控制工程基礎(chǔ)考卷帶答案復習資料.doc

一、填空題：（每空1分，共20分）1對控制系統(tǒng)的基本要求一般可歸結(jié)為_穩(wěn)定性，準確性，快速性_、_、_。2自動控制系統(tǒng)對輸入信號的響應，一般都包含兩個分量，即一個是瞬態(tài)響應分量，另一個是_響應分量。3在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過檢測元件將輸出量轉(zhuǎn)變成與給定信號進行比較的信號，這個信號稱為_。4若前向通道的傳遞函數(shù)為G(s)，反饋通道的傳遞函數(shù)為H(s)，則閉環(huán)傳遞函數(shù)為_ 。5 函數(shù)f(t)=的拉氏變換式是_ 。6 開環(huán)對數(shù)頻率特性的低頻段 中頻段 高頻段分別表征了系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，動態(tài)特性，抗干擾能力 。7Bode圖中對數(shù)相頻特性圖上的180線對應于奈奎斯特圖中的_。8已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：求出系統(tǒng)在單位階躍輸入時的穩(wěn)態(tài)誤差為 。9閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是所有的閉環(huán)極點均位于s平面的_半平面。10設(shè)單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，當系統(tǒng)作用有xi(t) = 2cos(2t - 45)輸入信號時，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為_。11已知傳遞函數(shù)為，則其對數(shù)幅頻特性L（w）在零分貝點處的頻率數(shù)值為_ 。12 在系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線上，低頻段部分主要由 環(huán)節(jié)和 決定。13慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，它的幅頻特性的數(shù)學式是_,它的相頻特性的數(shù)學式是_。14已知系統(tǒng)的單位階躍響應為，則系統(tǒng)的脈沖脈沖響應為_。得 分評卷人一、填空題（每空1分，共20分）：1 穩(wěn)定性，準確性，快速性；2 穩(wěn)態(tài)；3 反饋；4 ；5 6 穩(wěn)定性，動態(tài)特性，抗干擾能力；7 負實軸；8 9 右半平面； 10 11 ;12 積分，比例；13 14 二、判斷題：（每小題1分，共10分）1. 在對數(shù)相頻特性圖中，L（）0范圍內(nèi)開環(huán)對數(shù)相頻特性曲線由下而上穿過-180線時為正穿越。（ ）2. 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)只能判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能判斷相對穩(wěn)定性。（ ）3. 最大超調(diào)量Mp與系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率n有關(guān)。（ ）4. 閉環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的個數(shù)決定了系統(tǒng)的類型。（ ）5. Mason(梅遜公式)公式適用于線性和非線性定常系統(tǒng)。（ ）6. 物理本質(zhì)不同的系統(tǒng)，可以有相同的數(shù)學模型。（ ）7. 疊加定理可以用在非線性系統(tǒng)。（ ）8. 傳遞函數(shù)是復數(shù)s域的系統(tǒng)數(shù)學模型，它僅取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，與系統(tǒng)的輸入形式無關(guān)。（ ）9. 對于二階系統(tǒng)，實際的工程常常設(shè)計成欠阻尼狀態(tài)，且阻尼比以選擇在0.41.0為宜。（ ）10. 一般系統(tǒng)的相位裕度應當在30度至60度之間，而幅值裕度應當大于6dB。（ ）1 錯誤；2 正確；3 錯誤；4 錯誤；5 錯誤；6 正確；7 錯誤；8 正確；9 錯誤；10 正確?；靖拍睿旱谝徽拢?對控制系統(tǒng)的基本要求一般可以歸納為：穩(wěn)定性、快速性和準確性。其中穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的必要條件。隨動系統(tǒng)對響應快速性要求較高。2開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的定義。分別舉例說明3對自動控制系統(tǒng)，按反饋情況可以分為哪些？按輸出變化規(guī)律可分為哪些？第二章1控制系統(tǒng)的數(shù)學模型有哪些表達方式？各自有何特點？2微分方程的定義，如何由微分方程推導到傳遞函數(shù)3傳遞函數(shù)的定義：線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，稱為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。4傳遞函數(shù)的分子反映了系統(tǒng)同外界的聯(lián)系，傳遞函數(shù)的分母反映了系統(tǒng)本身與外界無關(guān)的固有特性； 5線性控制系統(tǒng)一般可由典型的環(huán)節(jié)所組成，這些典型環(huán)節(jié)分別為：比例環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)，振蕩環(huán)節(jié)，延時環(huán)節(jié)。這些典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別是什么？6線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，與系統(tǒng)的輸入信號無關(guān)。7下列哪些屬于系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的結(jié)構(gòu)要素有：函數(shù)方框，相加點，分支點第三章：時域分析1我們常說的典型輸入信號有哪些？2時間響應的概念：時間響應是指系統(tǒng)在輸入信號作用下，系統(tǒng)輸出隨時間變化的函數(shù)關(guān)系3時間響應分析是由零輸入響應和零狀態(tài)響應所組成的。不特別指明，時間響應都是指零狀態(tài)響應4瞬態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程的含義。5一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為，其中T的含義是什么？二階振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 ，其中和分別是什么？6二階系統(tǒng)響應的性能指標有哪些？它們的計算公式分別是什么？第四章：頻域分析1頻率響應的概念：系統(tǒng)對輸入為諧波時的穩(wěn)態(tài)響應稱為頻率響應2頻率特性的表示法 : Nyquist 圖（極坐標圖，又稱為幅相頻率特性圖）；Bode 圖（對數(shù)坐標圖，又稱為對數(shù)頻率特性圖）3典型環(huán)節(jié)的Bode 圖第五章： 1系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：系統(tǒng)的全部特征根都具有負實部；反之，若特征根中只要有一個或一個以上的正實部，則系統(tǒng)必不穩(wěn)定。2穩(wěn)定性的判據(jù)有那些： Routh判據(jù)，Nyquist判據(jù)，Bode判據(jù)。其中Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)是通過開環(huán)傳遞函數(shù)來判定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性3.系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性可以用相位裕度和幅值裕度來表示，是如何定義的？（書134,135頁）第六章1PID控制器中的P、I、D分別指按偏差的比例、積分、微分進行控制。PI,PD,PID屬于什么性質(zhì)的校正，各有何特點？書154，155，156頁2.相位超前校正若，最大相位超前角3.相位滯后校正裝置的傳遞函數(shù)為，最大滯后角為一，填空（10*1分=10分）1、 （控制的基本方式有哪些？）根據(jù)系統(tǒng)是否存在反饋，可將系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩大類。 開環(huán)控制沒有反饋，閉環(huán)系統(tǒng)有反饋。2、 反饋控制系統(tǒng)的基本組成：給定元件，測量元件，比較元件，放大元件，執(zhí)行元件，校正元件。3、 按系統(tǒng)的數(shù)學描述分類：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)，按系統(tǒng)的傳遞信號的性質(zhì)分類：連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)。4、 對控制系統(tǒng)的性能要求：穩(wěn)定性、快速性、準確性。5、 已知f(t)=8t+3t+2,求f(t-2)的拉普拉斯變換ft2=6、 數(shù)學模型：描述系統(tǒng)動態(tài)特性及各變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式，分為動態(tài)數(shù)學模型和靜態(tài)數(shù)學模型。7、 建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型的方法分為：分析法、實驗法。8、 對于非線性微分方程的線性化處理一般有兩種方法：1.直接略去非線性因素，2.切線法或微小偏差法。9、 信號流圖是一種表示一組聯(lián)立線性代數(shù)方程的圖。是由節(jié)點和支路組成的信號傳遞網(wǎng)絡。10、 常用的脈沖輸入試驗信號有單位脈沖函數(shù)，單位階躍函數(shù)，單位斜坡函數(shù)，單位加速度函數(shù)，正弦函數(shù)等。11、 根據(jù)極點分布情況，二階系統(tǒng)分類如下：欠阻尼二階系統(tǒng)、無阻尼二階系統(tǒng)、臨界阻尼二階系統(tǒng)、過阻尼二階系統(tǒng)。二，名詞解釋（3*4分=12分）1、傳遞函數(shù)：單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)在零初始條件下，輸出量的拉氏變換與其輸入量的拉氏變換之比。用G（s）=C（s）/R（s）表示。2、時域響應：控制系統(tǒng)在外加作用（輸入）激勵下，其輸出量隨時間變化函數(shù)關(guān)系。任一穩(wěn)態(tài)時域響應由瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應兩部分組成。 3、最小相位系統(tǒng)：若系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）在右半s平面內(nèi)既無極點也無零點，則稱為最小相位系統(tǒng)。在最小相位系統(tǒng)中，對數(shù)相頻一一對應幅頻。4、主導極點：若極點所決定的瞬態(tài)分量不僅持續(xù)時間最長，而且其初始幅值也大，充分體現(xiàn)了它在系統(tǒng)響應中的主導作用，故稱其為系統(tǒng)的主導極點。5、閉環(huán)頻率特性：（略）三，問答題（3*8分=24分）1，開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點？答：閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是采用了反饋，系統(tǒng)中真正起到調(diào)節(jié)的作用是偏差信號。所以，閉環(huán)系統(tǒng)的響應對外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化不敏感。對于給定的控制對象，有可能采用不太精密且成本較低的元件構(gòu)成精密的控制系統(tǒng)，在開環(huán)情況下是不可能做到的。從穩(wěn)定的角度出發(fā)，開環(huán)控制比較容易建立。閉環(huán)系統(tǒng)中，穩(wěn)定性很難建立，因為閉環(huán)系統(tǒng)可能出現(xiàn)超調(diào)誤差，從而導致系統(tǒng)做等幅振蕩或變幅振蕩。2，建立元件或系統(tǒng)的微分方程可依據(jù)以下步驟進行？答：1.確立系統(tǒng)或者元件的輸入量、輸出量。2.按照信號的傳遞順序，從系統(tǒng)的輸入端開始，依據(jù)運動規(guī)律，列各環(huán)節(jié)的動態(tài)微分方程。3.消去所列各微分方程組中間變量，得系統(tǒng)的輸入量、輸出量之間關(guān)系的微分方程。4.整理得到微分方程。3，比較時域分析與頻率特性分析的優(yōu)缺點？答：時域分析法是種直接分析法，它根據(jù)所描述系統(tǒng)的微分方程或傳遞函數(shù)，求出系統(tǒng)的輸出量隨時間的規(guī)律，并由此來確定系統(tǒng)的性能。但不能對高階系統(tǒng)進行分析，且求解復雜。頻率特性分析與此不同的是它不是通過系統(tǒng)的閉環(huán)極點和零點來分析系統(tǒng)的性能，而是通過系統(tǒng)對正弦函數(shù)的穩(wěn)態(tài)響應來分析系統(tǒng)性能，它將傳遞函數(shù)從復域引到頻域中進行分析。利用頻率特性分析不必求解微分方程就可估算出系統(tǒng)的性能，從而簡單、迅速地判斷某些環(huán)節(jié)或參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，并能指明改進系統(tǒng)性能的方向。4，傳遞函數(shù)的零、極點和放大系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響有哪些？答：1，極點決定系統(tǒng)固有運動屬性。 2，極點的位置決定模態(tài)的斂散性，即決定穩(wěn)定性、快速性。3，零點決定運動模態(tài)的比重。4，傳遞系數(shù)決定了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳遞性能?？刂乒こ袒A(chǔ)一、 填空題(每空1分，共20分)1. 傳遞函數(shù)的定義是對于線性定常系統(tǒng),在初始條件為零的條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。2. 瞬態(tài)響應是系統(tǒng)受到外加作用激勵后，從初始狀態(tài)到最終或穩(wěn)定狀態(tài)的響應過程。3. 判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的出發(fā)點是系統(tǒng)特征方程的根必須為負實根或負實部的復數(shù)根，即系統(tǒng)的特征根必須全部在復平面的左半平面是系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件。4. I型系統(tǒng)在單位階躍輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差為 0 ，在單位加速度輸入下，穩(wěn)態(tài)誤差為 。5. 頻率響應是系統(tǒng)對正弦輸入穩(wěn)態(tài)響應，頻率特性包括幅頻和相頻兩種特性。6. 如果系統(tǒng)受擾動后偏離了原工作狀態(tài)，擾動消失后，系統(tǒng)能自動恢復到原來的工作狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)是(漸進)穩(wěn)定的系統(tǒng)。7. 傳遞函數(shù)的組成與輸入、輸出信號無關(guān)，僅僅決定于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并且只適于零初始條件下的線性定常系統(tǒng)。8. 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號的形式及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)或系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)。9. 如果在系統(tǒng)中只有離散信號而沒有連續(xù)信號，則稱此系統(tǒng)為離散(數(shù)字)控制系統(tǒng)，其輸入、輸出關(guān)系常用差分方程來描述。10. 反饋控制系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特性三頻段的劃分是以c（截止頻率）附近的區(qū)段為中頻段，該段著重反映系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)定性和快速性；而低頻段主要表明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。11. 對于一個自動控制系統(tǒng)的性能要求可以概括為三個方面：穩(wěn)定性、快速 性和精確或準確性。自動控制工程基礎(chǔ)一、單項選擇題：1. 某二階系統(tǒng)阻尼比為0，則系統(tǒng)階躍響應為 A. 發(fā)散振蕩 B. 單調(diào)衰減C. 衰減振蕩 D. 等幅振蕩2 一階系統(tǒng)G(s)=的時間常數(shù)T越小，則系統(tǒng)的輸出響應達到穩(wěn)態(tài)值的時間 A越長B越短C不變D不定3. 傳遞函數(shù)反映了系統(tǒng)的動態(tài)性能，它與下列哪項因素有關(guān)？ A.輸入信號B.初始條件C.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù) D.輸入信號和初始條件4慣性環(huán)節(jié)的相頻特性，當時，其相位移為 A-270B-180C-90D05設(shè)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G(s)=，則其頻率特性幅值M()= A. B. C. D. 6. 有一線性系統(tǒng)，其輸入分別為u1(t)和u2(t)時，輸出分別為y1(t)和y2(t)。當輸入為a1u1(t)+a2u2(t)時(a1,a2為常數(shù))，輸出應為 A. a1y1(t)+y2(t)B. a1y1(t)+a2y2(t)C. a1y1(t)-a2y2(t) D. y1(t)+a2y2(t)7拉氏變換將時間函數(shù)變換成 A正弦函數(shù)B單位階躍函數(shù)C單位脈沖函數(shù) D復變函數(shù)8二階系統(tǒng)當01時，如果減小，則輸出響應的最大超調(diào)量將 A.增加B.減小C.不變D.不定9線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，是在零初始條件下 A系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之比B系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之比C系統(tǒng)輸入信號的拉氏變換與輸出信號的拉氏變換之比D系統(tǒng)輸出信號的拉氏變換與輸入信號的拉氏變換之比10余弦函數(shù)cos的拉氏變換是 A.B.C.D. 11. 微分環(huán)節(jié)的頻率特性相位移()= A. 90 B. -90C. 0 D. -18012. II型系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻漸近特性的低頻段斜率為 A. -40(dB/dec)B. -20(dB/dec)C. 0(dB/dec)D. +20(dB/dec)13令線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母多項式為零，則可得到系統(tǒng)的 A代數(shù)方程B特征方程C差分方程D狀態(tài)方程14. 主導極點的特點是 A.距離實軸很遠B.距離實軸很近C.距離虛軸很遠D.距離虛軸很近15采用負反饋連接時，如前向通道的傳遞函數(shù)為G(s)，反饋通道的傳遞函數(shù)為H(s)，則其等效傳遞函數(shù)為 ABCD一、單項選擇題：1. D 2.B 3.C 4.C 5.C 6. B 7.D 8.A 9.D 10.C 11. A 12.A 13.B 14.D 15.C二、填空題：1線性定常系統(tǒng)在正弦信號輸入時，穩(wěn)態(tài)輸出與輸入的相位移隨頻率而變化的函數(shù)關(guān)系稱為_ _。2積分環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性曲線是一條直線，直線的斜率為_ _dBdec。3對于一個自動控制系統(tǒng)的性能要求可以概括為三個方面：穩(wěn)定性、_快速性_和準確性。4單位階躍函數(shù)1（t）的拉氏變換為 。5二階衰減振蕩系統(tǒng)的阻尼比的范圍為 。6當且僅當閉環(huán)控制系統(tǒng)特征方程的所有根的實部都是_ _時，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。7系統(tǒng)輸出量的實際值與_ _之間的偏差稱為誤差。8在單位斜坡輸入信號作用下，0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess=_ _。9設(shè)系統(tǒng)的頻率特性為，則稱為 。10. 用頻域法分析控制系統(tǒng)時，最常用的典型輸入信號是_ _。11.線性控制系統(tǒng)最重要的特性是可以應用_ _原理，而非線性控制系統(tǒng)則不能。12.方框圖中環(huán)節(jié)的基本連接方式有串聯(lián)連接、并聯(lián)連接和_ _連接。13.分析穩(wěn)態(tài)誤差時，將系統(tǒng)分為0型系統(tǒng)、I型系統(tǒng)、II型系統(tǒng)，這是按開環(huán)傳遞函數(shù)的_ _環(huán)節(jié)數(shù)來分類的。14.用頻率法研究控制系統(tǒng)時，采用的圖示法分為極坐標圖示法和_ _圖示法。15. 決定二階系統(tǒng)動態(tài)性能的兩個重要參數(shù)是阻尼系數(shù)和_ 。二、填空題：1 相頻特性 2 20_3 _ 0 _4 5 6 負數(shù) 7 輸出量的希望值 8 9 虛頻特性 10. 正弦函數(shù) 11. _疊加_12. _反饋 _13. _積分_14. _對數(shù)坐標_15. 無阻尼自然振蕩頻率wn 自動控制工程基礎(chǔ)作業(yè)答案作業(yè)一作業(yè)二2.1 試建立圖21所示電網(wǎng)絡的動態(tài)微分方程，并求其傳遞函數(shù) 解：（a）根據(jù)克希荷夫定律有由（1）式可得， 代入（2）式可得， 整理后得系統(tǒng)微分方程： 經(jīng)拉氏變換后，得 故傳遞函數(shù)為： （c）根據(jù)克希荷夫定律有由（2）式可得， 代入（1）式可得， 整理后得系統(tǒng)微分方程： 經(jīng)拉氏變換后，得 故傳遞函數(shù)為： 2.2 求下列函數(shù)的拉氏變換：（1） （2）（3） （4）解：（1） （2）（3）由故（4）2.3 求下列函數(shù)的拉氏反變換： （1） （2） 解：（1）由 故 （2）由 故作業(yè)三3.1 設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為試求系統(tǒng)的單位階躍響應及上升時間、 超調(diào)量、 調(diào)整時間。 解：系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)與標準形式對比，可知 ，故 ， 利用公式（314），系統(tǒng)單位階躍響應為又 故 3.2 已知單位負反饋二階系統(tǒng)的單位階躍響應曲線如圖 31所示， 試確定系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。 圖31 習題 3.2圖解：由圖可知 峰值時間 超調(diào)量又因為 ，故 ，故故系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)3.3 已知單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為若要求16%， ts=6 s(5%誤差帶)， 試確定K、 T的值。 解：由，可得，取，可得又系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為與標準形式對比，可知 ，故T1，故K0.30863.4 閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程如下， 試用代數(shù)判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (1) s3+20s2+9s+100=0 (2) s4+2s3+8s2+4s+3=0 解：（1）用勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)判別，a3=1,a2=20,a1=9,a0=100均大于零，且有所以，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。（2）用勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)判別，a4=1，a3=2，a2=8，a1=4，a0=3均大于零，且有所以，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3.5 已知單位負反饋系統(tǒng)的