控制工程基础考卷带答案复习资料.pdf

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1、1对控制系统的基本要求一般可归结为_稳定性，准确性，快速性_、_、_。2自动控制系统对输入信号的响应，一般都包含两个分量，即一个是瞬态响应分量，另一个是_响应分量。3在闭环控制系统中，通过检测元件将输出量转变成与给定信号进行比较的信号，这个信号称为_。4若前向通道的传递函数为 G(s)，反馈通道的传递函数为 H(s)，则闭环传递函数为_。5 函数f(t)=te63的拉氏变换式是_。6 开环对数频率特性的低频段中频段高频段分别表征了系统的稳定性，动态特性，抗干扰能力。7Bode图中对数相频特性图上的180线对应于奈奎斯特图中的_。8已知单位反馈系统的开环传递函数为：20()(0.51)(0.04

2、1)G sss求出系统在单位阶跃输入时的稳态误差为。9闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点均位于 s 平面的_半平面。10设单位反馈控制系统的开环传递函数为10()1G ss，当系统作用有 xi(t)=2cos(2t-45)输入信号时，求系统的稳态输出为_。11已知传递函数为2()kG ss，则其对数幅频特性L（）在零分贝点处的频率数值为_。12 在系统开环对数频率特性曲线上，低频段部分主要由环节和决定。13惯性环节的传递函数11Ts，它的幅频特性的数学式是_,它的相频特性的数学式是_。14已知系统的单位阶跃响应为()1ttox ttee，则系统的脉冲脉冲响应为_。一、填空题（每空 1 分，

3、共 20 分）：1 稳定性，准确性，快速性；2 稳态；3 反馈；4)()(1)(sHsGsG；5 3()6F ss 6 稳定性，动态特性，抗干扰能力；7 负实轴；8 121 9 右半平面；10 4 5cos(255.3)5t 11 K;12 积分，比例；13 TTarctan,112 14 0,22teett 二、判断题：（每小题 1 分，共 10 分）1.在对数相频特性图中，L（）0范围内开环对数相频特性曲线由下而上穿过-180线时为正穿越。（）2.奈奎斯特稳定判据只能判断线性定常系统的稳定性，不能判断相对稳定性。（）3.最大超调量 Mp与系统的阻尼比和固有频率n有关。（）4.闭环传递函数中

4、积分环节的个数决定了系统的类型。（）5.Mason(梅逊公式)公式适用于线性和非线性定常系统。（）6.物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型。（）7.叠加定理可以用在非线性系统。（）8.传递函数是复数 s 域的系统数学模型，它仅取决于系统本身的结构及参数，与系统的输入形式无关。（）9.对于二阶系统，实际的工程常常设计成欠阻尼状态，且阻尼比以选择在为宜。（）10.一般系统的相位裕度应当在 30 度至 60 度之间，而幅值裕度应当大于 6dB。（）1 错误；2 正确；3 错误；4 错误；5 错误；6 正确；7 错误；8 正确；9 错误；10 正确。基本概念：第一章：1对控制系统的基本要求一般可以

5、归纳为：稳定性、快速性和准确性。其中稳定性的要求是系统工作的必要条件。随动系统对响应快速性要求较高。2开环与闭环系统的定义。分别举例说明 3对自动控制系统，按反馈情况可以分为哪些？按输出变化规律可分为哪些？第二章 1控制系统的数学模型有哪些表达方式？各自有何特点？2微分方程的定义，如何由微分方程推导到传递函数 3传递函数的定义：线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，称为该系统的传递函数。4传递函数的分子反映了系统同外界的联系，传递函数的分母反映了系统本身与外界无关的固有特性；5线性控制系统一般可由典型的环节所组成，这些典型环节分别为：比例环节，惯性环节，微分环节，

6、积分环节，振荡环节，延时环节。这些典型环节的传递函数分别是什么？6线性定常系统的稳定性取决于系统的结构和参数，与系统的输入信号无关。7下列哪些属于系统传递函数方框图的结构要素有：函数方框，相加点，分支点 第三章：时域分析 1我们常说的典型输入信号有哪些？2时间响应的概念：时间响应是指系统在输入信号作用下，系统输出随时间变化的函数关系 3时间响应分析是由零输入响应和零状态响应所组成的。不特别指明，时间响应都是指零状态响应 4瞬态过程、稳态过程的含义。5一阶惯性环节的传递函数为11)(TssG，其中T 的含义是什么？二阶振荡环节的传递函数为得 分 评卷人 2222)(nnnsssG，其中和分别是什

7、么？6二阶系统响应的性能指标有哪些？它们的计算公式分别是什么？第四章：频域分析 1频率响应的概念：系统对输入为谐波时的稳态响应称为频率响应 2频率特性的表示法:Nyquist 图（极坐标图，又称为幅相频率特性图）；Bode 图（对数坐标图，又称为对数频率特性图）3典型环节的 Bode 图 第五章：1系统稳定的充要条件为：系统的全部特征根都具有负实部；反之，若特征根中只要有一个或一个以上的正实部，则系统必不稳定。2稳定性的判据有那些：Routh 判据，Nyquist判据，Bode 判据。其中 Nyquist 稳定性判据是通过开环传递函数来判定闭环系统的稳定性 和幅值裕度来表示，是如何定义的？（书

8、 134,135 页）第六章 1PID 控制器中的 P、I、D 分别指按偏差的比例、积分、微分进行控制。PI,PD,PID 属于什么性质的校正，各有何特点？书 154，155，156 页(1)(),1(1)ccTsG sKTs，最大相位超前角11sinmm满足(1)(),1(1)cTsG sTs，最大滞后角为11m 一，填空（10*1 分=10 分）1、（控制的基本方式有哪些？）根据系统是否存在反馈，可将系统分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制没有反馈，闭环系统有反馈。2、反馈控制系统的基本组成：给定元件，测量元件，比较元件，放大元件，执行元件，校正元件。3、按系统的数学描述分类：线

9、性系统、非线性系统，按系统的传递信号的性质分类：连续系统、离散系统。4、对控制系统的性能要求：稳定性、快速性、准确性。5、已知 f(t)=8t+3t+2,求 f(t-2)的拉普拉斯变换ft2=6、数学模型：描述系统动态特性及各变量之间关系的数学表达式，分为动态数学模型和静态数学模型。7、建立控制系统数学模型的方法分为：分析法、实验法。8、对于非线性微分方程的线性化处理一般有两种方法：1.直接略去非线性因素，2.切线法或微小偏差法。9、信号流图是一种表示一组联立线性代数方程的图。是由节点和支路组成的信号传递网络。10、常用的脉冲输入试验信号有单位脉冲函数，单位阶跃函数，单位斜坡函数，单位加速度函

10、数，正弦函数等。11、根据极点分布情况，二阶系统分类如下：欠阻尼二阶系统、无阻尼二阶系统、临界阻尼二阶系统、过阻尼二阶系统。二，名词解释（3*4 分=12分）1、传递函数：单输入单输出线性定常系统在零初始条件下，输出量的拉氏变换与其输入量的拉氏变换之比。用 G（s）=C（s）/R（s）表示。2、时域响应：控制系统在外加作用（输入）激励下，其输出量随时间变化函数关系。任一稳态时域响应由瞬态响应和稳态响应两部分组成。3、最小相位系统：若系统的开环传递函数 G（s）在右半s平面内既无极点也无零点，则称为最小相位系统。在最小相位系统中，对数相频一一对应幅频。4、主导极点：若极点所决定的瞬态分量不仅持续

11、时间最长，而且其初始幅值也大，充分体现了它在系统响应中的主导作用，故称其为系统的主导极点。5、闭环频率特性：（略）三，问答题（3*8分=24 分）1，开环与闭环控制系统的优点与缺点？答：闭环控制系统的优点是采用了反馈，系统中真正起到调节的作用是偏差信号。所以，闭环系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化不敏感。对于给定的控制对象，有可能采用不太精密且成本较低的元件构成精密的控制系统，在开环情况下是不可能做到的。从稳定的角度出发，开环控制比较容易建立。闭环系统中，稳定性很难建立，因为闭环系统可能出现超调误差，从而导致系统做等幅振荡或变幅振荡。2，建立元件或系统的微分方程可依据以下步骤进行？答：1

12、.确立系统或者元件的输入量、输出量。2.按照信号的传递顺序，从系统的输入端开始，依据运动规律，列各环节的动态微分方程。3.消去所列各微分方程组中间变量，得系统的输入量、输出量之间关系的微分方程。4.整理得到微分方程。3，比较时域分析与频率特性分析的优缺点？答：时域分析法是种直接分析法，它根据所描述系统的微分方程或传递函数，求出系统的输出量随时间的规律，并由此来确定系统的性能。但不能对高阶系统进行分析，且求解复杂。频率特性分析与此不同的是它不是通过系统的闭环极点和零点来分析系统的性能，而是通过系统对正弦函数的稳态响应来分析系统性能，它将传递函数从复域引到频域中进行分析。利用频率特性分析不必求解微

13、分方程就可估算出系统的性能，从而简单、迅速地判断某些环节或参数对系统性能的影响，并能指明改进系统性能的方向。4，传递函数的零、极点和放大系数对系统性能的影响有哪些？答：1，极点决定系统固有运动属性。2，极点的位置决定模态的敛散性，即决定稳定性、快速性。3，零点决定运动模态的比重。4，传递系数决定了系统稳态传递性能。控制工程基础 一、填空题(每空 1分，共 20分)1.传递函数的定义是对于线性定常系统,在初始条件为零的条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。2.瞬态响应是系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终或稳定状态的响应过程。3.判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为负

14、实根或负实部的复数根，即系统的特征根必须全部在复平面的左半平面是系统稳定的充要条件。4.I 型系统G sKs s()()2在单位阶跃输入下，稳态误差为 0，在单位加速度输入下，稳态误差为。5.频率响应是系统对正弦输入稳态响应，频率特性包括幅频和相频两种特性。6.如果系统受扰动后偏离了原工作状态，扰动消失后，系统能自动恢复到原来的工作状态，这样的系统是(渐进)稳定的系统。7.传递函数的组成与输入、输出信号无关，仅仅决定于系统本身的结构和参数，并且只适于零初始条件下的线性定常系统。8.系统的稳态误差与输入信号的形式及系统的结构和参数或系统的开环传递函数有关。9.如果在系统中只有离散信号而没有连续信

15、号，则称此系统为离散(数字)控制系统，其输入、输出关系常用差分方程来描述。10.反馈控制系统开环对数幅频特性三频段的划分是以 c（截止频率）附近的区段为中频段，该段着重反映系统阶跃响应的稳定性和快速性；而低频段主要表明系统的稳态性能。11.对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、快速 性和精确或准确性。自动控制工程基础 一、单项选择题：1.某二阶系统阻尼比为 0，则系统阶跃响应为 A.发散振荡 B.单调衰减 C.衰减振荡 D.等幅振荡 2一阶系统 G(s)=1+TsK的时间常数 T 越小，则系统的输出响应达到稳态值的时间 A越长 B越短 C不变 D不定 3.传递函数反映了系统

16、的动态性能，它与下列哪项因素有关？A.输入信号 B.初始条件 C.系统的结构参数 D.输入信号和初始条件 4惯性环节的相频特性)(，当时，其相位移)(为 A-270B-180 C-90D0 5设积分环节的传递函数为 G(s)=s1，则其频率特性幅值 M()=A.KB.2K C.1D.21 6.有一线性系统，其输入分别为 u1(t)和 u2(t)时，输出分别为 y1(t)和 y2(t)。当输入为 a1u1(t)+a2u2(t)时(a1,a2为常数)，输出应为 A.a1y1(t)+y2(t)B.a1y1(t)+a2y2(t)C.a1y1(t)-a2y2(t)D.y1(t)+a2y2(t)7拉氏变换

17、将时间函数变换成 A正弦函数 B单位阶跃函数 C单位脉冲函数 D复变函数 8二阶系统当 01 时，如果减小，则输出响应的最大超调量%将 A.增加 B.减小 C.不变 D.不定 9线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下 A系统输出信号与输入信号之比 B系统输入信号与输出信号之比 C系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比 D系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 10余弦函数 cos 的拉氏变换是 A.s1B.22s C.22ssD.22s1 11.微分环节的频率特性相位移()=A.90 B.-90 C.0 D.-180 12.II 型系统开环对数幅频渐近特性的低频段斜率为 A.

18、-40(dB/dec)B.-20(dB/dec)C.0(dB/dec)D.+20(dB/dec)13令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的 A代数方程 B特征方程 C差分方程 D状态方程 14.主导极点的特点是 A.距离实轴很远 B.距离实轴很近 C.距离虚轴很远 D.距离虚轴很近 15采用负反馈连接时，如前向通道的传递函数为 G(s)，反馈通道的传递函数为 H(s)，则其等效传递函数为 A)s(G1)s(GB)s(H)s(G11 C)s(H)s(G1)s(GD)s(H)s(G1)s(G 一、单项选择题：1.D 2.B 3.C 4.C 5.C 6.B 7.D 8.A 9.D 1

19、0.C 二、填空题：1线性定常系统在正弦信号输入时，稳态输出与输入的相位移随频率而变化的函数关系称为_。2积分环节的对数幅频特性曲线是一条直线，直线的斜率为_dBdec。3对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、_快速性_和准确性。4单位阶跃函数 1（t）的拉氏变换为 。5二阶衰减振荡系统的阻尼比的范围为。6当且仅当闭环控制系统特征方程的所有根的实部都是_时，系统是稳定的。7系统输出量的实际值与_之间的偏差称为误差。8在单位斜坡输入信号作用下，0 型系统的稳态误差 ess=_。9设系统的频率特性为)(jI)j(R)j(G，则)(I称为。10.用频域法分析控制系统时，最常用的典

20、型输入信号是_。_原理，而非线性控制系统则不能。12.方框图中环节的基本连接方式有串联连接、并联连接和_连接。13.分析稳态误差时，将系统分为 0 型系统、I 型系统、II 型系统，这是按开环传递函数的_环节数来分类的。14.用频率法研究控制系统时，采用的图示法分为极坐标图示法和_图示法。15.决定二阶系统动态性能的两个重要参数是阻尼系数和_ 。二、填空题：1 相频特性 2 20_3_ 0 _4 s1510 6 负数 7 输出量的希望值 89 虚频特性 10.正弦函数 11._叠加_12._反馈 _13._积分_14._对数坐标_15.无阻尼自然振荡频率 wn 自动控制工程基础作业答案 作业一

21、 作业二 2.1 试建立图 21所示电网络的动态微分方程，并求其传递函数 解：（a）根据克希荷夫定律有)2()()1()(1)(iRtutuidtCtuoor 由（1）式可得，)()(dttdudttduCior 代入（2）式可得，)()()(dttdudttduRCtuoro 整理后得系统微分方程：dttduRCtudttduRCroo)()()(经拉氏变换后，得 )()()(sRCsUsUsRCsUroo 故传递函数为：1)()()(RCsRCssUsUsGro（c）根据克希荷夫定律有)2(1)()1()()(21idtCiRtutuiRtuoor 由（2）式可得，dttduRCRdttd

22、uRRRCiro)()()(12121 代入（1）式可得，)()()()()(221tudttduCRdttduRRCtuoror 整理后得系统微分方程：)()()()()(221tudttduCRtudttduRRCrroo 经拉氏变换后，得 )()()()()(221sUssUCRsUssURRCrroo 故传递函数为：1)(1)()()(212sRRCsCRsUsUsGro 2.2 求下列函数的拉氏变换：（1）22)(ttf （2）ttetf21)(（3）)35sin()(ttf （4）)12cos()(4.0tetft 解：（1）sssF22)(2 （2）2)2(11)(sssF（3）

23、由ttttf5cos235sin21)35sin()(故)25(253)25(23)25(25)(222ssssssF（4）2212)4.0(4.0)(sssF 2.3 求下列函数的拉氏反变换：（1）)3)(2(1)(ssssF （2）523)(2sssF 解：（1）由2132)3)(2(1)(ssssssF 故tteetf232)(RCR2Cur(t)uc(t)(a)R1RR0C0ur(t)uc(t)(b)ur(t)R1R2Cuc(t)ur(t)R1uc(t)(c)(d)C1CR2Cur(t)uc(t)(a)R1RR0C0ur(t)uc(t)(b)ur(t)R1R2Cuc(t)ur(t)R1

24、uc(t)(c)(d)C1 （2）由2222)1(223523)(ssssF 故tetft2sin23)(作业三 3.1 设单位反馈系统的开环传递函数为试求系统的单位阶跃响应及上升时间、超调量、调整时间。解：系统闭环传递函数111)1(1)1(11)1(1)(2sssssssssGB 与标准形式对比，可知 12nw ，12nw 故 1nw ，5.0 利用公式（314），系统单位阶跃响应为)5.05.01sin(5.011)(225.0arctgtetct 又 866.05.01122ndww 047.15.05.01122arctgarctg 故 418.2866.0047.1drwt 84%

25、3.16%100%100%225.015.01nswtee 3.2 已知单位负反馈二阶系统的单位阶跃响应曲线如图 31所示，试确定系统的开环传递函数。图 31 习题 3.2 图 解：由图可知 峰值时间1.0pt 超调量%20%100112.1%又因为%100%21e，故8925.0 21ndpwwt，故64.69nw 故系统开环传递函数)3.124(7.4849)64.698925.02(64.69)2()(22sssswsswsGnnK 3.3 已知单位负反馈系统的开环传递函数为 若要求16%，ts=6 s(5%误差带)，试确定 K、T 的值。解：由%16%100%21e，可得8987.0，

26、取9.0 63nswt，可得5556.0nw 又系统闭环传递函数为 TKTssTKKsTsKKTssKTssKTssKsGB22)1()1(1)1()(与标准形式对比，可知 19.0*5556.0*221nwT ，故 T1 225556.0nwTK 3.4 闭环系统的特征方程如下，试用代数判据判断系统的稳定性。(1)s3+20s2+9s+100=0 (2)s4+2s3+8s2+4s+3=0 解：（1）用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别，a3=1,a2=20,a1=9,a0=100均大于零，且有)1(1)(sssGKc(t)1.2100.1t)1()(TssKsGK1002000910100203 0

27、8000100110002020100920080100920020321 所以，此系统是稳定的。（2）用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别，a4=1，a3=2，a2=8，a1=4，a0=3均大于零，且有 38100420038100424 021 01241822 0364143224823 0108363334 所以，此系统是稳定的。3.5 已知单位负反馈系统的开环传递函数如下：（1）)12)(11.0(50)(sssGK（2）)22)(4()1(7)(2ssssssGK（3）)11.0()1(5)(2ssssGK求：2242)(tttr时，系统的稳态误差。解：讨论输入信号，2442)(2tttr

28、，即 A2，B4，C4（1）这是一个 0型系统，开环增益 K50；根据表 34，误差040450121aVpssKCKBKAe（2）将传递函数化成标准形式)15.0)(125.0()1(87)22)(4()1(7)(22sssssssssssGK 可见，这是一个 I型系统，开环增益 K87；根据表 34，误差732004874121aVpssKCKBKAe（3）可见，这是一个 II型系统，开环增益 K5；根据表 34，误差545400544121aVpssKCKBKAe 作业四 4.1 设系统开环传递函数如下，试绘制系统的对数幅频特性曲线。（1）102.01.0)(sssG（2）)13001)

29、(11.0)(1(10)(ssssG 解：（1）该系统开环增益 K0.1；有一个微分环节，即 v1，低频渐近线通过（1，20lg0.1）这点，斜率为 20；有一个惯性环节，对应转折频率为5002.011w。系统对数幅频特性曲线如下所示。(2)该系统开环增益 K10；无积分、微分环节，即 v0，低频渐近线通过（1，20lg10）这点，斜率为L()/dB2001020 dB/decL()/dB20 dB/dec10L()/dB20 dB/dec1050/(rad/s)/(rad/s)/(rad/s)L()/dB20 dB/dec050/(rad/s)100L()/dB20 dB/dec40 dB/

30、dec0.1100L()/dB20 dB/dec40 dB/dec300/(rad/s)(a)(b)(c)00/(rad/s)11000-20 1 0；有三个惯性环节，对应转折频率为1111w，101.012w，300300111w。系统对数幅频特性曲线如下所示 4.2 已知系统对数幅频特性曲线如下图所示，试写出它们的传递函数。（a）（b）解：（a）由系统开环对数幅频特性曲线可知，低频渐近线斜率为 0，所以系统不存在积分环节。另系统存在一个转折频率 10，且转折之后斜率增加20，故系统存在一个惯性环节。所以系统开环传递函数的表达式大致如下：)110/(sksG）且系统低频渐近线经过点（1，20

31、lgk），（10，20）两点，斜率为 0，可见 20lg20k 得 k=10 故系统开环传递函数为 )110/(10(ssG）（b）由系统开环对数幅频特性曲线可知，低频渐近线斜率为20，所以系统存在一个积分环节。另系统存在一个转折频率 100，且转折之后斜率增加20，故系统存在一个惯性环节。所以系统开环传递函数的表达式大致如下：)1100/(ssksG）且系统低频渐近线经过点（1，20lgk），（50，0）两点，斜率为20，即有 201lg50lglg200k 得 k=50 故系统开环传递函数为 L()/dB2001020 dB/decL()/dB20 dB/dec10L()/dB20 dB/

32、dec1050/(rad/s)/(rad/s)/(rad/s)L()/dB20 dB/dec050/(rad/s)10040 dB/decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec0.110060 dB/decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec300/(rad/s)80 dB/dec(a)(b)(c)(d)(e)(f)00/(rad/s)11000L()/dB2001020 dB/decL()/dB20 dB/dec10L()/dB20 dB/dec1050/(rad/s)/(rad/s)/(rad/s)L()/dB20 dB/dec050/(rad/s)10040 dB/

33、decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec0.110060 dB/decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec300/(rad/s)80 dB/dec(a)(b)(c)(d)(e)(f)00/(rad/s)110000 dB/decL()/dB20 dB/dec10L()/dB20 dB/dec1050/(rad/s)/(rad/s)/(rad/s)dec/(rad/s)10040 dB/decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec0.110060 dB/decL()/dB20 dB/dec40 dB/dec300/(rad/s)80 dB/dec(b)(c)(e)(f)00/(rad/s)1100020 -60