自动控制原理习题试卷

1、一、简述题（共 10 分，2 小题）1、 （5 分）影响系统稳态误差的有哪些？如何减小系统的稳态误差。答：影响系统稳态误差的有系统的类型、开环增益和输入信号。(1)增大开环增益可以减小稳态误差 (2)提高系统的型别可以减小稳态误差2、（5 分）按照校正装置和系统不可变部分的连接方式，通常可分为哪三种基本校正方式，其中哪种校正方式可以抑制系统的参数波动及非线性对系统性能的影响。答：分为串联、反馈、前馈。其中反馈校正可以抑制系统的参数波动及非线性影响。二、 （共 20 分）求图 1 所示电路以ur为输入、为uc输出的传递函数。对系统的图 1 题二电路图 ur(s) uc(s)解：=T(s) = (

2、R0C0s+1)(R1C1s+1)R0/ 1 R1+ 1 R0C1ssC0sC1三、（共 20 分）已知控制系统结构图如图2 所示，其中W1(s)的脉冲响应为10 10et。试分析内反馈s的存在对系统稳定性以及系统稳态误差的影响。图 2 题三系统结构图10解：由题意得：W1(s) =s(s+1)当s不存在时，其开环传递函数为：Wk1(s) = s+1 10= 10ss(s+1)s2闭环系统特征方程为：s2 + 10 = 0。解得s = 10j，所以可知系统临界稳定。稳态误差：闭环特征根是一对虚根，响应有等幅震荡的正弦分量，不能用终值定理求解稳态误差。s21E(s) R(s) R(s)1W (s

3、)s2 10K11s阶跃输入： R(s) ， E(s) s，s2 10e(t) cos 10t ， ess cos 10t11斜坡输入： R(s) ， E(s) ，s2 10s211e(t) sin 10t ， e sin 10tss1010111s加速度输入 ： R(s) ， E(s) ，s(s2 10)10s10(s2 10)s311e(t) cos 10t ， 0.1 0.1cos 10tess1010当s存在时，其开环传递函数为：Wk2(s) = s+1 1010(s+1)=ss2+(10+1)ss2(s+10+1)其闭环特征方程：s3 + 10s2 + s2 + 10s + 10 =

4、 0,当 0时，系统稳定。1= 10+1，可知随着的增加，稳态误差会变大。稳态误差ess = lims0 s2 2 10(s+1)10s (s+10+1)综上所述，前后对比可知，系统稳定但稳态误差增大了。四、 （共 20 分，2 小题）已知控制系统结构图如图 3 所示。1、 （10 分）试绘制系统的根轨迹，并确定使闭环系统稳定的 K 取值范围。2、 （10 分）若已知闭环系统的一个极点为-1，试确定该系统的闭环传递函数。图 3 题四系统结构图5K(s1)解：1、Wk(s) = K(s1) =5(s+2)2 s+5(s+2)2(s+5)系统极点：-2，-2，-5；零点：1；n-m=2渐近线交点：

5、k = 2+2+5+1 = 5，夹角 = 180(1+2n) = 902分离点与会合点：D(s) N(s) N(s) D(s) = 02 (s + 2)2(s + 5) (s 1)2(s + 2)(s + 5) + (s + 2)2 = 0(s + 2)(s + 2)(s + 5) (s 1)(2s + 10 + s + 2) = 01 = 2，为两个开环极点2 + 11 = 0 = 11+44 = 16.7，2 = 2.85(舍去)，3 = 3.85分离点22由图可知s = 0j时，闭环系统临界稳定，将其代入闭环特征方程 (s + 2)2(s + 5) + 5K(s 1) = 0,得 K=4

6、。所以，0 0、 0，试用奈判据判断闭环系统稳定时 K 和应满足的条件。22 2K(j+1)2K+jK(1 )解：W (j) =k(j)33所以，P() = 2K ，Q() = K(122)，33 = 0 时，P() = , Q() = , () = 270 = 时，P() = 0, Q() = 0, () = 90系统的频率特性曲线在=0 到 0+会有一次负穿越，若系统稳定，还需要有一次正穿越令Q() = 0得2 = 1 ，即 = 12将其代入P（）P() = 2K31所以，2K3 2310六、 （共 20 分，2 小题）已知控制系统的开环传递函数为:Wk(s) =s(0.5s+1)(0.1

7、s+1)1、（10 分）绘制系统，并求相位；（10 分）如采用传递函数为Wc(s) = 0.37s+1 的串联超前校正装置，试绘制校正后系统2、0.049s+1，并求此时的相位，同时校正后系统的性能有何改进。的10解：1、W (s) =，截止频率 20 = 4.47k1cs(s+1)( s +1)210() = 90 arc tan 0.5 arc tan 0.1 r1(c) = 180 + (c) = 180 180 = 010(0.37s+1)2、W (s) = W (s) W (s) =kk1cs(s+1)( s +1)(0.049s+1)210则100.37c = 1， c 7.4cc

8、2校正后：() = 90 + arc tan 0.37 arc tan 0.5 arc tan 0.1 arc tan 0.49 r(c) = 180 + (c) = 28.6系统性能的改进：系统的相位加快，同时稳态误差基本不变增大，频带增加，是系统更加稳定了，并且系统响应时间七、 （共 20 分）已知控制系统结构图如图 4 所示。为使系统不产生自振，试利用描述函数法确定 M 和 h 应满足的关系式。继电器特性描述函数：N(A) = 4M 1 (1 h)2 ，A h。AA图 4 题七系统结构图3解：G(s) =，s(0.8s+1)(s+1)由相角关系与虚轴相交频率90 arctan0.8 ar

9、ctan = 180所以，arctan0.8 + arctan = 90，得 = 52将 代入 G(s)，|G(j)| = 43d( 1 )1又取得最大值时，有N(A) = 0，得A = 2hN(A)dA将其代入 1 ， hN(A)2M为使系统不产生自振，须有 h 82M3M3八、 （共 20 分）已知系统结构图如图 5 所示，采样周期T = 1s。试求闭环系统脉冲传递函数，并判断闭环系统的稳定性。图 5 题八系统结构图1eTs K (1z1)Z K s2(s+1)ss(s+1)解：W (Z) =k11+Z1eTs(s+1)1+(1z1)Z K KS2ss(s+1)1(1 1)2 1 + 11

10、1 1 (1 1)21(1 )+=2 + 1 =1 11 111(1 1)21 1 + 11 + (1 1)Kz1(0.368 + 0.264Zz1)= (1 0.368z1)1 + (K 1)z1Kz1(0.368+0.264z1)所以，W (Z) = Z 1 W (Z) =kk1(1z1)(10.368z1)1+(K1)z1sKz1(0.368+0.264z1)(Z) = Wk(Z) =则WB1+Wk(Z)(1z1)(10.368z1)1+(K1)z1+Kz1(0.368+0.264z1)闭环特征方程为(1 z1)(1 0.368z1)1 + (K 1)z1 + Kz1(0.368 + 0.264z1) = 0 z3 + (1.368K 2.36