2017自動控制原理期末考試試卷(含答案)

1、2017年自動控制原理期末考試卷與答案一、填空題（每空 1 分，共20分） 1、對自動控制系統(tǒng)的基本要求可以概括為三個方面，即： 穩(wěn)定性 、快速性和 準(zhǔn)確性 。2、控制系統(tǒng)的 輸出拉氏變換與輸入拉氏變換在零初始條件下的比值 稱為傳遞函數(shù)。3、在經(jīng)典控制理論中，可采用 勞斯判據(jù)(或：時域分析法)、根軌跡法或奈奎斯特判據(jù)(或：頻域分析法) 等方法判斷線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。4、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)。5、線性系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性，縱坐標(biāo)取值為(或：)，橫坐標(biāo)為 。6、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)中，z = p - r ，其中p是指 開環(huán)傳函中具有正實(shí)部的極點(diǎn)的個數(shù)，z

2、是指 閉環(huán)傳函中具有正實(shí)部的極點(diǎn)的個數(shù)，r指 奈氏曲線逆時針方向包圍 (-1, j0 )整圈數(shù)。7、在二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖中，定義為 調(diào)整時間 。是超調(diào)量 。8、設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，則其開環(huán)幅頻特性為，相頻特性為。9、反饋控制又稱偏差控制，其控制作用是通過 給定值 與反饋量的差值進(jìn)行的。10、若某系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)為，則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)g(s)為。11、自動控制系統(tǒng)有兩種基本控制方式，當(dāng)控制裝置與受控對象之間只有順向作用而無反向聯(lián)系時，稱為 開環(huán)控制系統(tǒng)；當(dāng)控制裝置與受控對象之間不但有順向作用而且還有反向聯(lián)系時，稱為 閉環(huán)控制系統(tǒng)；含有測速發(fā)電機(jī)的電動機(jī)速度控制系統(tǒng)，屬于 閉環(huán)控制系統(tǒng)

3、。12、根軌跡起始于開環(huán)極點(diǎn)，終止于開環(huán)零點(diǎn)。13、穩(wěn)定是對控制系統(tǒng)最基本的要求，若一個控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線為衰減振蕩，則該系統(tǒng) 穩(wěn)定。判斷一個閉環(huán)線性控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，在時域分析中采用勞斯判據(jù)；在頻域分析中采用奈奎斯特判據(jù)。14、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)中的幅值越頻率對應(yīng)時域性能指標(biāo) 調(diào)整時間，它們反映了系統(tǒng)動態(tài)過程的快速性 二、(8分)試建立如圖3所示電路的動態(tài)微分方程，并求傳遞函數(shù)。 圖3解：1、建立電路的動態(tài)微分方程根據(jù)kcl有 (2分)即 (2分)2、求傳遞函數(shù)對微分方程進(jìn)行拉氏變換得 (2分)得傳遞函數(shù) (2分)三、（共20分）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：1

4、、寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式；（4分）圖42、要使系統(tǒng)滿足條件：,試確定相應(yīng)的參數(shù)和；（4分）3、求此時系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)；（4分）4、時，求系統(tǒng)由產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差；（4分）5、確定，使干擾對系統(tǒng)輸出無影響。（4分）解：1、（4分） 2、（4分） 3、（4分） 4、（4分） 5、（4分）令： 得：四、已知最小相位系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性如圖3所示。試求系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。(16分)l()1110202-20-40-40圖 3 -10db解：從開環(huán)伯德圖可知，系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、兩個積分環(huán)節(jié)、一個一階微分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (8分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40db, 則,得 (2分)又

5、由的幅值分貝數(shù)分別為20和0，結(jié)合斜率定義，有，解得 rad/s(2分)同理可得或 ，得 rad/s(2分) 故所求系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為(2分) 五、(共15分)已知某單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 1、繪制該系統(tǒng)以根軌跡增益kr為變量的根軌跡（求出：漸近線、分離點(diǎn)、與虛軸的交點(diǎn)等）；（8分）2、確定使系統(tǒng)滿足的開環(huán)增益的取值范圍。（7分）1、繪制根軌跡 （8分）(1)系統(tǒng)有有3個開環(huán)極點(diǎn)（起點(diǎn)）：0、-3、-3，無開環(huán)零點(diǎn)（有限終點(diǎn)）；（1分）(2)實(shí)軸上的軌跡：（-，-3）及（-3，0）； （1分）(3) 3條漸近線： （2分）(4) 分離點(diǎn)： 得： （2分） (5)與虛軸交點(diǎn)： （2分）繪

6、制根軌跡如右圖所示。2、（7分）開環(huán)增益k與根軌跡增益kr的關(guān)系：得 （1分） 系統(tǒng)穩(wěn)定時根軌跡增益kr的取值范圍：， （2分）系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時根軌跡增益kr的取值范圍：， （3分）系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時開環(huán)增益k的取值范圍： （1分）六、（共22分）某最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線如圖5所示：1、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)；（8分）2、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、開環(huán)幅頻特性及開環(huán)相頻特性。（3分）3、求系統(tǒng)的相角裕度。（7分）4、若系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度不夠大，可以采用什么措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度？（4分）解：1、從開環(huán)伯德圖可知，原系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、一個積分環(huán)節(jié)、兩個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳

7、函應(yīng)有以下形式 (2分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40db, 則, 得 (2分) （2分）故系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 （2分）2、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、開環(huán)幅頻特性及開環(huán)相頻特性：開環(huán)頻率特性 （1分）開環(huán)幅頻特性 （1分）開環(huán)相頻特性： （1分）3、求系統(tǒng)的相角裕度： 求幅值穿越頻率，令 得（3分） （2分） （2分）對最小相位系統(tǒng) 臨界穩(wěn)定4、（4分）可以采用以下措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度：增加串聯(lián)超前校正裝置；增加串聯(lián)滯后校正裝置；增加串聯(lián)滯后-超前校正裝置；增加開環(huán)零點(diǎn)；增加pi或pd或pid控制器；在積分環(huán)節(jié)外加單位負(fù)反饋。六、已知最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和串聯(lián)校正裝置的對數(shù)幅頻特性如下圖

8、所示，原系統(tǒng)的幅值穿越頻率為：（共30分） 1、 寫出原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),并求其相角裕度，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（10分） 2、 寫出校正裝置的傳遞函數(shù)；（5分） 3、寫出校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)，畫出校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性，并用勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（15分）0.010.11101000.322024.340-20db/dec-20db/dec-40db/dec-60db/decl(w)wl0lc解：1、從開環(huán)波特圖可知，原系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、一個積分環(huán)節(jié)、兩個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (2分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40db, 則,得 (2分)故原系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 （2分）求原系統(tǒng)的相角裕度：由題知原系統(tǒng)的幅值穿越頻率為 （1分） （1分）對最小相位系統(tǒng)不穩(wěn)定2、從開環(huán)波特圖可知，校正裝置一個慣性環(huán)節(jié)、一個微分環(huán)節(jié)，為滯后校正裝置。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (5分)3、校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (4分)用勞思判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程是（2分）構(gòu)造勞斯表如下 首列均大于0，故校正