燕山大学控制工程基础标准试卷

科目控制工程基础班级机电控制工程班姓名学号时间燕山大学试卷密封线共8页第1页题号总分分数一.填空（选择）题（10分，每空0.5分）1.控制论所具有的三个要素有：、与。2.反馈控制原理是。3.对控制系统的基本要求一般有、、。4.系统的输出信号对控制作用的影响。(A)开环有(B)闭环有(C)都没有(D)都有5.一个稳定的系统，在瞬态过程结束后，系统的输出量与、和有关。6.对数判据是利用的频率特性来判别。7.下图所示a，b系统。ImRe0(-1,j0)s右半平面有一个开环极点ω→∞ω→-∞0PR=2ωωL(ω)-πφ(ω)ReIm(-1,j0)PR=2ω→∞ω=0(a)(b)(A)a稳定、b稳定(B)a稳定、b不稳定(C)a不稳定、b稳定(D)a不稳定、b不稳定8.若保持ωn不变而增大ζ值，则会使二阶振荡系统的超调量Mp。9.一阶惯性系统的调整时间与有关。10.若系统传递函数的极点和零点都位于s平面的左半部，这种系统称为。反之，若系统的传递函数具有位于s平面右半部的极点或零点，则系统称为。11.自动控制是在没有人直接参与的情况下利用使被控对象在一定精度范围内按照变化。二.简答题（10分，每题2分）1.动力学系统的数学模型主要包括哪些种类？获取系统的数学模型有哪些方法？2.频率特性的物理意义，频率特性与频率响应有何区别？频率响应是否只包含稳态响应？3.什么是相对稳定性？如何描述系统的相对稳定性？4.控制系统综合与校正的实质是什么？在系统校正中，常用的性能指标有哪些？5.控制系统的时域分析和频域分析各有什么特点？它们之间的联系与区别是什么？燕山大学试卷密封线共8页第2页三.画出图1、2的等效函数方框图，并求出传递函数（10分）。_Fi(s)Xo(s)k21k1+sfF(s)_1ms2图1图2通过调节节流阀使pL=1(t)，油缸活塞的直径为d。四.计算题一（10分）K4s(s+4)_E(s)R(s)C(s)0.2图3某控制系统如图3所示，已知K＝125，试求：(1)系统阶次，类型；(2)开环传递函数，开环放大倍数；(3)闭环传递函数，闭环零、极点；(4)自然振荡频率ωn，阻尼比ζ，阻尼振荡频率ωd；(5)调整时间ts(Δ=2%)，最大超调量σp%；(6)输入信号5)(tr时，系统的输出终值c(∞)、输出最大值cmax；五.计算题二（10分）通过过程控制，机器人可以让工具或焊接沿如图4a所示的预测路线运行。在图4b所示的闭环控制系统中，选择最简单的a、b、c的值，使闭环系统沿图4a所示的运行路线运行时的稳态误差不超过0.05。100r(t)t10203040R(s)C(s)1s(s+1)(s+2)absc/sE(s)_a)b)图4燕山大学试卷密封线共8页第3页六.计算题三（10分）设控制系统的开环传递函数为)11.0)(15.0(10)(ossssG(1)绘制系统的伯德图，并求相角裕度。(2)采用传递函数为1023.0123.0)(csssG的串联校正装置，试求校正后系统的相角裕度，并讨论校正后系统的性能有何改进。燕山大学试卷密封线共8页第4页燕山大学试卷密封线共8页第5页燕山大学试卷密封线共8页第6页燕山大学试卷密封线共8页第7页燕山大学试卷密封线共8页第8页燕山大学试题标准答案院(系):机械工程学院教研室:机电控制工程考核课程：控制工程基础07-08学年（春、秋）季学期考核类型：闭卷开卷涂卡考核专业年级：05机电控制工程1-2班命题教师：高英杰答题教师：高英杰一.填空（选择）题（10分，每空0.5分）1.控制论所具有的三个要素有：信息、反馈与控制。2.反馈控制原理是检测偏差用以纠正偏差。3.对控制系统的基本要求一般有稳定性、快速性、准确性。4.系统的输出信号对控制作用的影响B。(A)开环有(B)闭环有(C)都没有(D)都有5.一个稳定的系统，在瞬态过程结束后，系统的输出量与系统的类型、结构参数和输入量的形式有关。6.对数判据是利用开环传递函数的频率特性来判别闭环系统是否稳定。7.下图所示a，b系统A。ImRe0(-1,j0)s右半平面有一个开环极点ω→∞ω→-∞0PR=2ωωL(ω)-πφ(ω)ReIm(-1,j0)PR=2ω→∞ω=0(a)(b)(A)a稳定、b稳定(B)a稳定、b不稳定(C)a不稳定、b稳定(D)a不稳定、b不稳定8.若保持ωn不变而增大ζ值，则会使二阶振荡系统的超调量Mp减小。9.一阶惯性系统的调整时间与惯性时间常数有关。10.若系统传递函数的极点和零点都位于s平面的左半部，这种系统称为最小相位系统。反之，若系统的传递函数具有位于s平面右半部的极点或零点，则系统称为非最小相位系统。11.自动控制是在没有人直接参与的情况下利用控制装置使被控对象在一定精度范围内按照给定的规律变化。二.简答题（10分，每题2分）1.动力学系统的数学模型主要包括哪些种类？获取系统的数学模型有哪些方法？动力学系统的数学模型主要包括微分方程、传递函数、方框图。获取系统数学模型的方法主要有机理分析方法和实验辨识方法。2.频率特性的物理意义，频率特性与频率响应有何区别？频率响应是否只包含稳态响应？输出与输入正弦信号的幅值比)(A和相位差()随输入频率的变化规律，称为频率特性。频率响应是指控制系统或元件对正弦输入信号的稳态正弦输出响应。频率响应一般只包含稳态响应。3.什么是相对稳定性？如何描述系统的相对稳定性？相对稳定性是指系统距临界点的稳定性裕度。一般用相角裕度和幅值裕度来表征。4.控制系统综合与校正的实质是什么？在系统校正中，常用的性能指标有哪些？校正的实质就是通过引入校正装置的零、极点，来改变整个系统的零、极点分布，从而改变系统的频率特性或根轨迹的形状，使系统频率特性的低、中、高频段满足希望的性能或使系统的根轨迹穿越希望的闭环主导极点，即使得系统满足希望的动、静态性能指标要求。静态指标有：系统的稳态误差或开环放大倍数K动态指标：时域指标，通常用调节时间st和超调量pM(或%p)来描述；频域指标，一般用开环系统的相角裕度和幅值穿越频率(剪切频率)c、幅值裕度gK来表示。5.控制系统的时域分析和频域分析各有什么特点？它们之间的联系与区别是什么？时域法是分析控制系统的直接方法，比较直观。但对比较复杂的高阶系统难以直接求解，只适用于三、四阶以下的系统。这种方法难于确定如何调整系统结构或参数才能获得预期的效果。频率法在频率域内分析系统，(1)不需求解系统特征方程的根便可判断系统是否稳定及其稳定裕度等一系列特性，大大简化了运算，能准确而有效地回答控制系统的稳、准、快问题；(2)可以用频率特性分析仪等测试手段来精确测量控制系统的频率特性作为系统设计与综合的依据，对一些复杂系统或难于列写微分方程的系统有很大现实意义；(3)频率法便于对系统分析、综合与校正，以有效地改善控制系统品质，达到预期的效果，并且可以扩展应用到某些非线性系统分析中去。所有的分析方法都是对系统本身固有特性的描述，时域分析是对系统在时间域的描述，而频率法是利用频率特性对系统进行的描述。三.画出图1、2的等效函数方框图，并求出传递函数（10分）。_Fi(s)Xo(s)k21k1+sfF(s)_1ms2图11）2）3）212221320)()()(kkfskmskkmfsksFsXi图2通过调节节流阀使pL=1(t)，油缸活塞的直径为d。解：1）系统可以简化为：fxo(t)Fi(t)k2k1m其中：LipdtF4)(22）212221322)(4)()(kkfskskkmmfskdsPsXLo四.计算题一（10分）K4s(s+4)_E(s)R(s)C(s)0.2图3解：1）系统的开环传递函数：ssssK164251642.022。2）闭环传递函数：425255424/25522.016422222sssskKssKnnn3）系统为3阶1型系统4）开环放大倍数为255）闭环极点：因01，故1,2ndjs-，无零点6）231,54,252-ndn7）24nst(s)，%100%100)1exp(%342p---e8）输入信号5)(tr时，系统的输出终值c(∞)=5（稳态误差为零）9）系统的输出最大值cmax=5（1+σp%）。五.计算题二（10分）通过过程控制，机器人可以让工具或焊接沿如图4a所示的预测路线运行。在图4b所示的闭环控制系统中，选择最简单的a、b、c的值，使闭环系统沿图4a所示的运行路线运行时的稳态误差不超过0.05。100r(t)t10203040R(s)C(s)1s(s+1)(s+2)absc/sE(s)_a)b)图4解：1）调节器的传递函数为：scbsasD)(2）系统不加调节器时（即a=1,b=c=0）为1型系统，系统的输入信号为单位斜坡信号，其稳态误差为ssvv1eK=2（v0lim()()sKsGsHs=0.5）。3）为提高稳态精度，通过a)增加积分环节提高系统的类型，但对此系统，系统将不稳定。b)最简方式为提高系统的开环增益，40105.01100vssvvvssvKeaaKKe，a40六.计算题三（10分）设控制系统的开环传递函数为)11.0)(15.0(10)(ossssG(1)绘制系统的伯德图，并求相角裕度。(2)采用传递函数为1023.0123.0)(csssG的串联校正装置，试求校正后系统的相角裕度，并讨论校正后系统的性能有何改进。解：燕山大学试题标准答案共页第页燕山大学试题标准答案共页第页