(s)-11s(s 1)1s(ss(s与标准形式对比，可知2 Wn1，2Wn1) 1故 Wn 1，0.5利用公式(3 14)，系统单位阶跃响应为1)c(t) 10.5t esin(t

25、.10.52arctg51)0.5又 wd wn 1210.520.866arctg.10.520.51.047故tr Wd1.0470.8662.4181 2% e 100%0.5e 1 曲 100%16.3%ts4Wn3.2已知单位负反馈二阶系统的单位阶跃响应曲线如图 函数。3 1所示，试确定系统的开环传递解：由图可知峰值时间tp 0.1超调量 12 1100%20%11 2又因为 % e 1100%，故 0.89252，故 Wn69.64故系统开环传递函数 Gk(s)2Wns(s 2 Wn)69.642s(s 2 0.8925 69.64)4849.7s(s 1243)3.3已知单位负反

26、馈系统的开环传递函数为Gk(s)Ks(Ts 1)若要求 < 16% ts=6 s(犬误差带)，试确定 K T的值。解：由 % e1 2100%16%，可得 0.8987，取 0.93ts6，可得 wn 0.5556Wn又系统闭环传递函数为Gb(s)s(Ts 1)Ks(Ts 1)KKs仃s 1) K Ts2 s KK.T2 s KsT T20.5556，故 K= 0.3086与标准形式对比，可知2* 0.5556*0.91，故 T= 13.4闭环系统的特征方程如下，试用代数判据判断系统的稳定性。3 2(1) s +20s+9s+100=04 32(2) s +2s +8s +4s+3=0解

27、：(1)用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别，a3=1,a 2=20,a t=9,a 0=100均大于零，且有20 100 031900 20 1001 20 02 2091008003 20910020200 100 1 10080000所以，此系统是稳定的。(2)用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别,a4=1, a3=2, a2=8, a1=4,印=3 均大于零，且有2 4 0 018 3 00 2 4 00 18 32 8 1 41203643 33 361080所以，此系统是稳定的。3.5已知单位负反馈系统的开环传递函数如下:(1) Gk(S)(2) Gk(S)(3) Gk(S)求：r(t) 250(

28、0.1s 1)(2s 1)7(s 1)2s(s 4)(s 2s 2)5(s 1)2s (0.1s 1)24t 2t2时，系统的稳态误差。解：讨论输入信号,r(t)2 4t4丄,2即 A= 2,B= 4, C= 4(1 )这是一个0型系统，开环增益 K= 50;根据表34,误差essA1 Kp旦KvKa24415000(2)将传递函数化成标准形式Gk(s)7(s 1)2s(s 4)(s 2s 2)I(s 1)2s(0.25s 1)(0.5ss 1)可见，这是一个1型系统，开环增益 K=-8根据表3 4，误差essAB C2440321 KpKvKa17078(3)可见，这是一个II型系统，开环增益K= 5;根据表3 4，误差essABC24400441 KpKvKa1555作业四4.1设系统开环传递函数如下，试绘制系统的对数幅频特性曲线。(1) G(s) %0.02s 110(2) G(s) 01(s 1)(0.1s 1)s 1)300解：(1)该系统开环增益 K= 0.1 ;有一个微分环节，即 v= 1,低频渐近线通过(1 ,20lg0.1 )这点，斜率为