自动控制原理试卷

-1-自动控制理论复习资料自控期考试卷一、计算题1、已知二阶控制系统，其闭环传递函数为256252sss，求其自然振荡角频率n和阻尼比，并求上升时间rt、峰值时间pt、回复时间st，超调量(%)pM。（6分）解：二阶控制系统的标准形式为2222nnnwswsws(1分)对比256252sss得：25622nnww，解得：56.0nw（1分）所以自然振荡角频率为5rad/s,阻尼比为0.6.上升时间2222110.60.60.5495()1510.6rnarctgarctgtsw（1分）峰值时间220.785()1510.6pntsw（1分）回复时间331(),0.050.65sntsw；441.333(),0.020.65sntsw（1分）超调量0.3(%)100%100%9.43%ctgctgpMee（1分）2、简化下列自动控制系统结构方框图，并写出简化后的传递函数。（10分）解：-2-因此，其传递函数为：)()()()()()()()()()()(1)()()()()(143213434324321sHsGsGsGsGsHsGsGsGsGsGsGsGsGsGsG(2分)3、设单位反馈系统的开环传递函数为)5)(1(sssKsG，求取K的取值范围并判断系统的稳定性。（10分）解：ssKsssKsG54s)5)(1(23，其闭环传递函数为：KssKsGsGsG54s1123(2分）特征方程为054s23Kss列写劳斯判据：513s（1分）Ks42（1分）04201Ks（1分）Ks0（1分）若使系统稳定，则04200KK（2分）解得：200KK，没有交集，解矛盾，因此没有适合的K使系统稳定。(2分）4、单位负反馈的开环传递函数为)2)(1(sssKsG,试绘制其根轨迹。（10分）解：-3-（1）系统有三个开环极点,2p,1p,0p321没有开环0点，根轨迹起于,2p,1p,0p321点，终止于无穷远处，共有三条根轨迹。(1分)（2）由法则4可知道，实轴上的根轨迹区间为：]0,1[],2,[。(1分)（3）根轨迹渐进线与正实轴的夹角：(1分)1,0,3)12(kka有180,60a（4）根轨迹渐进线与正实轴的交点(1分)1321331iiap(5)分离点(1分)021111ddd解得58.1,42.021dd，根据实轴上的根轨迹区间可以知道，2d并不在根轨迹上，故舍去，42.01d是分离点。实轴上的分离点的分离角为90。（6）根轨迹与虚轴的交点令jws带入特征方程，并令实部虚部为0，有：02530223K解得：6,414.1w)(0,03,21KKw舍去(1分)根据以上条件，绘制根轨迹如下图：(4分)5、已知一反馈系统的开环传递函数为21()asGss，试求相位裕量为50°时的a的值，并求此时的幅值裕量。（10分）解：令sjw，带入得21()()awjGsjw（1分）-4-根据上式，幅值2221()awAww，相频()()180warctgaw（2分）根据题意有：()18050,ccww把代入相频特性表达式得：cc()501.19arctgawaw，此时，2221()11cccawAww（2分）联立两式解得：0.952,1.25caw（1分）此时210.952()sGss，()(0.952)180180ggwarctgw（2分）所以有：gg(0.952)00arctgww，10()ggkAw。（2分）6、已知换热器出口温度自动控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。流程图见图1。图1中，TT为温度测量变送器，TC为温度调节控制器。(14分)①此系统是前馈控制系统还是反馈控制系统？是开环控制系统还是闭环控制系统？②请画出自动控制系统的方框图,并分析图中每一个环节的作用。③方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号是什么？偏差信号，控制信号，操纵变量又是什么？④当出现扰动时,本系统是怎样进行调节的?图1换热器温度控制流程图解：①此控制系统是反馈控制系统，闭环控制系统。(2分)②系统自动控制的方框图见图2。（3分）图2温度控制系统方框图TT冷物料热物料蒸汽TCTCTT换热器电动阀x0y（温度）比较+-xeuQ给定值实测值反馈系统执行器控制对象干扰-5-图中，TT环节为测量温度，并把温度的非电量信号变成电量信号。比较环节把温度的电量信号和设定值相比较。TC环节计算温度调节的信号并把它传给执行器。执行器和一个变速电动机相连，推动阀门的开启和关闭。（2分）③如图2的方框图中，检测环节的输入信号是热物料的实际温度，输出信号是这一温度变成的电流信号；调节器的输入信号是和温度有一一对应关系的电流信号和给定值信号，输出值为两种信号相减的偏差信号，执行器吸收调节器的偏差信号为输入信号，输出为推动阀门开闭的电流信号或电压信号。（2分）整个系统的输入信号为给定值信号和干扰信号，输出信号为实际的温度信号。（1分）偏差信号为给定值信号和实际测量值信号的差值信号；控制信号为经过控制器计算而得的信号，它是阀门开闭的推动信号；操纵变量是指阀门的开闭大小的信号。（2分）④当出现干扰时，温度测量变送器将检测到变化的值，并和给定值进行比较，得到偏差信号，偏差信号经由温度调节器调节，得到合适的操纵变量给换热器的蒸汽调节阀，来调整蒸汽阀的开度和关度，最终达到恒温的操作。（2分）二、简答题1、自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备和生产过程）的某些物理量（或工作状态）能自动的按照预定的规律变化（或运行）。2、开环控制系统：系统的输出量对控制作用没有影响的系统称为开环控制系统。（1）开环控制系统中信号只有从输入到输出一条前向通道，输出与输入之间不存在反馈通道。如洗衣机就是一个开环控制系统。（2）系统的精度取决于组成系统的元、器件的精度和特性调整的精确度。优点：构造简单，维护容易，成本低，一般不存在稳定性问题。缺点：不能克服扰动对输出量的影响。3、闭环控制系统：系统的输出量经变换后反馈到输入端与输入量进行比较，根据偏差进行控制，形成闭合回路，这样的系统称为闭环控制系统，也称为反馈控制系统或偏差控制系统。（1）闭环控制系统中除了有前向通道外，还存在从输出端到输入端的反馈通道。（2）闭环系统的控制精度在很大程度上由形成反馈的测量元、器件的精度决定。优点：能削弱或消除外部扰动或闭环内主通道上各环节参数变化对输出量的影响。缺点：结构复杂，成本高，存在稳定性问题。4、自动控制系统的类型：一、恒值控制系统/随动控制系统。按给定量的特征分类。二、线性控制系统/非线性控制系统。按组成系统的元件的特征分类。三、连续控制系统/离散控制系统。按系统中信号是连续的还是离散的进行分类。四、单输入单输出系统/多输入多输出系统。5、确定系统/不确定系统6、集中参数系统/分布参数系统7、自动控制系统需要分析的问题：1.稳定性稳定性是对控制系统最基本的要求。当系统受到扰动作用后会偏离原来的平衡状态，但当扰动消失后，经过一定的时间，如果系统仍能回到原来的平衡状态，则称系统是稳定的。2.稳态性能准确性是对控制系统稳态性能的要求。稳态性能通常用稳态误差来表示。稳态误差是指当系统达到稳态后，输出量的实际值与期望值之间的误差。稳态误差越小，表示系统控制精度越高。-6-3.暂态性能系统从给定量或扰动量发生变化到系统重新达到稳态的过程称为暂态过程。对控制系统暂态性能的要求是快速性和相对稳定性总之，对自动控制系统，我们希望它能达到三方面的性能要求：稳准快。例如恒值系统一般对稳态性能限制比较严格，随动系统一般对动态性能要求较高。8、系统设计是在给出被控对象及其技术指标要求的情况下，寻求一个能完成控制任务、满足技术指标要求的控制系统。在控制系统的主要元件和结构形式确定的前提下，设计任务往往是需要改变系统的某些参数，有时还要改变系统的结构，选择合适的校正装置，计算、确定其参数，加入系统之中，使其满足预定的性能指标要求。这个过程称为系统的校正。9、传递函数的定义：线性定常系统的传递函数是在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，即10、传递函数的性质：传递函数的概念只适用于线性定常系统，它与线性常系数微分方程一一对应。传递函数仅与系统的结构和参数有关，与系统的输入无关。传递函数仅描述系统在零初始条件下输入和输出之间的关系，不反映系统内部中间变量如何传递。物理性质不同的系统可以具有相同的传递函数；而在同一系统中，取不同的物理量作为输入或输出时，传递函数是不同的。传递函数是s的有理分式，分母多项式称为系统的特征多项式。一个实际的即物理上可以实现的线性集总参数对象，总有分子的阶次m小于或等于分母的阶次n。此时称为n阶系统。自控试卷一一、填空题（每空1分，共15分）1、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过与反馈量的差值进行的。2、复合控制有两种基本形式：即按的前馈复合控制和按的前馈复合控制。3、两个传递函数分别为G1(s)与G2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为()Gs，则G(s)为（用G1(s)与G2(s)表示）。5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105ttgtee，则该系统的传递函数G(s)为。6、根轨迹起始于，终止于。7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tgtgT，则该系统的开环传递函数为。8、PI控制器的输入－输出关系的时域表达式是，其相应的传递函数为，由于积分环节的引入，可以改善系统的性能。二、选择题（每题2分，共20分）1、采用负反馈形式连接后，则()A、一定能使闭环系统稳定；B、系统动态性能一定会提高；C、一定能使干扰引起的误差逐渐减小，最后完全消除；D、需要调整系统的结构参数，才能改善系统性能。2、下列哪种措施对提高系统的稳定性没有效果()。A、增加开环极点；B、在积分环节外加单位负反馈；C、增加开环零点；D、引入串联超前校正装置。)()()(sRsCsG-7-3、系统特征方程为0632)(23ssssD，则系统()A、稳定；B、单位阶跃响应曲线为单调指数上升；C、临界稳定；D、右半平面闭环极点数2Z。4、系统在2)(ttr作用下的稳态误差sse，说明()A、型别2v；B、系统不稳定；C、输入幅值过大；D、闭环传递函数中有一个积分环节。5、对于以下情况应绘制0°根轨迹的是()A、主反馈口符号为“-”；B、除rK外的其他参数变化时；C、非单位反馈系统；D、根轨迹方程（标准形式）为1)()(sHsG。6、开环频域性能指标中的相角裕度对应时域性能指标()。A、超调%B、稳态误差sseC、调整时间stD、峰值时间pt7、已知开环幅频特性如图2所示，则图中不稳定的系统是()。系统①系统②系统③图2A、系统①B、系统②C、系统③D、都不稳定8、若某最小相位系统的相角裕度0，则下列说法正确的是()。A、不稳定；B、只有当幅值裕度1gk时才稳定；C、稳定；D、不能判用相角裕度判断系统的稳定性。9、若某串联校正装置的传递函数为1011001ss，则该校正装置属于()。A、超前校正B、滞后校正C、滞后-超前校正D、不能判断10、下列串联校正装置的传递函数中，能在1c处提供最大相位超前角的是：A、1011ssB、1010.11ssC、210.51ssD、0.11101ss三、(8分)试建立如图3所示电路的动