《儀器分析實驗》教材筆記（十四章全）

《自動控制原理》題集一、選擇題（每題2分，共20分）在自動控制系統(tǒng)中，被控對象的輸出量反饋到輸入端，與給定值進行比較，從而產(chǎn)生偏差信號以調(diào)節(jié)控制作用的系統(tǒng)稱為（）。

A.開環(huán)控制系統(tǒng)

B.閉環(huán)控制系統(tǒng)

C.半閉環(huán)控制系統(tǒng)

D.復(fù)合控制系統(tǒng)下列哪一項不是自動控制系統(tǒng)的基本組成部分？（）

A.控制器

B.執(zhí)行機構(gòu)

C.被控對象

D.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在傳遞函數(shù)中，若系統(tǒng)的極點全部位于復(fù)平面的左半部分，則該系統(tǒng)是（）。

A.穩(wěn)定的

B.不穩(wěn)定的

C.臨界穩(wěn)定的

D.無法確定穩(wěn)定性下列哪種控制方法屬于先進控制策略的一種？（）

A.PID控制

B.模糊控制

C.繼電器控制

D.開環(huán)控制在頻率特性分析中，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)主要用來判斷（）。

A.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

B.系統(tǒng)的動態(tài)性能

C.系統(tǒng)的穩(wěn)定性

D.系統(tǒng)的抗干擾能力當(dāng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有一對共軛復(fù)數(shù)極點時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)將包含（）。

A.衰減振蕩成分

B.非周期成分

C.恒定成分

D.無限增長成分在自動控制系統(tǒng)中，為了改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，通常采用的校正裝置是（）。

A.超前校正

B.滯后校正

C.超前-滯后校正

D.以上都是下列哪一項描述了系統(tǒng)對輸入信號跟蹤能力的強弱？（）

A.穩(wěn)定性

B.準(zhǔn)確性

C.快速性

D.魯棒性在離散控制系統(tǒng)中，Z變換與連續(xù)系統(tǒng)中的（）變換相對應(yīng)。

A.拉普拉斯

B.傅里葉

C.希爾伯特

D.勒讓德對于二階系統(tǒng)，阻尼比ξ的大小直接影響了系統(tǒng)的（）。

A.超調(diào)量

B.調(diào)節(jié)時間

C.穩(wěn)態(tài)誤差

D.振蕩頻率一、選擇題B.閉環(huán)控制系統(tǒng)D.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（注：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常不是自動控制系統(tǒng)的基本組成部分，而是用于獲取和處理數(shù)據(jù)的輔助系統(tǒng)）A.穩(wěn)定的B.模糊控制（注：雖然PID控制也是一種重要的控制方法，但在此題中，模糊控制被歸類為先進控制策略的一種）C.系統(tǒng)的穩(wěn)定性A.衰減振蕩成分D.以上都是（注：超前校正、滯后校正和超前-滯后校正都是常用的校正裝置，用于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能）B.準(zhǔn)確性（注：準(zhǔn)確性描述了系統(tǒng)對輸入信號跟蹤能力的強弱，即系統(tǒng)輸出與輸入之間的偏差大?。〢.拉普拉斯（注：在離散控制系統(tǒng)中，Z變換與連續(xù)系統(tǒng)中的拉普拉斯變換相對應(yīng)，用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特性）A.超調(diào)量（注：阻尼比ξ的大小直接影響了二階系統(tǒng)的超調(diào)量，ξ越小，超調(diào)量越大）二、填空題（每題2分，共20分）自動控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是使被控對象的輸出量能夠______地跟蹤或復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。在控制系統(tǒng)中，將輸出量的一部分或全部通過______環(huán)節(jié)反饋到輸入端，形成閉環(huán)控制。傳遞函數(shù)是描述線性______系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。在頻率域分析中，奈奎斯特圖是用來判斷系統(tǒng)______的一種圖形方法。對于一階系統(tǒng)，其單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為系統(tǒng)的______。在PID控制器中，比例（P）作用主要影響系統(tǒng)的______；積分（I）作用主要用于消除系統(tǒng)的______；微分（D）作用主要用于改善系統(tǒng)的______。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過分析其傳遞函數(shù)的______來判斷，若所有極點均在復(fù)平面的左半部分，則系統(tǒng)穩(wěn)定。在離散控制系統(tǒng)中，采樣定理指出，為了避免混疊現(xiàn)象，采樣頻率應(yīng)______信號最高頻率的兩倍。對于二階系統(tǒng)，當(dāng)阻尼比ξ=0時，系統(tǒng)處于______狀態(tài)；當(dāng)0<ξ<1時，系統(tǒng)處于______狀態(tài)；當(dāng)ξ≥1時，系統(tǒng)處于______狀態(tài)。在自動控制系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通常需要增加系統(tǒng)的______。二、填空題準(zhǔn)確而迅速反饋時不變（或線性定常）穩(wěn)定性靜態(tài)值（或穩(wěn)態(tài)值，對于一階系統(tǒng)，其單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值等于系統(tǒng)的靜態(tài)增益）穩(wěn)態(tài)誤差（或偏差）；靜態(tài)誤差（或穩(wěn)態(tài)誤差）；動態(tài)性能（或響應(yīng)速度）極點分布（或零極點分布）大于等于（注：為了避免混疊現(xiàn)象，采樣頻率應(yīng)大于等于信號最高頻率的兩倍，即滿足采樣定理）無阻尼（或等幅振蕩）；欠阻尼（或過阻尼，取決于阻尼比的具體值，但通常指阻尼比小于1的情況）；過阻尼（或臨界阻尼，當(dāng)阻尼比等于1時，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，此時系統(tǒng)無振蕩地趨于穩(wěn)態(tài)）增益（或開環(huán)增益，增加系統(tǒng)的開環(huán)增益可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，但需要注意保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性）三、判斷題（每題2分，共20分）在自動控制系統(tǒng)中，開環(huán)控制系統(tǒng)比閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性。（）傳遞函數(shù)是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的唯一數(shù)學(xué)模型。（）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)的類型和輸入信號的形式有關(guān)。（）在頻率特性分析中，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是通過判斷系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈奎斯特曲線是否包圍(-1,0)點來確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的。（）對于二階系統(tǒng)，阻尼比ξ越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)時間越短。（）PID控制器中的積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變慢。（）在離散控制系統(tǒng)中，由于采樣和保持的作用，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，影響控制精度。（）系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，與開環(huán)傳遞函數(shù)無關(guān)。（）在自動控制系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)的開環(huán)增益可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，但可能會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（）對于線性系統(tǒng)，疊加原理成立，即當(dāng)系統(tǒng)同時受到多個輸入作用時，其輸出為各輸入單獨作用時輸出之和。（）三、判斷題錯（注：閉環(huán)控制系統(tǒng)通常比開環(huán)控制系統(tǒng)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性）錯（注：傳遞函數(shù)是描述線性時不變系統(tǒng)動態(tài)特性的一種數(shù)學(xué)模型，但不是唯一模型，還有其他描述系統(tǒng)動態(tài)特性的方法，如狀態(tài)空間模型等）對（注：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差確實與系統(tǒng)的類型和輸入信號的形式有關(guān)）對（注：奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是通過判斷系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈奎斯特曲線是否包圍(-1,0)點來確定系統(tǒng)穩(wěn)定性的）錯（注：對于二階系統(tǒng)，阻尼比ξ越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，但調(diào)節(jié)時間不一定越短，還受到其他因素的影響）對（注：PID控制器中的積分作用可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，但也會使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變慢，因為積分作用會引入相位滯后）對（注：在離散控制系統(tǒng)中，由于采樣和保持的作用，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，即高頻成分被錯誤地解釋為低頻成分，從而影響控制精度）錯（注：系統(tǒng)的穩(wěn)定性既與系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，也與開環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，因為閉環(huán)傳遞函數(shù)是由開環(huán)傳遞函數(shù)和反饋環(huán)節(jié)共同決定的）對（注：增加系統(tǒng)的開環(huán)增益可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，因為開環(huán)增益越大，系統(tǒng)對輸入信號的放大作用越強，從而減小了穩(wěn)態(tài)誤差；但需要注意的是，過大的開環(huán)增益可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或產(chǎn)生振蕩）對（注：對于線性系統(tǒng)，疊加原理確實成立，即當(dāng)系統(tǒng)同時受到多個輸入作用時，其輸出為各輸入單獨作用時輸出之和）四、簡答題（每題5分，共15分）請簡述自動控制系統(tǒng)的基本組成及各部分的作用。什么是傳遞函數(shù)？它有哪些性質(zhì)？在自動控制系統(tǒng)中有什么重要意義？請解釋奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)的基本原理，并說明其在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。四、簡答題自動控制系統(tǒng)的基本組成包括控制器、被控對象、執(zhí)行機構(gòu)和測量變送裝置?？刂破髫?fù)責(zé)發(fā)出控制指令；被控對象是控制的目標(biāo)，其輸出需被調(diào)節(jié)以跟蹤期望的輸入；執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制器的指令調(diào)節(jié)被控對象的輸入；測量變送裝置則用于測量被控對象的輸出，并將其轉(zhuǎn)換為適合控制器處理的信號。傳遞函數(shù)是描述線性時不變系統(tǒng)輸入與輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，通常為輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比。傳遞函數(shù)具有線性性、時不變性和因果性等性質(zhì)。在自動控制系統(tǒng)中，傳遞函數(shù)是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的重要工具，通過它可以了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差等。奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要原理，它基于系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈奎斯特曲線與復(fù)平面的關(guān)系來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果奈奎斯特曲線不包圍復(fù)平面的(-1,0)點，則系統(tǒng)穩(wěn)定；否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)是常用的方法之一，它可以幫助工程師快速判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并指導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整。五、計算題（每題10分，共20分）已知某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=s(s+2)1?，試求該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，并繪制其響應(yīng)曲線。設(shè)某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=s2+2ξωn?s+ωn2?ωn2??，其中ωn?=2

rad/s，ξ=0.5。試求該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，并計算其超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差。五、計算題對于傳遞函數(shù)G(s)=s(s+2)，可以通過拉普拉斯反變換求得系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。具體計算過程涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，這里省略。最終可以得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)函數(shù)，并繪制出響應(yīng)曲線，用于分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。對于二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)=(s^2+2ξωns+ωn^2)/ωn^2，其中ωn=2rad/s，ξ=0.5，可以通過求解系統(tǒng)的微分方程得到單位階躍響應(yīng)。進一步計算可以得到超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)，用于評估系統(tǒng)的動態(tài)性能。六、設(shè)計題（共15分）設(shè)計一個PID控制器，用于控制某直流電機的轉(zhuǎn)速。要求：簡述PID控制器的設(shè)計步驟和參數(shù)整定方法。（5分）根據(jù)電機的實際參數(shù)和控制要求，確定PID控制器的具體參數(shù)。（5分）繪制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，并分析其穩(wěn)定性和動態(tài)性能。（5分）六、設(shè)計題PID控制器的設(shè)計步驟包括確定控制目標(biāo)、選擇控制器結(jié)構(gòu)、整定控制器參數(shù)等。參數(shù)整定方法可以采用試湊法、經(jīng)驗公式法或優(yōu)化算法等，根據(jù)系統(tǒng)的具體特性和控制要求來確定。根據(jù)電機的實際參數(shù)和控制要求，可以確定PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)。具體參數(shù)值需要根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)誤差要求來整定，以達到最佳的控制效果。繪制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖可以幫助分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。通過波特圖可以觀察系統(tǒng)的增益裕度和相位裕度，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時還可以分析系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)，為控制器的設(shè)計和調(diào)整提供依據(jù)。七、分析題（共10分）分析下列系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出判斷依據(jù)：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)K(s)=s(s+1)(s+2)K?，其中K為開環(huán)增益。當(dāng)K=1時，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（5分）當(dāng)K=10時，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并說明K值變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（5分）七、分析題對于系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)K(s)=s(s+1)(s+2)K，當(dāng)K=1時，可以通過奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體計算過程涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和圖形分析，這里省略。當(dāng)K=10時，同樣可以通過奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并分析K值變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。一般來說，K值增大會使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，因此需要合理選擇K值以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。八、綜合題（共10分）某自動控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)和被控對象組成?，F(xiàn)要求設(shè)計一個控制系統(tǒng)，使被控對象的輸出能夠準(zhǔn)確跟蹤給定的輸入信號。請完成以下任務(wù)：簡述該控制系統(tǒng)的基本工作原理。（3分）設(shè)計一個合適的控制器，并說明其控制策略。（4分）分析該控制系統(tǒng)可能存在的干擾因素，并提出相應(yīng)的抗干擾措施。（3分）八、綜合題該控制系統(tǒng)的基本工作原理是通過傳感器測量被控對象的輸出信號，并將其轉(zhuǎn)換為適合控制器處理的信號；控制器根據(jù)輸入信號和期望的輸出信號之間的偏差發(fā)出控制指令；執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制器的指令調(diào)節(jié)被控對象的輸入；最終使被控對象的輸出能夠準(zhǔn)確跟蹤給定的輸入信號。設(shè)計一個合適的控制器需要考慮系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)誤差要求等因素?？梢圆捎肞ID控制器等先進的控制策略來實現(xiàn)精確控制。具體控制器的設(shè)計需要根據(jù)系統(tǒng)的具體特性和控制要求來確定。該控制系統(tǒng)可能存在的干擾因素包括傳感器噪聲、執(zhí)行機構(gòu)誤差、外界環(huán)境變化等。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力可以采取多種措施如增加濾波器來減小傳感器噪聲的影響；采用高精度的執(zhí)行機構(gòu)來減小誤差；對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制以減小外界環(huán)境的影響等。九、論述題（共10分）論述自動控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用