自動(dòng)控制原理習(xí)題及答案

一、簡(jiǎn)答題被控對(duì)象、被控量、干擾各是什么？答：對(duì)象：需進(jìn)行控制的設(shè)備或裝置的工作進(jìn)程。被控量：被控對(duì)此昂輸出需按控制要求變化的物理量。干擾：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生擾動(dòng)，使被控量偏離給定值的變量。按給定信號(hào)分類，控制系統(tǒng)可分為哪些類型？答：恒值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)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(shí)間改變的平衡狀態(tài)。什么是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)？答：被控量隨時(shí)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(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系。什么是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性？答：以時(shí)間為自變量，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中各變量變化的大小、趨勢(shì)以及相互依賴的關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)分析中，常用的輸入信號(hào)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(lì)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(fù)的實(shí)部的實(shí)部小于零。以過(guò)渡過(guò)程形式表示的質(zhì)量指標(biāo)有哪些？答：峰值時(shí)間tp、超調(diào)量δ%、衰減比nd、調(diào)節(jié)時(shí)間ts、穩(wěn)態(tài)誤差ess。簡(jiǎn)述典型輸入信號(hào)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(jiǎn)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(duì)輸入?yún)?shù)的響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。信號(hào)流圖中，支路、閉通路各是什么？答：支路：連接兩節(jié)點(diǎn)的定向線段，其中的箭頭表示信號(hào)的傳送方向。閉通路：通路的終點(diǎn)就是通路的起點(diǎn)，且與其他節(jié)點(diǎn)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(guò)給定值與反饋量的差值進(jìn)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(dòng)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(kāi)環(huán)極點(diǎn)，終止于開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。設(shè)最小項(xiàng)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為。PI控制器的輸入-輸出關(guān)系的時(shí)域表達(dá)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(shí)域表達(dá)式是u(t)=Kp[e(t)++τd]，其相應(yīng)的傳遞函數(shù)表達(dá)式是Gc(s)=1++τds。在水箱水溫控制系統(tǒng)中，受控對(duì)象為水箱，被控量為水溫。頻域性能指標(biāo)與時(shí)域性能指標(biāo)有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，開(kāi)環(huán)頻域性能指標(biāo)中的幅值穿越頻率ωc對(duì)應(yīng)時(shí)域性能指標(biāo)調(diào)節(jié)時(shí)間ts，它們反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的快速性。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求可以概括為三個(gè)方面：穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，其中最基本要求是穩(wěn)定性。一階系統(tǒng)傳函標(biāo)準(zhǔn)形式是G(s)=，二階系統(tǒng)傳函標(biāo)準(zhǔn)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?？刂葡到y(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(wú)關(guān)。線性系統(tǒng)的對(duì)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(kāi)環(huán)極點(diǎn)個(gè)數(shù)，Z是指右半S平面的閉環(huán)極點(diǎn)個(gè)數(shù)，N是指奈奎斯曲線逆時(shí)針圍繞坐標(biāo)原點(diǎn)|N|圈。在二級(jí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖中，ts定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，δ%是超調(diào)量。若某單位負(fù)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)。能表達(dá)控制系統(tǒng)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)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(hào)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(diǎn)也無(wú)極點(diǎn)。三、選擇題（D）采用負(fù)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(dòng)態(tài)性能一定會(huì)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(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒(méi)有效果？A、增加開(kāi)環(huán)極點(diǎn)；B、在積分環(huán)節(jié)外加單位負(fù)反饋；C、增加開(kāi)環(huán)零點(diǎn)；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(diǎn)數(shù)為Z=2。4.（D）對(duì)于以下情況應(yīng)繪制0°根軌跡的是：A、主反饋口符號(hào)為“-”；B、除Kr外的其他參數(shù)變化時(shí)；C、非單位反饋系統(tǒng)；D、根軌跡方程（標(biāo)準(zhǔn)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(shuō)明：A、型別v<2,；B、系統(tǒng)不穩(wěn)定；C、輸入幅值過(guò)大；D、閉環(huán)傳遞函數(shù)中有一個(gè)積分環(huán)節(jié)。6.（A）開(kāi)環(huán)頻域性能指標(biāo)中的相角裕度γ對(duì)應(yīng)時(shí)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(shí)間ts；D、峰值時(shí)間tp試解釋下列基本概念自動(dòng)控制：在沒(méi)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(guò)程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)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(yùn)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(gè)參數(shù)，又稱為無(wú)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(diǎn)：在所有閉環(huán)極點(diǎn)中，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)起主導(dǎo)作用的極點(diǎn)，它的周圍沒(méi)有閉環(huán)零點(diǎn)，且其它閉環(huán)極點(diǎn)又遠(yuǎn)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(shí)的分貝值以下3分貝時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率稱為帶寬頻率wb。而頻率范圍（0，wb）稱為帶寬。控制系統(tǒng)的頻率特性：穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)在正弦信號(hào)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(hào)的關(guān)系稱為幅頻特性,?輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差與頻率之間的關(guān)系稱為相頻特性。簡(jiǎn)答題使用方框圖簡(jiǎn)述反饋控制原理。答：如圖所示：反饋控制是按偏差進(jìn)行控制的。偏差E出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)一定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shuō)明反饋控制系統(tǒng)的組成。試述在經(jīng)典控制理論中，自動(dòng)控制系統(tǒng)的三種基本控制方式。答：開(kāi)環(huán)控制（前饋控制）：信號(hào)從輸入到輸出無(wú)反饋，單向傳遞。閉環(huán)控制（反饋控制）：控制器與控制對(duì)象之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系。復(fù)合控制：由兩個(gè)及兩個(gè)以上簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)組合起來(lái)的控制一個(gè)或同時(shí)控制多個(gè)參數(shù)的控制系統(tǒng)。按元件類型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分類。答：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)。簡(jiǎn)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(lì)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(lái)描述信號(hào)的傳遞以及信號(hào)傳遞前后的關(guān)系。信號(hào)流圖：由若干結(jié)點(diǎn)以及連接這些節(jié)點(diǎn)的有向線段構(gòu)成的圖形，是一組信號(hào)（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(jiǎn)述求穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)終值定理的使用條件。答：除原點(diǎn)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(méi)有極點(diǎn)）。試簡(jiǎn)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(lì)量的拉氏變換之比。試簡(jiǎn)述測(cè)定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)方法。答：給系統(tǒng)施加一個(gè)外加激勵(lì)，觀測(cè)系統(tǒng)輸出，進(jìn)而推斷系統(tǒng)模型。試簡(jiǎn)述測(cè)定控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的兩種實(shí)驗(yàn)方法。（寫了3個(gè)自選2個(gè)）答：時(shí)域測(cè)定法：給系統(tǒng)施加一個(gè)確定性輸入，根據(jù)輸入輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。統(tǒng)