自動控制原理習(xí)題及答案

一、簡答題被控對象、被控量、干擾各是什么？答：對象：需進行控制的設(shè)備或裝置的工作進程。被控量：被控對此昂輸出需按控制要求變化的物理量。干擾：對生產(chǎn)過程產(chǎn)生擾動，使被控量偏離給定值的變量。按給定信號分類，控制系統(tǒng)可分為哪些類型？答：恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)。什么是系統(tǒng)的靜態(tài)？答：被控量不隨時間改變的平衡狀態(tài)。什么是系統(tǒng)的動態(tài)？答：被控量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。什么是系統(tǒng)的靜態(tài)特性？答：系統(tǒng)再平衡狀態(tài)下輸出信號與輸入信號的關(guān)系。什么是系統(tǒng)的動態(tài)特性？答：以時間為自變量，動態(tài)系統(tǒng)中各變量變化的大小、趨勢以及相互依賴的關(guān)系。控制系統(tǒng)分析中，常用的輸入信號有哪些？答：階躍、斜坡、拋物線、脈沖。（3次）傳遞函數(shù)是如何定義的？答：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下輸出響應(yīng)量的拉氏變換與輸入激勵量的拉氏變換之比。系統(tǒng)穩(wěn)定的基本條件是什么？答：系統(tǒng)的所有特征根必須具有負的實部的實部小于零。以過渡過程形式表示的質(zhì)量指標(biāo)有哪些？答：峰值時間tp、超調(diào)量δ%、衰減比nd、調(diào)節(jié)時間ts、穩(wěn)態(tài)誤差ess。簡述典型輸入信號的選用原因。答：①易于產(chǎn)生；②方便利用線性疊加原理；③形式簡單。什么是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型？答：系統(tǒng)的輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式。信號流圖中，支路、閉通路各是什么？答：支路：連接兩節(jié)點的定向線段，其中的箭頭表示信號的傳送方向。閉通路：通路的終點就是通路的起點，且與其他節(jié)點相交不多于一次。誤差性能指標(biāo)有哪些？答：IAE，ITAE，ISE，ITSE填空題反饋系統(tǒng)又稱偏差控制，起控制作用是通過給定值與反饋量的差值進行的。復(fù)合控制有兩種基本形式，即按參考輸入的前饋復(fù)合控制和按擾動輸入的前饋復(fù)合控制。某系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)為g(t)=10e-0.2t+5e-0.5t，則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)為。根軌跡起始于開環(huán)極點，終止于開環(huán)零點。設(shè)最小項為系統(tǒng)的相頻特性為?(ω)=tg-1(τω)-90°-tg-1(Tω)，則該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為。PI控制器的輸入-輸出關(guān)系的時域表達式是u(t)=Kp[e(t)+]，其相應(yīng)的傳遞函數(shù)為Gc(s)=1+，由于積分環(huán)節(jié)的引入，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PID控制器的輸入-輸出關(guān)系的時域表達式是u(t)=Kp[e(t)++τd]，其相應(yīng)的傳遞函數(shù)表達式是Gc(s)=1++τds。在水箱水溫控制系統(tǒng)中，受控對象為水箱，被控量為水溫。頻域性能指標(biāo)與時域性能指標(biāo)有著對應(yīng)關(guān)系，開環(huán)頻域性能指標(biāo)中的幅值穿越頻率ωc對應(yīng)時域性能指標(biāo)調(diào)節(jié)時間ts，它們反映了系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性。對自動控制系統(tǒng)的基本要求可以概括為三個方面：穩(wěn)定性、快速性和準確性，其中最基本要求是穩(wěn)定性。一階系統(tǒng)傳函標(biāo)準形式是G(s)=，二階系統(tǒng)傳函標(biāo)準形式是G(s)=。在經(jīng)典控制理論中，可采用勞斯判據(jù)、根軌跡法或奈奎斯特判據(jù)等方法判斷線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，與外作用及初始條件無關(guān)。線性系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性，縱坐標(biāo)取值為20lgA(ω)，橫坐標(biāo)為lgω。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)中，Z=N+P，其中P是指右半S平面的開環(huán)極點個數(shù)，Z是指右半S平面的閉環(huán)極點個數(shù)，N是指奈奎斯曲線逆時針圍繞坐標(biāo)原點|N|圈。在二級系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖中，ts定義為調(diào)節(jié)時間，δ%是超調(diào)量。若某單位負反饋控制系統(tǒng)中的其前向傳遞函數(shù)為G(s)，則該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)。能表達控制系統(tǒng)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式或表示方法，叫做系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在古典理論中系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有結(jié)構(gòu)圖、信號流圖、微分方程、傳遞函數(shù)等。最小相位系統(tǒng)是指系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在右半s平面上既五零點也無極點。三、選擇題（D）采用負反饋形式連接后，則：一定能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定；B、系統(tǒng)動態(tài)性能一定會提高；C、一定能使干擾引起的誤差逐漸減小，最后完全消除；D、需要調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能改善系統(tǒng)性能。（A）下列哪種措施對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有效果？A、增加開環(huán)極點；B、在積分環(huán)節(jié)外加單位負反饋；C、增加開環(huán)零點；D、引入串聯(lián)超前校正裝置。3.（C）系統(tǒng)特征方程為D(s)=s3+2s2+3s+6=0，則系統(tǒng)：A、穩(wěn)定；B、單位階躍響應(yīng)曲線為單調(diào)指數(shù)上升；C、臨界穩(wěn)定；D、右半平面閉環(huán)極點數(shù)為Z=2。4.（D）對于以下情況應(yīng)繪制0°根軌跡的是：A、主反饋口符號為“-”；B、除Kr外的其他參數(shù)變化時；C、非單位反饋系統(tǒng)；D、根軌跡方程（標(biāo)準形式）為G(s)H(s)=+1。5.（A）系統(tǒng)在r(t)=t2作用下的穩(wěn)態(tài)誤差ess=?，說明：A、型別v<2,；B、系統(tǒng)不穩(wěn)定；C、輸入幅值過大；D、閉環(huán)傳遞函數(shù)中有一個積分環(huán)節(jié)。6.（A）開環(huán)頻域性能指標(biāo)中的相角裕度γ對應(yīng)時域性能指標(biāo)：A、超調(diào)量δ%；B、穩(wěn)態(tài)誤差ess；C、調(diào)整時間ts；D、峰值時間tp試解釋下列基本概念自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制裝置）使生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。被控量和控制量：被控量也稱為輸出量，表示被控度地向工作狀態(tài)的物理量；控制量也稱給定量，表示被控量的希望運行規(guī)律。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型：在靜態(tài)（變量各階導(dǎo)數(shù)為零）條件下，描述控制系統(tǒng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程。自然角頻率ωn：它是二階系統(tǒng)的一個參數(shù)，又稱為無阻尼振蕩頻率，與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。欠阻尼二階系統(tǒng)的特征參數(shù)：阻尼比ξ，自然角頻率ωn，阻尼振蕩角頻率ωd，阻尼角β。閉環(huán)主導(dǎo)極點：在所有閉環(huán)極點中，對系統(tǒng)的時間響應(yīng)起主導(dǎo)作用的極點，它的周圍沒有閉環(huán)零點，且其它閉環(huán)極點又遠離虛軸。控制系統(tǒng)的頻帶寬度：當(dāng)閉環(huán)幅頻特性下降到頻率為零時的分貝值以下3分貝時，對應(yīng)的頻率稱為帶寬頻率wb。而頻率范圍（0，wb）稱為帶寬?？刂葡到y(tǒng)的頻率特性：穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)在正弦信號作用下，系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)分量為同頻率正弦函數(shù)，其振幅與輸入正弦信號的關(guān)系稱為幅頻特性,?輸出信號與輸入信號的相位差與頻率之間的關(guān)系稱為相頻特性。簡答題使用方框圖簡述反饋控制原理。答：如圖所示：反饋控制是按偏差進行控制的。偏差E出現(xiàn)時，系統(tǒng)一定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用U去減小或消除偏差，使被控量與期望值趨于一致。試用方框圖說明反饋控制系統(tǒng)的組成。試述在經(jīng)典控制理論中，自動控制系統(tǒng)的三種基本控制方式。答：開環(huán)控制（前饋控制）：信號從輸入到輸出無反饋，單向傳遞。閉環(huán)控制（反饋控制）：控制器與控制對象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系。復(fù)合控制：由兩個及兩個以上簡單控制系統(tǒng)組合起來的控制一個或同時控制多個參數(shù)的控制系統(tǒng)。按元件類型對控制系統(tǒng)進行分類。答：機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。簡述四種控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。答：傳遞函數(shù)：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下輸出響應(yīng)量的拉氏變換與輸入激勵量的拉氏變換之比。頻率特性：系統(tǒng)的輸出與輸入的復(fù)數(shù)之比。結(jié)構(gòu)圖：用方塊圖內(nèi)填寫傳遞函數(shù)的圖形來描述信號的傳遞以及信號傳遞前后的關(guān)系。信號流圖：由若干結(jié)點以及連接這些節(jié)點的有向線段構(gòu)成的圖形，是一組信號（變量）線性關(guān)系的圖解表示。（還有微分方程、差分方程、狀態(tài)方程……）試簡述求穩(wěn)態(tài)誤差時終值定理的使用條件。答：除原點外，誤差e(t)的拉氏變換E(s)在s平面的右半平面以及虛軸上處處解析（沒有極點）。試簡述傳遞函數(shù)定義。答：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下輸出響應(yīng)量的拉氏變換與輸入激勵量的拉氏變換之比。試簡述測定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的實驗方法。答：給系統(tǒng)施加一個外加激勵，觀測系統(tǒng)輸出，進而推斷系統(tǒng)模型。試簡述測定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的兩種實驗方法。（寫了3個自選2個）答：時域測定法：給系統(tǒng)施加一個確定性輸入，根據(jù)輸入輸出信號隨時間的變化關(guān)系，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。統(tǒng)