机械工程类自动控制系统复习题

机械工程类自动控制系统复习题姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.自动控制系统的基本组成包括：

（1）传感器

（2）执行器

（3）控制器

（4）被控对象

（5）反馈元件

答案：全部正确。

解题思路：自动控制系统的基本组成包括传感器、执行器、控制器、被控对象和反馈元件，它们共同构成了一个闭环控制系统。

2.自动控制系统的稳定性分析方法包括：

（1）劳斯赫尔维茨稳定判据

（2）奈奎斯特稳定判据

（3）李雅普诺夫稳定判据

（4）波德稳定判据

（5）根轨迹法

答案：全部正确。

解题思路：自动控制系统的稳定性分析方法有劳斯赫尔维茨稳定判据、奈奎斯特稳定判据、李雅普诺夫稳定判据、波德稳定判据和根轨迹法，这些方法都可以用来判断系统的稳定性。

3.以下哪项不属于比例积分微分（PID）控制器的作用？

（1）提高系统的稳定性

（2）改善系统的动态功能

（3）增加系统的稳态误差

（4）提高系统的响应速度

（5）减小系统的超调量

答案：（3）增加系统的稳态误差

解题思路：比例积分微分（PID）控制器的作用包括提高系统的稳定性、改善系统的动态功能、提高系统的响应速度和减小系统的超调量，而不会增加系统的稳态误差。

4.以下哪种方法可以用于减小自动控制系统的稳态误差？

（1）增加系统的惯性

（2）增加系统的阻尼比

（3）采用比例积分控制器

（4）增加系统的增益

（5）减小系统的负载

答案：（3）采用比例积分控制器

解题思路：采用比例积分控制器可以减小自动控制系统的稳态误差，因为积分控制能够消除稳态误差。

5.自动控制系统的传递函数可以表示为：

（1）系统输入与输出的关系

（2）系统输入与输出的差

（3）系统输出与输入的比

（4）系统输出与输入的乘积

（5）系统输出与输入的导数

答案：（3）系统输出与输入的比

解题思路：自动控制系统的传递函数表示了系统输出与输入的比，它是系统内部参数和外部输入信号之间的关系。

6.以下哪项不属于自动控制系统的功能指标？

（1）稳定性

（2）快速性

（3）准确性

（4）可靠性

（5）经济性

答案：（5）经济性

解题思路：自动控制系统的功能指标包括稳定性、快速性、准确性和可靠性，而经济性并不是自动控制系统的功能指标。

7.以下哪种控制器可以实现系统的无静差调节？

（1）比例控制器

（2）积分控制器

（3）比例积分控制器

（4）比例微分控制器

（5）比例积分微分控制器

答案：（2）积分控制器

解题思路：积分控制器可以实现系统的无静差调节，因为它可以消除稳态误差。其他控制器不能完全消除稳态误差。二、填空题1.自动控制系统主要由______、______、______和______组成。

控制对象

控制器

传感器

执行器

2.自动控制系统的功能指标主要包括______、______、______和______。

稳定性

精度

响应速度

能量消耗

3.自动控制系统的稳定性分析方法包括______、______、______、______和______。

稳态分析

动态分析

频率响应分析

稳态误差分析

稳态增益分析

4.自动控制系统的稳态误差可以用______表示。

误差传递函数

5.自动控制系统的快速性可以用______表示。

超调量

答案及解题思路：

答案：

1.控制对象、控制器、传感器、执行器

2.稳定性、精度、响应速度、能量消耗

3.稳态分析、动态分析、频率响应分析、稳态误差分析、稳态增益分析

4.误差传递函数

5.超调量

解题思路：

1.自动控制系统的基本组成部分包括控制对象（被控对象）、控制器（调节器）、传感器（反馈元件）和执行器（驱动元件），这些是构成一个完整自动控制系统的基本元素。

2.自动控制系统的功能指标涵盖了系统的稳定性、精度（即控制精度）、响应速度（即系统的动态响应能力）和能量消耗（即系统的能源效率）。

3.稳定性分析是评估系统是否能够在各种扰动下保持稳定运行的方法，包括稳态分析、动态分析、频率响应分析等，这些方法可以帮助工程师理解系统的动态行为。

4.稳态误差是指系统在达到稳态时，输出与期望值之间的偏差，通常用误差传递函数来表示，该函数描述了系统输入与输出之间的关系。

5.快速性通常用超调量来衡量，超调量是指系统响应达到最终稳态值之前，超过稳态值的最大百分比，它反映了系统响应的快速性和稳定性。三、判断题1.自动控制系统可以完全消除被控对象的非线性影响。（×）

解题思路：自动控制系统可以通过适当的控制器设计来减轻非线性影响，但无法完全消除。非线性系统通常会导致系统功能的不稳定性和难以预测的行为。

2.自动控制系统的稳态误差与系统的负载无关。（×）

解题思路：稳态误差是指系统达到稳态后输出与期望值的偏差。系统的负载变化会影响系统的稳态误差，因为负载的变化可能改变系统的动态特性和负载点。

3.自动控制系统的稳定性与系统的结构无关。（×）

解题思路：系统的稳定性主要由其结构决定，包括系统的传递函数、极点位置等。结构的不同会导致系统的稳定性特性显著不同。

4.自动控制系统的快速性与系统的稳态误差成正比。（×）

解题思路：快速性是指系统响应的速度，而稳态误差是系统达到稳态后的误差。这两者没有直接的正比关系。快速系统可能仍然有较大的稳态误差，反之亦然。

5.自动控制系统的功能指标包括稳定性、快速性、准确性和可靠性。（√）

解题思路：自动控制系统的功能确实包括稳定性、快速性、准确性和可靠性等关键指标。这些指标共同决定了系统的整体功能和适用性。四、简答题1.简述自动控制系统的基本组成。

答案：

自动控制系统的基本组成包括以下几部分：

控制对象：被控对象，如机械臂、等。

控制器：根据控制策略对控制对象进行控制的装置，如PID控制器、模糊控制器等。

执行机构：将控制器的输出信号转换为控制对象所需的作用力或运动，如电机、液压缸等。

传感器：检测控制对象的当前状态，并将信息反馈给控制器，如速度传感器、位移传感器等。

信号传输元件：连接各个组成部分，传递信号，如电缆、无线通信设备等。

解题思路：

列出自动控制系统中的主要组成部分。

简述每个组成部分的功能和作用。

2.简述自动控制系统的功能指标。

答案：

自动控制系统的功能指标主要包括：

稳定性：系统在受到扰动后，能否回到稳态的能力。

响应速度：系统对输入信号的响应时间。

精度：系统输出与期望输出之间的误差。

鲁棒性：系统在参数变化或外部干扰下保持功能的能力。

动态范围：系统能够处理的输入信号范围。

解题思路：

列出自动控制系统功能的主要指标。

简述每个指标的定义和意义。

3.简述自动控制系统的稳定性分析方法。

答案：

自动控制系统的稳定性分析方法主要包括：

稳态分析法：通过分析系统的传递函数或零点、极点来评估系统的稳定性。

动态分析法：通过分析系统的阶跃响应或脉冲响应来评估系统的稳定性。

绝对稳定性分析法：使用Bode图、Nyquist图等图形方法来评估系统的稳定性。

相对稳定性分析法：通过计算系统闭环极点的实部来评估系统的稳定性。

解题思路：

列出自动控制系统稳定性分析的主要方法。

简述每种方法的基本原理和应用。

4.简述自动控制系统的稳态误差。

答案：

自动控制系统的稳态误差是指系统在稳定状态下，实际输出与期望输出之间的偏差。稳态误差可以分为以下几种：

设定值误差：系统在稳态时，输出与设定值之间的误差。

阻尼误差：系统在稳态时，由于阻尼作用而产生的误差。

负载误差：系统在稳态时，由于负载变化而产生的误差。

解题思路：

定义稳态误差的概念。

列出稳态误差的几种类型及其定义。五、计算题1.设自动控制系统的传递函数为G(s)=10/(s^22s10)，求系统的稳定域。

答案：

稳定域为s平面中所有使G(s)的极点位于左半平面的区域。

解题思路：

根据传递函数G(s)=10/(s^22s10)，求出极点，即解方程s^22s10=0。利用求根公式，得到极点为s1=13i,s2=13i。由于极点均位于s平面的左半平面，因此系统的稳定域为s平面中所有使G(s)的极点位于左半平面的区域。

2.设自动控制系统的传递函数为G(s)=10/(s^22s10)，求系统的稳态误差。

答案：

稳态误差为0。

解题思路：

稳态误差可以通过终值定理求得。由于G(s)的分子为常数10，分母为s^22s10，系统的稳态误差为0。

3.设自动控制系统的传递函数为G(s)=10/(s^22s10)，求系统的快速性指标。

答案：

系统的快速性指标为ωn=1rad/s。

解题思路：

快速性指标ωn可以通过求传递函数G(s)的极点得到。由于G(s)的极点为s1=13i,s2=13i，系统为二阶系统，因此ωn=1rad/s。

4.设自动控制系统的传递函数为G(s)=10/(s^22s10)，求系统的准确性指标。

答案：

系统的准确性指标为ζ=0.5。

解题思路：

准确性指标ζ可以通过求传递函数G(s)的极点得到。由于G(s)的极点为s1=13i,s2=13i，系统为二阶系统，因此ζ=0.5。

5.设自动控制系统的传递函数为G(s)=10/(s^22s10)，求系统的可靠性指标。

答案：

系统的可靠性指标为R=1。

解题思路：

可靠性指标R可以通过求传递函数G(s)的极点得到。由于G(s)的极点为s1=13i,s2=13i，系统为二阶系统，因此R=1。六、论述题1.论述自动控制系统的稳定性分析方法及其应用。

稳定性分析是自动控制系统设计中的重要环节，它关系到系统的安全性和可靠性。对自动控制系统稳定性分析方法及其应用的详细论述：

a.稳定性分析方法

稳态稳定性分析：通过系统的传递函数，使用劳斯胡尔维茨稳定判据或奈奎斯特稳定判据等理论方法，判断系统在稳定状态下的稳定性。

动态稳定性分析：通过系统的时间响应特性，分析系统在受到扰动后的稳定性，常用方法包括时域分析、频域分析等。

b.应用

在控制系统设计阶段，保证系统满足稳定性要求，避免不稳定状态导致系统无法正常运行。

在系统调试过程中，对系统进行稳定性分析，找出并消除可能导致系统不稳定的因素。

在实际应用中，根据系统的工作环境和功能要求，对控制系统进行稳定性优化。

2.论述自动控制系统的功能指标及其对系统设计的影响。

自动控制系统的功能指标是衡量系统功能的重要标准，对系统设计有着重要影响。对自动控制系统功能指标及其对系统设计影响的详细论述：

a.功能指标

稳态误差：系统在稳定状态下，输出与期望输出之间的偏差。

响应速度：系统从输入变化到输出变化所需的时间。

超调量：系统在达到稳态值前，输出超调的最大幅度。

阻尼比：描述系统响应特性的参数，反映了系统在过渡过程中的稳定性。

b.对系统设计的影响

根据功能指标要求，设计系统结构、参数和控制器，以满足功能要求。

功能指标是选择控制器类型和参数的重要依据，如PID控制器、模糊控制器等。

功能指标影响系统的抗干扰能力和适应性，是系统设计中的重要考虑因素。

3.论述自动控制系统的稳态误差产生的原因及其解决方法。

自动控制系统的稳态误差是实际应用中常见的问题，对稳态误差产生的原因及其解决方法的详细论述：

a.稳态误差产生的原因

系统参数不匹配：控制器参数设置不合理，导致系统无法达到期望的稳态功能。

模型误差：系统模型与实际系统存在差异，导致稳态误差的产生。

输入信号变化：输入信号的不稳定或突变会导致稳态误差。

b.解决方法

优化系统参数：根据稳态误差的大小和产生原因，调整控制器参数，使系统达到期望的稳态功能。

改进系统模型：通过实验或仿真，获取更准确的系统模型，减小模型误差。

稳态滤波：对输入信号进行滤波处理，降低输入信号的不稳定性和突变性，减小稳态误差。

答案及解题思路：

1.稳定性分析方法：

解题思路：首先了解稳定性分析的基本理论，然后结合具体系统，应用劳斯胡尔维茨稳定判据或奈奎斯特稳定判据等理论方法，分析系统的稳定性。

2.功能指标及其对系统设计的影响：

解题思路：明确自动控制系统的功能指标，分析这些指标对系统设计的影响，以及如何根据指标要求设计系统结构、参数和控制器。

3.稳态误差产生的原因及其解决方法：

解题思路：了解稳态误差产生的原因，如系统参数不匹配、模型误差、输入信号变化等，然后针对原因提出相应的解决方法，如优化系统参数、改进系统模型、稳态滤波等。七、实验题1.实验名称：自动控制系统稳定性分析实验

2.实验目的：

验证自动控制系统的稳定性分析方法。

分析系统在不同参数变化下的稳定性。

3.实验原理：

使用根轨迹法分析自动控制系统的稳定性。

通过绘制根轨迹图，观察系统在参数变化时的极点分布，判断系统的稳定性。

4.实验步骤：

（1）搭建自动控制系统实验平台；

（2）设置系统参数；

（3）进行实验测量；

（4）分析实验数据；

（5）得出实验结论。

实验题库：

单选题：

1.根轨迹法中，当系统的增益K从0增加到无穷大时，根轨迹将向哪个方向移动？(A)内部；B)外部；C)不变；D)交错。

2.根轨迹法中，闭环系统稳定的条件是什么？(A)所有极点位于s平面的左半部；B)所有极点位于s平面的右半部；C)所有极点位于s平面的实轴上；D)所有极点位于s平面的虚轴上。

简答题：

1.简述根轨迹法的基本原理。

2.如何通过根轨迹图判断系统的稳定性？

计算题：

1.给定一个二阶系统的传递函数G(s)=K/(s^22s2)，求K的值范围，使得系统的根轨迹全部位于s平面的左半部。

5.实验名称：自动控制系统稳态误差实验

6.实验目的：

验证自动控制系统的稳态误差。

分析系统在不同负载下的稳态功能。

7.实验原理：

通过测量系统在不同负载下的输出，计算稳态误差。

稳态误差是系统在稳态时输出与期望输出之间的偏差。

8.实验步骤：

（1）搭建自动控制系统实验平台；

（2）设置系统参数；

（3）进行实验测量；

（4）分析实验数据；

（5）得出实验结论。

实验题库：

单选题：

1.稳态误差ess定义为系统在稳态时输出与期望输出之间的什么？(A)差