02291自动控制原理与系统

1、自动控制原理与系统,第三版第填空章自动控制系统概述1 .所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置，对生产过程等进行自动调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。(1.1)2 .18世纪瓦特(Watt)利用小球离心调速器使蒸气机转速保持恒定。(1.1)3 .若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。(1.2)4 .若系统的输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，这样的系统称为闭环控制系统。(1.(2)5 .反馈信号与输入信号的极性相同则称为正反馈。(1.3)6 .恒值控制系统的特点是输入量是恒量，并且要求系统的输出量相应地保持恒定。(1.4

2、)7 .随动系统的特点是输入量是变化着的，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化。(1.4)8 .自动控制系统的性能通常是指系统的稳定性、稳态性能和动态性能。(1.5)9 .控制系统的动态指标通常用最大超调量、调整时间和振荡次数来衡量。(1.5)10 .经典控制理论是建立在传递函数概念基础之上的。(1.6)11 .现代控制理论是建立在状态变量概念基础之上的。(1.6)单选1.在自动控制系统的性能指标中，最重要的性能是()(1.5)动态性能稳定性稳态性能快速性双选1 .若系统的输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，这样的系统称为()(1.2)开环控制系统闭环控制系统前馈控制系统

3、反馈控制系统复合控制系统2 .开环控制系统的适用场合是()(1.2)系统的扰动量影响不大系统的扰动量大且无法估计控制精度达不到预期要求系统未设反馈环节系统的扰动量可以预计并能进行补偿3 .闭环控制系统的适用场合是()(1.2)系统的扰动量影响不大控制精度达不到预期要求系统未设反馈环节系统的扰动量大系统的扰动量可以预计并能进行补偿4 .自动控制系统按输入量变化的规律可分为恒值控制系统和()(1.4)连续控制系统伺服系统过程控制系统离散控制系统时变系统5 .自动控制系统按系统的输出量和输入量间的关系可分为()(1.4)连续控制系统离散控制系统线性系统非线性系统定常系统6 .恒值控制系统是最常见的一

4、类自动控制系统，例如()(1.4)火炮控制系统自动调速系统雷达导引系统刀架跟随系统水位控制系统简答(1.2)1 .简述开环控制和闭环控制的优缺点及适用场合。表I开坏控制与闭环控制的比较方特征优点跳点适用场合开环控制无反馈环节结构简单成本低，稳定性好对扰动产生的影响无法进行自动补偿扰动量影响不大或扰动量产生的影响可前计并懂先进行补偿？精度要求小局闭环控制有反愦环节对扰动产生的影响可自动进行补偿，精度高需噌加检测、反馈等部件，结构复杂,成本噌加.稳定性可能变差系统精度要求较高的场合，扰动量较大，且无法预计的场合2 .简述图示水位控制系统的工作原理。（1.3）放大器控制器当系统处于稳态时，电动机停转

5、，Ua=Ub,Qi=Q2,H=Ho（稳态值）。若设用水量Q2增加，则水位H将下降，通过浮球及杠杆的反馈作用，将使电位计RPB的滑点上移，UB将增大，这样AU=Ua-Ub<0,此电压经放大后，使伺服电动机反转，再经减速后，驱动控制阀V1,使阀门开大，从而使给水量Q1增加，使水位不再下降，且逐渐上升并恢复到原位。这个自动调节的过程一直要继续到Q1=Q2,H=H0,Ub=Ua,U=0,电动机停转为止。3 .简述图示位置跟随系统的工作原理。（1.3）/?Ri手轮雷达天线当手轮逆时针转动时，设ei为增加，并设5此时减小，则偏差电压au=Ui-ufe将小于零。由于2A为反相端输入，因此其输出uk将为

6、正值，使ud为正值，设此时电动机转动将带动雷达天线作逆时针转动。这个过程要一直继续到ec=ei,au=0,uk=0,ud=0,电动机停转才为止。第2章拉普拉斯变换及其应用填空1 .经典控制理论的数学基础是拉氏变换。(2.1)st2 .拉氏变换的定义式为F(S)=0f(t)etdt(2.1)3 .等加速度信号r(t)=t2的拉氏变换式R(s)为与。(2.1)s4 .若f(t)的拉氏变换为F(s),则f(tY)的拉氏变换为eTsF(s)。(2.2)单选1.正弦信号r(t)=sin6t的拉氏变换式R(s)为()(2.1)22ss2222-22s'ss-2.余弦信号r(t)=coscot的拉氏

7、变换式R(s)为()(2.1)2022s2s22s-第3章自动控制系统的数学模型填空1 .在经典控制理论中，常用的数学模型为传递函数、系统框图和微分方程。(3.1)2 .直流电动机有两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。(3.1)3 .微分方程为自动控制系统在时间域数学模型。(3.1)4 .在传递函数的定义中所谓零初始条件是指系统的输入量和输出量及其各阶导数在t<0时的值也均为零。(3.2)5 .对同一个系统，若选取不同的输出量或不同的输入量，则其对应的微分方程表达式和传递函数也不相同。(3.2)6 .传递函数为自动控制系统在复数域数学模型。(3.2)7 .系统框图是传递函数

8、的一种图形描述方式。(3.3)8 .系统框图由信号线、引出点、比较点和功能框组成。(3.3)9 .积分环节的特点是它的输出量为输入量对坦皿的积累。(3.4)10 .对于惯性环节来说，当输入量发生突变时，输出量不能突变，只能按指数规律逐渐变化。(3.4)11.二次振荡环节的传递函数为G(s)=2=n.s22ns，；T2s22Ts1(3.4)12 .延迟环节的传递函数为G(s)=e¥。(3.4)13 .当负载转矩增加时，直流电动机内部的自动调节过程是通过电动机内部电动势的变化来进行自动调节的。(3.5)14 .框图等效变换的原则是变换后与变换前的输入量和输出量都保持不变。(3.6)15

9、.当系统中有两个(或两个以上)环节串联时，其等效传递函数为各环节传递函数的乘积。(3.6)16 .当系统中有两个(或两个以上)环节并联时，其等效传递函数为各环节传递函数的代数犯。(3.6)17 .作调速用的直流电动机为一个一阶系统。(3.6)18 .作位置伺服用的直流电动机为一个三阶系统。(3.6)单选1 .描述系统的输入量和输出量之间关系的最基本的数学模型是系统的传递函数微分方程系统框图频率特性2 .自动控制中最常用的数学模型是()(3.2)传递函数微分方程系统框图频率特性()(3.1)双选1.系统的传递函数取决于系统的()内部结构参数作用量大小(3.2)作用量变化规律外部扰动2.积分环节是

10、自动控制系统中遇到的最多的环节之一，例如()(3.4)电容的电量与电流电子放大器直流电动机温度与电功率齿轮减速器简答1.试求图示系统的传递函数Uo(s),并说明该环节为何种典型环节?Ui(s)(3.4)解：G(s)=U)-R1(1R0C0s)Ui(s)Ro此环节为比例微分环节2.试求图示系统的传递函数U。,并说明该环节为何种典型环节?Ui(s)(3.4)解:3.解:简述当负载转矩增加时，电动机内部的自动调节过程。(3.5)G(s)二吆二-(凡0)Ui(s)RoR0Cs此环节为比例积分环节及仃、.拧1E=K舱门直到心=见,此过程才结束4.写出图示系统中当R(s)和D(s)同时作用时系统的输出C(

11、s)。(3.6)解：=G(s)Gz(s)R(s)C>r(s)1G1(s)G2(s)H(s)Cd(s)G2(s)D(s)1Gi(s)G2(s)H(s)C(s)=G(s)Cd(s)4（2（要求写出变换R（s）5.试应用方框图化简的方法求取图示系统的闭环传递函数过程）（3.6）I+G】GJIlG，G市之(d)第四章分析自动控制系统性能常用的方法填空1 .在经典控制理论中，常用的分析方法有时域分析法、频率特性法和根轨迹法。(4.(1)2 .频率特性是系统(或元件)对不同频率正弦输入信号的响应特性。(4.2)3 .频率特性是自动控制系统在频率域的数学模型。(4.2)4 .对线性系统，若其输入信号为

12、正弦量，则其稳态输出信号也将是同频率的正弦量.(4.2)5 .系统的频率特性包括幅频特性和相频特性。(4.2)6 .系统频率特性的模描述了系统对不同频率的正弦输入量的衰减或放大特性。(4.(2)7 .系统频率特性的幅角描述了系统对不同频率的正弦输入信号在相位上的滞后或超前。(4.2)8 .系统频率特性的数学式表示方式有指数形式、直角坐标和极坐标形式。(4.2)9 .系统频率特性的图形表示方式主要有奈氏图和Bode图。(4.2)10 .对数频率特性有两张图组成，一张为对数幅频特性，另一张为对数相频特性。(4.2)11 .积分环节的L(®)过零分贝线的点的数值即为增益K。(4.2)12

13、.在绘制惯性环节的对数幅频特性时，若以渐近线取代实际曲线，引起的最大误差约为-3.0dB。(4.2)13 .振荡环节的对数幅频特性曲线的渐近线与实际曲线之间的误差不仅与频率切有关，而且还与阻尼比有关。(4.2)14 .串联环节的对数频率特性为各串联环节的对数频率特性的迭见。(4.2)15 .若系统传递函数的极点和零点均在s复平面的左侧，则称该系统为最小相位系统。(4.2)16 .若系统传递函数有在s复平面右侧的极点和(或)零点，则称该系统为非最小相位系统。(4.2)单选1 .在二次振荡环节中，当阻尼比七=1时，其阶跃响应C(t)为()(4.1)等幅振荡衰减振荡阻尼振荡单调上升2 .在二次振荡环

14、节中，当阻尼比巴=0时，其阶跃响应C(t)为()(4.1)等幅振荡衰减振荡增幅振荡单调上升3 .在二次振荡环节中，当阻尼比0自1时，其阶跃响应C(t)为()(4.1)等幅振荡阻尼振荡增幅振荡单调上升双选1.当系统增设比例环节后，下列说法正确的是()(4.2)系统的L(6)平移系统的L8)改变形状系统的邛俾)平移系统的叭0)不变系统的平(切)改变形状简答11 .求典型一阶系统G(s)=T的单位斜坡响应。(4.1)解:C(s)=11Ts1s21T.T22.,ssTs1c(t)=t-TTe"2 .分析图示直流电动机构成振荡环节的条件。(为便于表达，忽略Tl(s),并记JgQ2)(4.1)K

15、eKT解：G(s)=NUa(s)1(L)2_TaTmsTms1当Tm<4Ta时，巴<1,电动机为一振荡环节。3.试述引入对数幅频特性的原因，以及采用半对数坐标纸的好处。(4.2)解：引入对数幅频特性可以使串联环节的幅值相乘转化为对数幅频特性的相力口，这对图形处理、分析计算都会带来很大方便。画在半对数坐标纸上的Bode图不仅其L(O)渐近线均为直线，叠加方便，而且横轴所表示的频率范围将扩大很多，可以显示从低频到高频较宽频率范围的图形。计算(4.2)1,由实验测得某最小相位系统的幅频特性对数坐标图如图所示，求:(1) 系统的开环传递函数；(2) 计算系统的相位裕量；(3) 判断系统的稳

16、定性。札但)dB60-20dB/dec10rad/s解:1=0.5rad/sK=100-60dB/decGH(s)=100s(2s1)(0.2s1)c=6.3rad/sc-47；由于相位裕量小于零，系统不稳定。2,由实验测得某最小相位系统的幅频特性对数坐标图如图所示，求:(1) 系统的开环传递函数；(2) 计算系统的相位裕量；(3) 判断系统的稳定性。(4.2)604020解:札（dB-20dB/dec00.1-60dB/decK=100GH(s)=100s(2s1)(0.2s1)c=6.3rad/s二-47;由于相位裕量小于零，系统不稳定。第5章自动控制系统的性能分析填空1 .自动控制系统在

17、受到扰动作用使平衡状态破坏后，经过调节，能重新达到平衡状态的性能称为系统的稳定性。(5.1)2 .奈氏稳定判据根据系统开生幅相频率特性曲线判断闭环稳定性。(5.1)3 .如果系统在开环状态下是稳定的，闭环系统稳定的充要条件是：它的开环幅相频率特性曲线不包围(-1,j0)点。(5.1)4 .极坐标图上以原点为圆心的单位圆对应于对数坐标图上的0dB_线。(5.1)5 .极坐标图上的负实轴对应于对数坐标图上的邛®)=-180线。(5.1)6 .若系统开环是稳定的，则闭环系统稳定的充要条件是：当L)线过0dB线时，侬c)在-兀线上方。(5.1)7 .对数频率判据实质上是奈氏稳定判据在对数坐标

18、图上的表示形式。(5.1)8 .系统的稳定裕量表示系统相对稳定的程度。(5.1)9 .系统的稳定裕量通常用相位稳定裕量和增益稳定裕量来表示。(5.1)10 .在设计自动控制系统时，要使0c附近L(®)的斜率为-20dB/dec。(5.1)11 .延迟环节将使系统的稳定性明显变差。(5.1)12 .自动控制系统的输出量一般包含两个分量，一个是稳态分量，另一个是暂态分量。(5.2)13 .自动控制系统的输出量一般包含两个分量，其中暂态分量反映了控制系统的动态性能。(5.2)14.自动控制系统的输出量一般包含两个分量，其中稳态分量反映了控制系统的稳态性能。(5.2)15 .系统的稳态误差由

19、跟随误差和扰动误差两部分组成。它们不仅和系统的结构、参数有关，而且还和作用量的大小、变化规律和作用点有关。(5.2)16 .系统的稳态误差主要取决于系统中的比例和积分环节。(5.2)17 .以开环频率特性分析闭环系统动、稳态性能的条件是系统必须为单位负反馈系统。(5.2)18 .惯性环节的时间常数?愈大，对系统的快谏性和稳定性都是不禾1J的。(5.3)19 .系统的开环对数幅频特性的中频段，表征着系统的动态性能。(5.3)20 .系统的开环对数幅频特性的低频段，表征着系统的稳态性能。(5.3)21.系统微分方程的特征方程的根(在复平面左侧)离虚轴愈远，则系统的相对稳定性愈妊。(5.1)单选1

20、.系统的相对稳定性是指()(5.1)系统是否稳定系统稳定或不(5.1)系统稳定的充要条件系统稳定的程度稳定的条件2 .对自动控制系统，一般要求相位裕量尸之()fri，r10、20、30"50"双选1.系统稳定的充要条件是系统微分方程的特征方程的所有的根()(5.1)都必须具有负实部不能在虚轴上2. 对于I型系统，下列说法正确的是能无静差地跟随斜坡信号能无静差地跟随阶跃信号不能跟踪加速度信号3. 对于n型系统，下列说法正确的是能无静差地跟随阶跃信号能无静差地跟随加速度信号不能跟踪加速度信号4. 系统开环对数幅频特性穿越0dB线的频率穿越0dB线的斜率()(5.2)能跟踪加速度

21、信号能有静差地跟随阶跃信号()(5.2)能无静差地跟随斜坡信号能有静差地跟随斜坡信号L(co)中能够反映系统稳态性能的是L(。)()(5.2)低频段的斜率中频段的宽度在切=1rad/s处的高度5 .某单位负反馈系统的开环传递函数为(5.(3)调整时间增大阻尼比增大相对稳定性变差超调量减小6 .某单位负反馈系统的开环传递函数为(5.(3)快速性改善上升时间增大稳定性变差超调量减小7 .反映系统快速性的量有()(5.3)最大超调量穿越频率0c振荡次数N调整时间ts8 .反映系统稳定性的量有()(5.3)最大超调量穿越频率6cc调整时间ts峰值时间简答1.下图为一典型二阶系统框图，试利用影响。(5.

22、1)G(s)=一K一，若T增大，则系统的()s(Ts1)快速性改善KG(s)=一K一，若K增大，则系统的()s(Ts1)阻尼比增大相位裕量振荡次数NBode图分析改变增益K对系统稳定性的都必须是负根都在复平面的左侧都必须小于零解:当增益增大时，其穿越频率0c增加，但相位裕量¥减少，系统的稳定性变差。2,下图为一典型n型系统框图，试问系统稳定的条件是什么？分析改变工对系统稳定性的影响。利用Bode图分析改变增益K对系统稳定性白影响。(5.1)解:系统稳定条件：T1T，加大Ti将使¥增加，系统稳定性改善。当增益K过大或过小时，L（co）穿越零分贝线的斜率都会由20db/dec变

23、为-40dB/dec系统的相位裕量变小，系统稳定性变差。3 .系统的稳态误差由跟随稳态误差和扰动稳态误差两部分组成，它们分别与哪些因素有关？解：a）跟随稳态误差®sr与前向通路积分个数v和开环增益K有关。若v愈多，K愈大，则跟随稳态精度愈高（对跟随信号，系统为v型系统）。b）扰动稳态误差essd与扰动量作用点前的前向通路的积分个数和增益Ki有关，若必愈多，Ki愈大，则对该扰动信号的稳态精度愈高（对该扰动信号，系统为v1型系统）。4 .简述在自动调速系统中如何减小稳态误差？如何实现无静差？（5.2）解：要使自动调速系统实现无静差，则在扰动量作用点前的前向通路中应含有积分环节；要减小稳态

24、误差，则应使作用点前的前向通路中增益父1适当大一些。第6章自动控制系统的校正填空1,根据校正装置在系统中所处地位的不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈补偿。(6.1)2 .无源校正装置输入阻抗诬，输出阻抗又较自。(6.1)3 .有源校正装置输入阻抗直，输出阻抗低。(6.1)4 .比例微分校正将使系统的稳定性和快速性改善。(6.2)5 .比例积分校正将使系统的稳态性能得到明显的改善。(6.2)6 .比例积分微分校正兼顾了系统稳态性能和动态性能的改善。(6.2)7 .在反馈校正中，根据是否经过微分环节可分为软反馈与硬反馈。(6.3)8 .在顺馈补偿中，根据补偿采样源的不同可分为给定顺馈补偿和扰动

25、顺馈补偿。(6.4)9,顺馈补偿和反馈控制结合起来的控制方式称为复合控制。(6.4)10.含有扰动顺馈补偿的复合控制具有显著减小扰动误差的优点。(6.4)简答1 .简述PD、PI、PID串联校正的优缺点。比例-微分(PD)串联校正，使中、高频段相位的滞后减少，减小了系统惯性带来的消极作用，提高了系统的相对稳定性和快速性。但削弱了系统的抗高频干扰的能力。PD校正对系统稳态性能影响不大。比例-积分(PI)串联校正，可提高系统的无静差度，从而改善了系统的稳态性能；但系统的相对稳定性变差。比例-积分-微分(PID)串联校正，既可改善系统稳态性能，又能改善系统的相对稳定性和快速性，兼顾了稳态精度和稳定性

26、的改善，因此在要求较高的系统中获得广泛的应用。计算1,下图为一随动系统框图，图中G1(s)为随动系统的固有部分，Gc(s)为PD校正装置。利用Bode图分析校正前后系统的性能变化情况(包括稳态性能、动态性能、以及高频抗干扰能力)(6.2)解:校正前：穿越频率c=5.7rad/s=13.2rad/s相位裕量=12.3校正后：G(s)=G/s)Gi(s)=35s(0.01s1)穿越频率-c=35rad/sc相位裕量=70.7结论：相位裕量了提高（由12.3度提高到70.7度），系统的稳定性显著改善。使穿越频率6c提高（由13.2rad/s提高到35rad/s）,从而改善了系统的快速性。比例微分调节

27、器使系统的高频增益增大，而很多干扰信号都是高频信号，因此比例微分校正容易引入高频干扰，这是它的缺点。比例微分校正对系统的稳态误差不产生直接的影响。综上所述，比例微分校正将使系统的稳定性和快速性改善，但抗高频干扰能力明显下降。2.下图为一调速系统框图，图中G(s)为调速系统的固有部分,Gc(s)为pi校正装置。利。(晒i校正前R(s)C(s)PI校正Gc(s)D(s)系统固有部分G(s)穿越频率c=9.7rad/sc动态性能、以及高频抗干3t2.3dB-40校正后(m)27.8阳(mds)(包括稳态性能、校正后(11)=1+11(rad/s)(I)的有用Bode图分析校正前后系统的性能变化情况扰

28、能力)(6.2)PK1D3.2(0.33s1)(0.036s1)1.3(0.33s1)0.33s相位裕量=88校正后：G(s)=Gc(s)Gi(s)=12.6s(0.036s1)穿越频率c=12.6rad/sc相位裕量二65；结论： 在低频段，系统的稳态误差将显著减小，从而改善了系统的稳态性能。 在中频段，相位稳定裕量减小，系统的超调量将增加，降低了系统的稳定性。在高频段，校正前后的影响不大。综上所述，比例积分校正将使系统的稳态性能得到明显的改善，但使系统的稳定性变差。3,下图为具有位置负反馈和转速负反馈的随动系统的系统框图，试分析增设转速负反馈对系统性能（最大超调量、峰值时间、调整时间）的影

29、响。（6.3）解：若系统未设转速负反馈环节，系统的开环传递函数为:G(s)=20s(0.2s1)冗tp=0.32sp"dts=1.6s(、.=2%),ts='n=1.2s(、.=5%)增设转速负反馈环节后，系统的开环传递函数为:G(s)=203Q2s(丁1)立二0.75n=10rad/s二二3%,tp=0.47sts=0.53s(、=2%),ts=0.4s(、=5%)结论：增设转速负反馈环节后，将使系统的位置超调量b显著下降，调整时间ts也明显减小，系统的动态性能得到了显著的改善。4.设系统如图所示，试求：(6.3)(1) 当a=0,K=8时，求最大超调量灯，峰值时间tp和调

30、整时间ts(6=2%)(2) 当K=8二=0.7时，确定参数a值，并求最大超调量仃，峰值时间tp和调整时间pts('=2%)解：当a=0,K=8时，开环传递函数为G(s)=s(0.5s1)=-=0.3542.0.54一一2c-=e1-=30.5%tp=1.19s'dts=4sK=8,:=0.7时，开环传递函数为c小8(8a2)G(s)=1s(s1)8a2n=8rad/s=2.828rad/s=1=0.7=2、8aI8a82a=0.245c-=4.6%tp=1.55spts=2.02s第7章直流调速系统填空1 .PWM型直流调压供电线路主要由锯齿波（或三角波）发生器、比较器和BJ

31、T供电电路三个部分组成。（7.4）2 .在调速系统中，可逆供电电路主要应用于需要正、反两个方向运转的调速系统或虽单向运行，但要求实现回馈制动的调速系统。（7.4）单选1.在直流调速系统中，采用电流截止负反馈环节的目的是（）（7.1）保持电流恒定限制电流上升率过大限制最大电流使机械特性变硬双选1 .当电动机转速由于负载转矩增加而下降时，具有比例调节器的转速负反馈直流调速系统将同时存在着两个调节过程，即（）（7.1）电动机内部的自动调节过程转速负反馈环节的自动调节过程消除转速偏差限制起（制）动最大电流实现无静差调速2 .在双闭环直流调速系统中，电流调节器的调节作用是（）（7.3）自动限制最高转速自

32、动限制最大电流保持转速恒定有效抑制电网电压波动消除静差3 .在双闭环直流调速系统中，速度调节器的主要作用是（）（7.3）保持转速稳定限制最高转速抑制最大电流消除转速静差抑制电网电压波动的影响简答1 .简述具有转速负反馈的直流调速系统的自动调节过程。（7.1）解：电动机内部门朝调H过程转速鱼反馈环节的自动调节作用2 .为什么要采用速度和电流双闭环直流调速系统。（7.3）解：3 .在BJT可逆供电电路中通常采用T形和H形两种电路，简述这两种电路的优缺点。（7.4）解：1）T形电路的优点是开关元件少、线路简单，电动机一端可接地，便于引出反馈信号。缺点是需要正、负两个极性电源，BJT元件要承受两倍电源电压。2）H形电路虽然元件多些，电枢两端浮地；但元件耐压要求低，且只需单极性电源，所以实际中应用较多。4 .简述BJT-PWM直流调压电路的组成及控制思路。（7