自动控制理论复习(胡寿松)

自动控制理论总复习2009·11第一章概论一、学习指导与要求1．基本概念2．知识点自动控制、自动控制系统、反馈控制系统及原理、控制器、受控对象、扰动、控制装置、参考输入、反馈等。自动控制系统的组成、自动控制的基本控制方式、自动控制系统分类、对自动控制系统性能要求、控制系统工作原理分析等。二、思考题1．自动控制定义（P1）2．什么是反馈控制系统/闭环控制系统？（P2）3．自动控制系统基本控制方式有哪些?（P5）4．开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？（P5）5．对自动控制系统性能基本要求是什么？最主要的要求又是什么？（P13-14）6．自动控制系统的基本要求是、、（P13）7．一个控制系统至少包括和。（P2）稳定性快速性准确性控制装置受控对象8．反馈控制系统是根据和的偏差进行调节的控制系统。（P2）9．自动控制系统的分类：被控量给定值（1）．根据自动控制系统是否形成闭合回路来分类，控制系统可分为：（2）．根据信号的结构特点分类，控制系统可分为：（3）．根据给定值信号的特点分类，控制系统可分为：（4）．根据控制系统元件的特性分类，控制系统可分为：（5）．根据控制信号的形式分类，控制系统可分为开环控制系统、闭环控制系统反馈控制系统、前馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统线性控制系统、非线性控制系统连续控制系统、离散控制系统三、系统分析（1）、请在图1中标示出a、b、c、d应怎样连接才能成为负反馈系统？（2）、试画出系统的方框图，并简要分析系统的工作原理。例题1：图1是一电动机转速控制系统工作原理图：KM+E给定ur放大器触发器整流器电抗器电动机负载测速发电机abc+ufd–uan解：（1）a与d，b与c分别相连，即可使系统成为负反馈系统；（2）系统方框图为：uf△un给定ur放大器触发器整流器电动机负载测速发电机（3）系统的工作原理分析（略）。KM+E给定ur放大器触发器整流器电抗器电动机负载测速发电机abc+ufd–uan例题2：图2是一电炉温度控制系统原理示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工作过程，并指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用，最后画出系统方块图。电炉给定电压电压放大功放调压装置~220V电阻丝热电偶uf△uT给定ur放大器调压器电阻丝电炉热电偶解：⑴、系统工作过程及各部件的作用（略）；⑶、系统方框图为：⑵、被控对象：；被控量：；电炉给定电压电压放大功放调压装置~220V电阻丝热电偶电炉电炉炉温第二章自动控制系统数学模型一、学习指导与要求1．基本概念2．知识点数学模型、传递函数的定义、方框图、信号流图数学模型的形式；系统微分方程、传递函数的求取；传递函数的性质；典型环节的传递函数及其响应（动态特性）；方框图的连接形式及其等效变换（简化）；方框图的等效变换原则；信号流图的绘制及利用信号流图求取系统传递函数的方法。二、思考题1．令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的特征方程2．系统的传递函数（1）与输入信号有关（2）与输出信号有关（3）完全由系统的结构和参数决定（4）以上都不对3．对复杂系统的方框图，要求出系统的传递函数可以采用（1）终值定理（2）初值定理（3）梅森公式（4）拉氏反变换4．线性控制系统的特点是可以应用原理，而非线性控制系统则不能。叠加7．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：）（）（）（sHsGsG16．信号流图中，节点可以把所有的信号叠加，并把叠加后的信号传送到所有的输出支路。5．线性定常系统的传递函数，是在条件下，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。零初始输入支路8．信号流图中，支路表示了一个信号对另一个信号的函数关系，信号只能沿支路的方向传递。箭头9．从控制系统稳定性要求来看，系统一般是具有反馈形式。10．组成控制系统的基本功能单位是。11．系统方框图的简化应遵守的原则。12．解释“数学模型”，并列举三种数学模型形式。13．方框图的基本连接方式有哪几种?14．传递函数。15．写出五个典型环节的名称及其相应的传递函数表达式。负环节信号等效16．求下图所示系统方框图的输入/输出传递函数。G2G3G4H1H2R（s）C（s）G1G4H2G2G3G4H1R（s）C（s）G1解：G4H2G2G3G4R（s）C（s）G111GHG2G4R（s）C（s）G111GH24331HGGGR（s）C（s）24313232143211HGGHGGGGGGGGG24313232143211)(HGGHGGGGGGGGGsGG2G3G4R（s）C（s）G117．求下图所示系统方框图的输入/输出传递函数。R（s）C（s）411GGG2G3G4G1解：R（s）C（s）411GG21211GGGG43431GGGG432143322143211)(GGGGGGGGGGGGGGsGR（s）C（s）432143322143211GGGGGGGGGGGGGG18．求下图所示系统方框图的输入/输出传递函数。G1G2G3H1H2R（s）C（s）G1G2G3H1/G3H2R（s）C（s）解：C（s）G11+H1/G3R（s）232321HGGGG1+H1/G3R（s）2323211HGGGGGC（s）R（s）2321213213211HGGHGGGGGGGGC（s）2321213213211)(HGGHGGGGGGGGsG19．求下图所示系统方框图的输入/输出传递函数。G1G2G4G5G3R（s）C（s）G1G2G4G4G5G3R（s）C（s）解：G1G4G3R（s）C（s）54221GGGGG4R（s）C（s）321542211GGGGGGGG3215424211)(GGGGGGGGGsG解：方法1：A移动到B①A移动到B后，A、B互相调换位置G4G1G2G3G2H20.试利用结构图等效变换原则，简化下述结构图，并求取系统的C（S）/R（S）。G4（S）G1（S）G2（S）G3（S）H（S）RCABG4+G1G2G3————1+G2G3HG3（G4+G1G2）——————1+G2G3H③系统的C（S）/R（S）HGGGGGGSRSC3221431)()(方法2：B移动到A（略）②局部简化21.试利用结构图等效变换原则，简化下述结构图，并求取系统的C（S）/R（S）。G1（S）G2（S）H（S）R（S）C（S）解:1）同时将B处相加点前移，C处分支点后移G2G1H11/G11/G2G1G21/G1＋1/G2＋H1（3）系统的C（S）/R（S）G1G2————————1+G1＋G2＋G1G2HC（S）G1G2——=————————R（S）1+G1＋G2＋G1G2H（2）同时进行串联、并联22.试绘制下图所示系统结构图对应的信号流图；然后利用梅森公式求取系统传递函数。G2G1G3G4HRC123456解：1）选取节点如图所示；2）支路中的传递函数即为支路增益；3）注意符号并整理得到系统信号流图如下：123456G2G11G31－HG414)根据已求得的信号流图求取传递函数：123456G2G11G31－HG41前向通道有3条，即n=3，它们是P1=G1G3，P2=G2G3，P3=G1G4单独回路有2个，且互相接触。∑La=－G1H－G2H，而∑LbLc，∑LdLeLf，…=0△=1－∑La＋∑LbLc－∑LdLeLf＋…=1＋G1H＋G2H故：△1=1，△2=1,△3=1将上述各式代入梅森公式，得：HGHGGGGGGGPPPPPnkKK21413231133221111HGHGGGGGGGPPPPPnkKK21413231133221111HGHGGGGGGGPPPPPnkKK21413231133221111C(s)R(s)=一、学习指导与要求1．基本概念2．知识点第三章时域分析典型信号、性能指标、超调量等、稳定性的定义、性质、系统稳定的充分必要条件、判定系统稳定性的方法、误差、稳态误差、一阶系统、二阶系统、高阶系统、响应。典型信号特点、拉氏变换、一阶系统和二阶系统时域性能指标（动态与稳态的）分析与计算、二阶系统性能改善的措施、主导极点、偶极子概念、闭环极点位置与系统动态性能的关系、误差分析等。二、思考题1．单位阶跃函数、斜坡函数的拉氏变换分别是。2．在时域分析中，人们常说的过渡过程时间是指（1）上升时间（2）峰值时间（3）调整时间（4）延迟时间３．衡量一个控制系统准确性／精度的重要指标通常是指（1）上升时间（2）超调量（3）调整时间（4）稳态误差４．对于二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的（1）充分条件（2）必要条件（3）充分必要条件（4）以上都不是21,1ss５.若单位反馈系统在阶跃函数作用下，其稳态误差ess为常数，则此系统为（1）0型系统（2）I型系统（3）II型系统（4）III型系统8.一阶系统的阶跃响应(1)当时间常数T较大时有超调(2)当时间常数T较小时有超调(3)有超调(4)无超调６.设单位反馈控制系统的开环传递函数为G0(s)=，要求KV=20，则K等于（1）10（2）20（3）30（4）40)2s(sK47.设控制系统的开环传递函数为G(s)=，该系统为(1)0型系统(2)I型系统(3)II型系统(4)III型系统)2s)(1s(s109．一阶系统G(s)=的T越大，则系统的输出响应达到稳态值的时间（1）越长（2）越短（3）不变（4）不确定1+TsK10．控制系统的上升时间tr、调整时间tS等反映出系统的（1）相对稳定性（2）绝对稳定性（3）快速性（4）平稳性12．对于欠阻尼的二阶系统，当阻尼比ξ保持不变时，（1）无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp越大（2）无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp越小（3）无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp不变（4）无阻尼自然振荡频率ωn越大，系统的超调量σp不定11．二阶系统当01时，如果ζ增加，则输出响应的最大超调量将（1）减小（2）增加（3）不变（4）不确定13．在单位斜坡输入信号作用下，II型系统的稳态误差ess=。14．衡量控制系统动态响应的时域性能指标包括和性能指标。15．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中的环节数来分类的。16．二阶系统的阻尼系数ξ=时，为最佳阻尼系数。这时系统的平稳性与快速性都较理想。19．在0ξ1,ξ=0,ξ≥1三种情况下，试简述标准二阶系统的单位阶跃响应的特性。17．一阶系统的单位冲激响应为。1Ts118．稳态误差的定义0动态稳态积分0.707TteT120．系统稳定性是指系统在扰动消失后，由初始状态恢复到原来的状态的性能。21．在复域中，控制系统稳定的充分必要条件是什么？22．系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的（1）充分条件（2）必要条件（3）充分必要条件（4）以上都不是23．试解释线性控制系统稳定性，并说明系统稳定的充分必要条件是什么？偏差平衡24.如果系统中加入一个微分负反馈，将使系统的超调量P()。A.增加B.减小C.不变D.不定25．设一负反馈控制系统的方框图如图所示，受控对象的数学模型，输入信号为单位阶跃函数。求动态性能指标、、。（取）)35(10000ssG)(1)(ttr%stpt02.0C（s）G0R（s）1000351000)(1)()(200sssGsGsGn）（srad/69.311000554.0235n解：21nd21%enst4dpt26．设单位负反馈控制系统的开环传递函数为试求：（1）输入信号为时系统的动态性能指标、（2）输入信号为时系统的稳态误差ess。，)