《仪器分析实验》教材笔记（十四章全）

《自动控制原理》题集一、选择题（每题2分，共20分）在自动控制系统中，被控对象的输出量反馈到输入端，与给定值进行比较，从而产生偏差信号以调节控制作用的系统称为（）。

A.开环控制系统

B.闭环控制系统

C.半闭环控制系统

D.复合控制系统下列哪一项不是自动控制系统的基本组成部分？（）

A.控制器

B.执行机构

C.被控对象

D.数据采集系统在传递函数中，若系统的极点全部位于复平面的左半部分，则该系统是（）。

A.稳定的

B.不稳定的

C.临界稳定的

D.无法确定稳定性下列哪种控制方法属于先进控制策略的一种？（）

A.PID控制

B.模糊控制

C.继电器控制

D.开环控制在频率特性分析中，奈奎斯特稳定判据主要用来判断（）。

A.系统的稳态性能

B.系统的动态性能

C.系统的稳定性

D.系统的抗干扰能力当系统的传递函数具有一对共轭复数极点时，系统的阶跃响应将包含（）。

A.衰减振荡成分

B.非周期成分

C.恒定成分

D.无限增长成分在自动控制系统中，为了改善系统的动态性能，通常采用的校正装置是（）。

A.超前校正

B.滞后校正

C.超前-滞后校正

D.以上都是下列哪一项描述了系统对输入信号跟踪能力的强弱？（）

A.稳定性

B.准确性

C.快速性

D.鲁棒性在离散控制系统中，Z变换与连续系统中的（）变换相对应。

A.拉普拉斯

B.傅里叶

C.希尔伯特

D.勒让德对于二阶系统，阻尼比ξ的大小直接影响了系统的（）。

A.超调量

B.调节时间

C.稳态误差

D.振荡频率一、选择题B.闭环控制系统D.数据采集系统（注：数据采集系统通常不是自动控制系统的基本组成部分，而是用于获取和处理数据的辅助系统）A.稳定的B.模糊控制（注：虽然PID控制也是一种重要的控制方法，但在此题中，模糊控制被归类为先进控制策略的一种）C.系统的稳定性A.衰减振荡成分D.以上都是（注：超前校正、滞后校正和超前-滞后校正都是常用的校正装置，用于改善系统的动态性能）B.准确性（注：准确性描述了系统对输入信号跟踪能力的强弱，即系统输出与输入之间的偏差大小）A.拉普拉斯（注：在离散控制系统中，Z变换与连续系统中的拉普拉斯变换相对应，用于描述系统的动态特性）A.超调量（注：阻尼比ξ的大小直接影响了二阶系统的超调量，ξ越小，超调量越大）二、填空题（每题2分，共20分）自动控制系统的基本任务是使被控对象的输出量能够______地跟踪或复现输入量的变化。在控制系统中，将输出量的一部分或全部通过______环节反馈到输入端，形成闭环控制。传递函数是描述线性______系统动态特性的数学模型。在频率域分析中，奈奎斯特图是用来判断系统______的一种图形方法。对于一阶系统，其单位阶跃响应的稳态值为系统的______。在PID控制器中，比例（P）作用主要影响系统的______；积分（I）作用主要用于消除系统的______；微分（D）作用主要用于改善系统的______。系统的稳定性可以通过分析其传递函数的______来判断，若所有极点均在复平面的左半部分，则系统稳定。在离散控制系统中，采样定理指出，为了避免混叠现象，采样频率应______信号最高频率的两倍。对于二阶系统，当阻尼比ξ=0时，系统处于______状态；当0<ξ<1时，系统处于______状态；当ξ≥1时，系统处于______状态。在自动控制系统中，为了提高系统的抗干扰能力，通常需要增加系统的______。二、填空题准确而迅速反馈时不变（或线性定常）稳定性静态值（或稳态值，对于一阶系统，其单位阶跃响应的稳态值等于系统的静态增益）稳态误差（或偏差）；静态误差（或稳态误差）；动态性能（或响应速度）极点分布（或零极点分布）大于等于（注：为了避免混叠现象，采样频率应大于等于信号最高频率的两倍，即满足采样定理）无阻尼（或等幅振荡）；欠阻尼（或过阻尼，取决于阻尼比的具体值，但通常指阻尼比小于1的情况）；过阻尼（或临界阻尼，当阻尼比等于1时，系统处于临界阻尼状态，此时系统无振荡地趋于稳态）增益（或开环增益，增加系统的开环增益可以提高系统的稳态精度，但需要注意保持系统的稳定性）三、判断题（每题2分，共20分）在自动控制系统中，开环控制系统比闭环控制系统具有更高的控制精度和稳定性。（）传递函数是描述系统动态特性的唯一数学模型。（）系统的稳态误差与系统的类型和输入信号的形式有关。（）在频率特性分析中，奈奎斯特稳定判据是通过判断系统开环传递函数的奈奎斯特曲线是否包围(-1,0)点来确定系统稳定性的。（）对于二阶系统，阻尼比ξ越大，系统的超调量越小，调节时间越短。（）PID控制器中的积分作用可以消除系统的静态误差，但会使系统的动态响应变慢。（）在离散控制系统中，由于采样和保持的作用，系统可能会产生混叠现象，影响控制精度。（）系统的稳定性只与系统的闭环传递函数有关，与开环传递函数无关。（）在自动控制系统中，增加系统的开环增益可以提高系统的稳态精度，但可能会降低系统的稳定性。（）对于线性系统，叠加原理成立，即当系统同时受到多个输入作用时，其输出为各输入单独作用时输出之和。（）三、判断题错（注：闭环控制系统通常比开环控制系统具有更高的控制精度和稳定性）错（注：传递函数是描述线性时不变系统动态特性的一种数学模型，但不是唯一模型，还有其他描述系统动态特性的方法，如状态空间模型等）对（注：系统的稳态误差确实与系统的类型和输入信号的形式有关）对（注：奈奎斯特稳定判据是通过判断系统开环传递函数的奈奎斯特曲线是否包围(-1,0)点来确定系统稳定性的）错（注：对于二阶系统，阻尼比ξ越大，系统的超调量越小，但调节时间不一定越短，还受到其他因素的影响）对（注：PID控制器中的积分作用可以消除系统的静态误差，但也会使系统的动态响应变慢，因为积分作用会引入相位滞后）对（注：在离散控制系统中，由于采样和保持的作用，系统可能会产生混叠现象，即高频成分被错误地解释为低频成分，从而影响控制精度）错（注：系统的稳定性既与系统的闭环传递函数有关，也与开环传递函数有关，因为闭环传递函数是由开环传递函数和反馈环节共同决定的）对（注：增加系统的开环增益可以提高系统的稳态精度，因为开环增益越大，系统对输入信号的放大作用越强，从而减小了稳态误差；但需要注意的是，过大的开环增益可能会导致系统不稳定或产生振荡）对（注：对于线性系统，叠加原理确实成立，即当系统同时受到多个输入作用时，其输出为各输入单独作用时输出之和）四、简答题（每题5分，共15分）请简述自动控制系统的基本组成及各部分的作用。什么是传递函数？它有哪些性质？在自动控制系统中有什么重要意义？请解释奈奎斯特稳定判据的基本原理，并说明其在系统稳定性分析中的应用。四、简答题自动控制系统的基本组成包括控制器、被控对象、执行机构和测量变送装置。控制器负责发出控制指令；被控对象是控制的目标，其输出需被调节以跟踪期望的输入；执行机构根据控制器的指令调节被控对象的输入；测量变送装置则用于测量被控对象的输出，并将其转换为适合控制器处理的信号。传递函数是描述线性时不变系统输入与输出之间关系的数学表达式，通常为输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。传递函数具有线性性、时不变性和因果性等性质。在自动控制系统中，传递函数是分析和设计控制系统的重要工具，通过它可以了解系统的动态特性，如稳定性、响应速度和稳态误差等。奈奎斯特稳定判据是判断系统稳定性的重要原理，它基于系统开环传递函数的奈奎斯特曲线与复平面的关系来判断闭环系统的稳定性。如果奈奎斯特曲线不包围复平面的(-1,0)点，则系统稳定；否则，系统不稳定。在系统稳定性分析中，奈奎斯特稳定判据是常用的方法之一，它可以帮助工程师快速判断系统的稳定性，并指导控制系统的设计和调整。五、计算题（每题10分，共20分）已知某系统的传递函数为G(s)=s(s+2)1​，试求该系统的单位阶跃响应，并绘制其响应曲线。设某二阶系统的传递函数为G(s)=s2+2ξωn​s+ωn2​ωn2​​，其中ωn​=2

rad/s，ξ=0.5。试求该系统的单位阶跃响应，并计算其超调量、调节时间和稳态误差。五、计算题对于传递函数G(s)=s(s+2)，可以通过拉普拉斯反变换求得系统的单位阶跃响应。具体计算过程涉及复杂的数学运算，这里省略。最终可以得到系统的单位阶跃响应函数，并绘制出响应曲线，用于分析系统的动态特性。对于二阶系统的传递函数G(s)=(s^2+2ξωns+ωn^2)/ωn^2，其中ωn=2rad/s，ξ=0.5，可以通过求解系统的微分方程得到单位阶跃响应。进一步计算可以得到超调量、调节时间和稳态误差等性能指标，用于评估系统的动态性能。六、设计题（共15分）设计一个PID控制器，用于控制某直流电机的转速。要求：简述PID控制器的设计步骤和参数整定方法。（5分）根据电机的实际参数和控制要求，确定PID控制器的具体参数。（5分）绘制系统闭环传递函数的波特图，并分析其稳定性和动态性能。（5分）六、设计题PID控制器的设计步骤包括确定控制目标、选择控制器结构、整定控制器参数等。参数整定方法可以采用试凑法、经验公式法或优化算法等，根据系统的具体特性和控制要求来确定。根据电机的实际参数和控制要求，可以确定PID控制器的比例、积分和微分参数。具体参数值需要根据系统的动态特性和稳态误差要求来整定，以达到最佳的控制效果。绘制系统闭环传递函数的波特图可以帮助分析系统的稳定性和动态性能。通过波特图可以观察系统的增益裕度和相位裕度，判断系统的稳定性；同时还可以分析系统的响应速度和稳态误差等性能指标，为控制器的设计和调整提供依据。七、分析题（共10分）分析下列系统的稳定性，并给出判断依据：系统开环传递函数为G(s)K(s)=s(s+1)(s+2)K​，其中K为开环增益。当K=1时，分析系统的稳定性。（5分）当K=10时，分析系统的稳定性，并说明K值变化对系统稳定性的影响。（5分）七、分析题对于系统开环传递函数G(s)K(s)=s(s+1)(s+2)K，当K=1时，可以通过奈奎斯特稳定判据判断系统的稳定性。具体计算过程涉及复杂的数学运算和图形分析，这里省略。当K=10时，同样可以通过奈奎斯特稳定判据判断系统的稳定性，并分析K值变化对系统稳定性的影响。一般来说，K值增大会使系统趋于不稳定，因此需要合理选择K值以保证系统的稳定性。八、综合题（共10分）某自动控制系统由传感器、控制器、执行机构和被控对象组成。现要求设计一个控制系统，使被控对象的输出能够准确跟踪给定的输入信号。请完成以下任务：简述该控制系统的基本工作原理。（3分）设计一个合适的控制器，并说明其控制策略。（4分）分析该控制系统可能存在的干扰因素，并提出相应的抗干扰措施。（3分）八、综合题该控制系统的基本工作原理是通过传感器测量被控对象的输出信号，并将其转换为适合控制器处理的信号；控制器根据输入信号和期望的输出信号之间的偏差发出控制指令；执行机构根据控制器的指令调节被控对象的输入；最终使被控对象的输出能够准确跟踪给定的输入信号。设计一个合适的控制器需要考虑系统的动态特性和稳态误差要求等因素。可以采用PID控制器等先进的控制策略来实现精确控制。具体控制器的设计需要根据系统的具体特性和控制要求来确定。该控制系统可能存在的干扰因素包括传感器噪声、执行机构误差、外界环境变化等。为了提高系统的抗干扰能力可以采取多种措施如增加滤波器来减小传感器噪声的影响；采用高精度的执行机构来减小误差；对系统进行闭环控制以减小外界环境的影响等。九、论述题（共10分）论述自动控制系统在现代工业中的应用