东北大学《自动控制原理》王建辉主编 课后简答及简答补充

第1页共12页东北大学《自动控制原理》简答题注：阴影部分为补充简答题，非阴影部分为课后简答题第一章自动控制系统的基本概念1.什么是自动控制系统？自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？1)在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。2)6部分：给定环节：设定被控制量的给定值的装置；比较环节：检测的被控制量与给定量比较，确定两者之间的偏差量；中间环节：一般为放大环节，将偏差信号变换成适于控制执行机构执行的信号；执行机构：直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值；控制对象：要进行控制的设备或过程；检测装置：检测被控制量，并将其转化为与给定量相同的物理量。2.试比较开环控制系统与闭环控制系统的优缺点1)开环：优点：控制结构简单，稳定性好缺点：不能自动补偿扰动对输入量的影响，不具有抗干扰能力，稳定精度不高2）闭环：优点：控制精度高，依靠反馈环节自动调节克服扰动缺点：结构复杂，稳定性变差3.什么是系统的暂态过程？对一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加到某一个值时，输出量的暂态过程如何？1)系统从一个稳态过度到另一个稳态的需要经历的过渡过程。2)单调过程；衰减振荡过程；持续振荡过程；发散振荡过程4.试说明开环控制系统和闭环控制系统的工作原理开环：只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与控制闭环：将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环，使输出量产于控制第2页共12页5.试述反馈原理系统的输出量经过测量和变换后反馈到输入端，与给定的输入信号相比较得到偏差信号，偏差信号经控制器产生控制作用使输入量按要求变化，这就是反馈控制原理。反馈控制的特点是利用产生的偏差来控制和消除偏差，抗扰性较好，控制精度高。6.试述正反馈控制系统的特点正反馈控制可以增大开环放大系数，但是容易导致系统不稳定7.列出自动控制系统的类型，并叙述其分类原则，以及这些自动控制系统类型的特点按照结构（信号传递路径）分类，可将系统分为开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统特点：开、闭环见4复合控制系统：按偏差原则和按扰动补偿原则结合起来构成的系统成为复合控制系统。复合控制系统的1）优点：控制作用迅速，控制精度高2）缺点：结构复杂，元件多8.试述对于一般的控制系统当给定量突然增加时，输出量的暂态过程有哪几种情况1）单调过程2）衰减震荡3）持续震荡4）发散震荡9.画图说明当系统处于衰减震荡过程时的暂态性能指标教材P1210.评判系统的性能指标有那些，并简述其都包含那些参数1）稳定性：当扰动作用时输入量将偏离原来的稳定值，这时由于反馈，通过系统内部的自动调节，系统可以回到原来的值稳定下来2）稳态性能：当系统从一个稳态过渡到新的稳态或受到扰动又重新平衡后，系统可能出现偏差，这种偏差定义为稳态误差。反馈控制系统的稳态性能用稳态误差来表示。3）暂态性能（动态性能）：通常由上升时间rt、超调量%、调节次数和调节时间st来衡量系统的暂态性能指标11.画出反馈控制系统的组成框图，并说明各个环节的作用第3页共12页1给定环节：设定被控制量的给定值的装置；2比较环节：检测的被控制量与给定量比较，确定两者之间的偏差量；3中间环节：一般为放大环节，将偏差信号变换成适于控制执行机构执行的信号；4执行机构：直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值；5控制对象：要进行控制的设备或过程；6检测装置：检测被控制量，并将其转化为与给定量相同的物理量第二章自动控制系统的数学模型1.什么是系统的数学模型？在自动控制系统中常见的数学模型形式有哪些？1)描述系统因果关系的数学表达式2)微分方程、传递函数、状态方程、传递矩阵、结构框图和信号流图。2.简要说明用解析法编写自动控制系统动态微分方程的步骤。1)确定系统的输入量和输出量；2)从系统的输入端开始，沿着信号传递方向，逐次依据组成系统各元部件的有关物理规律，列写元件或环节的微分方程；3)消除中间变量，建立只有输入量和输出量及其各阶导数构成的微分方程。3.什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？就是将一个非线性函数在工作点展开成泰勒级数，略去二次以上的高次项，得到线性化方程，用来替代原来的非线性函数。综合来说，就是用某点的切线代替原非线性曲线。可以用来解决非线性微分方程4.什么是传递函数？定义传递函数的前提条件是什么？为什么要附加这个条126543第4页共12页件？传递函数有哪些特点？1)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。2)当初始条件为零3)在零初始条件下，传递函数与微分方程一致4)传递函数的特点：与系统本身参数有关，与输出量变化无关5.自动控制系统有哪几种典型环节？它们的传递函数是什么样的？比例环节KsW，惯性环节11TssW，积分环节sKsW，微分环节KssW，振荡环节2222nnnsssW，时滞环节sesW6.二阶系统是一个振荡环节，这种说法对么？为什么？当阻尼比0到1时是一个振荡环节，否则不是一个振荡环节。7.什么是系统的动态结构图？它等效变换的原则是什么？系统的动态结构图有哪几种典型的连接？将它们用图形的形式表示出来，并列写出典型连接的传递函数。将系统中所有的环节用方框图表示，图中表明其传递函数，并且按照在系统中各环节之间的关系，将各方框图连接起来。变换的原则：保持输出量不变8.什么是系统的开环传递函数？什么是系统的闭环传递函数？当给定量和扰动量同时作用于系统时，如何计算系统的输出量？系统的开环传递函数为前向通路传递函数与反馈通路传递函数之积。系统的闭环传递函数为输出的拉氏变换与输入拉氏变换之比。当给定量和扰动量同时作用于系统时，通过叠加原理计算系统的输出量。9.对于一个确定的自动控制系统，它的微分方程、传递函数和结构图的形式都将是唯一的。这种说法对么吗？为什么？不正确。第5页共12页第三章自动控制系统的时域分析1.控制系统的时域指标如何定义？动态性能指标与稳态性能指标2.系统的动态过程与系统的极点有什么对应关系？1）负实轴上的极点对应的暂态分量是指数衰减2）正实轴上的极点对应的暂态分量是指数发散3）实部小于零的共轭复极点对应的暂态分量是衰减震荡4）实部大于零的共轭复极点对应的暂态分量是发散震荡3.系统的时间常数对其动态过程有何影响？时间常数越大，动态过程越长，响应速度越慢4.提高系统的阻尼比对系统有什么影响？超调量减少，振荡次数减少，调节时间短，动态品质提高5.什么是主导极点？主导极点在系统分析中起什么作用？距离虚轴最近的极点，且实部小于其他极点的实部的0.2倍，且附近不存在零点。如果存在一对共轭主导极点，可以将高阶系统近似地看做二阶系统来分析。6.系统的稳定的条件是什么？所有的闭环特征根分布在s平面虚轴的左侧7.系统的稳定性与什么有关？线性系统的稳定性取决于系统本身的固有特性8.系统的稳定误差与哪些因素有关？系统的结构、系统的参数以及输入量的形式。9.如何减少系统的稳态误差？增大开环放大系数，提高系统阶次，引入前馈控制10.线性系统稳定的充分必要条件是什么系统特征方程的根全部为负实数或具有负实部的共轭复数，也就是所有闭环特征跟分布在s平面虚轴的左侧。11.什么是稳态误差，如何消除当系统从一个稳态过渡到新的稳态或受到扰动又重新平衡后，系统可能出现偏差，这种偏差定义为稳态误差。消除方法：1）增大系统的开环增益或扰动作用点之前的前向通道增益。第6页共12页2）在系统的前向通道或主反馈设置串联积分环节，可以消除系统在特定输入信号形式和特定扰动作用形式下的稳态误差。但要注意系统阶次越高，系统稳态精度越高，但系统稳定性愈差。一般采用的是0型、1型、2型3）采用串联控制抑制回路扰动4）采用前馈补偿方法，可以使系统有较高的稳态精度，又可以保证良好的动态性能第四章根轨迹法1.根轨迹法使用于哪类系统的分析?适用于高阶系统，特征跟很难直接求出来2.为什么可以利用系统开环零点和开环极点绘制闭环系统的根轨迹?绘制根轨迹实质就是当某一参数变化时，寻求闭环系统特征方程的变化轨迹，根轨迹一旦画出，对应某一Kg（或其他参数）的变化，就可以获得一组特征跟3.为什么说幅角条件是绘制根轨迹的充分必要条件Kg在0→内连续变化，总会找到一个Kg满足幅值条件，所以满足幅值条件的S点都是系统的特征跟，这些点的连线是根轨迹4.系统的开环零点、极点对根轨迹形状有什么影响开环零点：使系统的根轨迹向左弯曲，并在趋向于附加零点的方向发生形变开环极点：使系统的根轨迹在分离点处发生偏移，根轨迹向右弯曲5.什么是根轨迹根轨迹是用图解方法表示特征跟与系统参数全部数值关系的方法。根轨迹是开环传递函数的某一参数从零到无穷时，闭环系统特征根在复平面上变化的轨迹6.使用根轨迹分析系统性能的依据是什么基于线性系统的稳定性完全由它的特征跟决定，而系统的品质则取决于它的闭环零极点。故而，可以通过系统闭环零极点在复平面上的分布来分析系统的各项性能7.什么是主导极点距离虚轴最近的极点，且实部小于其他极点的实部的51，且附近不存在零点。8.什么是偶极子，在分析系统性能时候，什么情况可以忽略它的影响，什么时候不能忽略它的影响定义：一对零极点彼此相距很近，又非常靠近原点，且极点位于零点右边，称这样的零极点为偶极子或偶极点对第7页共12页在分析稳态性能时不能抵消．．．．，在分析系统动态性能时可以近似认为他们的影响相互抵消．．．．第五章频率法1.用时域与频域法分析设计和设计系统的主要区别是什么？时域法：可以直观的看出输出随时间的变化，但用微分方程求解系统的动态过程比较麻烦。频域法：1）由系统的频率特性间接的揭示了系统的动态特性和稳态特性2）可以简单迅速的判断某个环节或者参数对系统的动态特性和稳态特性的影响，指明改进系统的方向2.用时域法分析和设计系统的主要优点是什么？1）由系统的频率特性间接的揭示了系统的动态特性和稳态特性2）可以简单迅速的判断某个环节或者参数对系统的动态特性和稳态特性的影响，指明改进系统的方向3）频率特性可由实验确定，这在难以写出系统动态模型时更为适用3.奈氏稳定判据的本质是什么？用开环频率特性判定闭环系统的稳定性4.何谓幅值裕度和相位裕度幅值裕度：在等于相位截止频率j时，幅相频率特性的幅值)(jjwkW的倒数称为系统的增益裕度相位裕度：相位移)(c距离-180度的角度值，来衡量系统的相对稳定性5.试述二阶系统闭环频率特性与时域中阶跃相应之间的关系。6.试定性叙述伯德图各段与时域指标之间的对应关系。7.什么是系统的频率特性当输入信号与输出信号为非周期函数时，频率特性是输出信号的傅氏．．与输入信号的傅氏．．变换之比第8页共12页8.使用频率特性分析系统的特点是什么1）由系统的频率特性间接的揭示了系统的动态特性和稳态特性2）可以简单迅速的判断某个环节或者参数对系统的动态特性和稳态特性的影响，指明改进系统的方向3）频率特性可由实验确定，这在难以写出系统动态模型时更为适用第六章控制系统的校正及综合1.什么是系统的校正？系统校正有哪些方法？根据具体生产过程的工艺要求来设计一个控制系统，使其性能指标满足工艺的要求。根据校正装置和系统不可变部分的连接方式，通常可分为三种基本的校正方式：串联校正、反馈校正（也称并联校正）和前馈校正2.试说明超前网络和滞后网络的频率特征，他们各自有哪些特点？超前网络：在系统中加入一个相位超前的校正装置，使之在穿越频率处相位超前，以增加相位裕度。滞后网络：在低频段提高其增益，而在穿越频率附近，保持其相位移的大小几乎不变。超前校正会使带宽增加，加快系统的动态响应速度，滞后校正可改善系统的稳态特性，减少稳态误差。3.试说明频率法超前校正和滞后校正的使用条件超前校正：如果一个系统是稳定的，且具有满意的动态响应，但其动态响应较差时，则应改变特性的中频段和高频段，以改变穿越频率或相位裕度。滞后校正：如果一个系统是稳定的，且具有满意的动态响应，但稳态误差过大时，必须增加低频段增益以减小稳态误差，同时尽可能保持中频段和高频段特性不变。4.相位滞后网络的相位角滞后