2-1 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 用来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。 常见的数学模型形式有：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。 2-2 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。
2-3 什么是小偏差线性化这种方法能够解决哪类问题
在非线性曲线（方程）中的某一个工作点附近，取工作点的一阶导数，作为直线的斜率，来线性化非线性曲线的方法。
2-4 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件传递函数有哪些特点
传递函数：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。 定义传递函数的前提条件：当初始条件为零。
为什么要附加这个条件：在零初始条件下，传递函数与微分方程一致。 传递函数有哪些特点：
1．传递函数是复变量S 的有理真分式，具有复变函数的所有性质；n m ≤且所有系数均为实数。
2．传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。 3．传递函数与微分方程有相通性。
4．传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。
2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。
n
n n n m
m m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++=----11
101110)(ΛΛ ()
()
∏∏==++=
n
j j
m
i i s T s T K s W 1
111)( 其中n
m
a b K =
()
()
∏∏==++=
n
j j
m i i g p s z s K s W 1
1
)( 其中0
a b K g =
传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数，i z -为系统的零点，j p -为系统的极点。K 为传递函数的放大倍数，g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。 2-6 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 1．比例环节
u r
2．惯性环节
1/Cs
u r
3．积分环节
1/Cs
u r
4．微分环节
u r
5．振荡环节
6．时滞环节
2-7 二阶系统是一个振荡环节，这种说法对么为什么
当阻尼比10<<ξ时是一个振荡环节，否则不是一个振荡环节。
2-8 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
c
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。
2-9 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
答：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。 2-10 列写出梅逊增益公式的表达形式，并对公式中的符号进行简要说明。
2-11 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 答：不对。
2-12 试比较微分方程、传递函数 、结构图和信号流图的特点于适用范围。列出求系统传递函数的几种方法。
2-13 试求出图P2-1中各电路的传递函数W(s)=Uc(s)/Ur(s)。
(a)
(b )
(c )
解：（a ）解法1
：首先将上图转换为复阻抗图，
由欧姆定律得： I(s)=(U r -U c )/(R+Ls) 由此得结构图：
Uc
c (s) 图2-1 (a-s)
Uc=I(s)(1/Cs) 由此得结构图：
整个系统结构图如下：
根据系统结构图可以求得传递函数为：
W B (s)=U c /U r =[[1/(R+Ls)](1/Cs)]/[ 1+[1/(R+Ls)](1/Cs)] =1/[LCs 2+RCs+1]=1/[T L T C s 2+T C s+1] 其中：T L =L/R; T C =RC 解法2：由复阻抗图得到：
Cs
Ls R s U s I r 1)()(+
+=
1
)(1
1)
(1)
()(2++=
+
+==RCs Lcs s U Cs Cs
Ls R s U Cs
s I s U r r c 所以：
1
1
)()(2
++=RCs Lcs s U s U r c 解：（b ）解法1：首先将上图转换为复阻抗图，
(b )
根据电路分流公式如下： I 1R R 2
2121R R R I
I += 同理：2
11
2R R R I I +=
2)()(R Z s U s I r +=
其中：()1///1Z Cs Z = ()11
1111+=+=Cs R CS
Cs R Z 代入Z 中，则()()21
111111
111
11++=
+++=Cs R Cs R Cs Cs R Cs
Cs Cs R Cs Cs Z 21)
(111
)()(111+=++=Cs R s I Cs
R Cs Cs s I s I ()()()2
12111212
2
1112112
2
1221212)(21)(2
1
1)(1
21211)()
(121)()(1)()(R Cs
Cs R R Cs R Cs
Cs R s U Cs Cs R R Cs R s U R R Cs R Cs R Cs s U Cs Cs R R Cs R Cs R Cs s U R R Z s U Cs Cs R R Z s U R s I Cs s I s U r r r r r r c ++++++++=
++++++++=
++++=+=
所以：
()()()1
212212211
)()(2122212222112112121+++++=
+++++
+++=Cs R Cs R s C R R Cs R s C R R Cs
Cs R R Cs R Cs Cs R R Cs Cs R R Cs R s U s U r c
解法2：首先将上图转换为复阻抗图（如解法1图）
1
1)
()()(R s U s U s I c r -=
()1)(1)()(11112+=??
? ??
+=Cs R s I Cs Cs R s I s I
)()()(21s I s I s I +=
21)(1
)
()(R s I Cs
s I s U c += 画出其结构图如下：
化简上面的结构图如下：
应用梅逊增益公式：
∑=??=n
k k k r c T s U s U 1
1)()(
其中：b a L L --=?1
()2112
+-
=Cs R R R L a 、Cs
R L b 11-= 所以()()Cs
R Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R R R 11211112
12121+++=+++
=? ()211
2
1+=
Cs R R R T 、11=? Cs
R T 121
=
、12=? 所以：
()()()()1
2121
21
2121
2)()(212221222211211211211112
+++++=
+++++=
+++++=Cs R Cs R s C R R Cs R s C R R Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R Cs
R Cs R Cs R Cs R Cs R Cs R R R s U s U r c
解：(c) 解法与(b)相同，只是参数不同。
2-14 试求出图P2-2中各有源网络的传递函数W(s)=Uc(s)/Ur(s)。
解：（a ）
1
)()(Z Z
s U s U r c -= 其中：
()()1111
111111111+=+=
+
=s T s
C s C R s C s C R Z 1111
//1
000000000
000+=+=+
==s T R s C R R s
C R s C R R s C Z 其中：111C R T =、000C R T =
所以：
()()111
)()(1010++-
=s T s T s
C R s U s U r c
(b)
(c)
C 1
(a)
解：（b ）如图：
将滑动电阻分为2R 和3R ，
10I I =
0)
(R s U I r =
，
s
C R R R Z
s U I c 1133
11
)(+
+-
=，其中
()11111111
11211121111
2+++=++=+
+=s C R R s C R R s C R R R s
C R s C R R Z
所以：
()[]()[]11122
213101310
1133111)
()
(R s C R R s
C R R R s C R R R s C R R R Z s U s U r c ++++-
=???
? ??++-=
解：（c ）解法与（b ）相同。
2-15 求图P2-3所示各机械运动系统的传递函数。 (1)求图(a)的
?)()(=s X s X r c (2)求图(b)的?)()
(=s X s X r c
(3)求图(c)的?)()(12=s X s X (4)求图(c)的?)
()
(1=s F s X
(a)
(b)
r (t)
(t) B (a)
r (t)
c (t) (b)
X 2(t)
X 1(t)
B 1
B 2
(c)
2-16如图P2-4所示为一个带阻尼的质量弹簧系统，求其数学模型。
图p2-4
2-17 图P2-4所示为一齿轮传动系统。设此机构无间隙、无变形。
(1)列出以力矩M r 为输入量，转角为输出量的运动方程式，并求其传递函数。 (2)列出以力矩M r 为输入量，转角1θ为输出量的运动方程式，并求出其传递函数。
D 4
D 1
c
2-18 图P2-6所示为一磁场控制的直流电动机。设工作时电枢电流不变，控制电压加在励磁绕组上，输出为电机位移，求传递函数)
()
()(s U s s W r θ=。
图P2-6
f
f
2-19图P2-7所示为一用作放大器的直流发电机，原电机以恒定转速运行。试确定传递函数
)()
()
(s W s U s W r c =，假设不计发电机的电枢电感和电阻。
图P2-7
c
2-20 图P2-8所示为串联液位系统，求其数学模型。
2-21 一台生产过程设备是由液容为C 1和C 2的两个液箱组成，如图P2-9所示。图中Q 为稳态液体流量)(3
s m
,q 1为液箱1输入流量对稳态值得微小变化)(3s m ，q 2为液箱1到液箱2
流量对稳态值得微小变化)(3
s m
，q 3为液箱2输出流量对稳态值得微小变化)(3s m ，1
H
为液箱1的稳态液面高度(m)，h 1为液箱1液面高度对其稳态值的微小变化(m)， 2H 为液箱2的稳态液面高度(m)，h 2为液箱2液面高度对其稳态值的微小变化(m)，R 1为液箱1输出管的液阻))((3
s m m ，R 2为液箱2输出管的液阻))((3
s m m 。
(1)试确定以为输入量、为输出量时该液面系统的传递函数； (2)试确定以为输入，以为输出时该液面系统的传递函数。（提示：流量(Q)=液高(H)/液阻(R)，液箱的液容等于液箱的截面面积，液阻(R)=液面差变化(h)/流量变化(q)。）
液箱1
Q 液箱2
2q Q +
3q Q +
图P2-9
2-22 图P2-10所示为一个电加热器的示意图。该加热器的输入量为加热电压u 1,输出量为加热器内的温度T 0,q i 为加到加热器的热量，q 0为加热器向外散发的热量，T i 为加热器周围的温度。设加热器的热阻和热容已知，试求加热器的传递函数)()()(0s U s T s G t =。
图 P2-10
2-23
热交换器如图P2-11所示，利用夹套中的蒸汽加热罐中的热体。设夹套中的蒸汽的温
度为T i ；输入到罐中热体的流量为Q 1，温度为T 1；由罐内输出的热体的流量为Q 2，温度为
T 2；罐内液体的体积为V ，温度为T 0(由于有搅拌作用，可以认为罐内液体的温度是均匀的)，并且假设T 2=T 0，Q 2=Q 1=Q(Q 为液体的流量)。求当以夹套蒸汽温度的变化为输入量、以流出液体的温度变化为输出量时系统的传递函数(设流入液体的温度保持不变)。
图 P2-11
2-24 已知一系列由如下方程组成，试绘制系统方框图，并求出闭环传递函数。
)
()()()()]()()([)()]()()()[()()()]()()[()()()(3435233612287111s X s W s X s W s W s X s X s X s X s W s X s W s X s X s W s W s W s W s X s X c c c r =-=-=--=
解：由以上四个方程式，可以得到以下四个子结构图 1．
X 1(s)=X r (s)W 1(s)- W 1(s)[ W 7(s)- W 8(s)]X c (s)
X r c
2.
X 2(s)= W 2(s)[ X 1(s)- W 6(s)X 3
(s)]
X (s)
3.
X 3(s)=[ X 2(s)- X c (s)W 5(s)] W 3(s)
X (s)
4.
X c (s)=W 4(s)X 3(s)
X 3
将以上四个子框图按相同的信号线依次相连，可以得到整个系统的框图如下：
利用梅逊公式可以求出闭环传递函数为： L 11=－W 1(s) W 2(s) W 3(s) W 4(s)[ W 7(s)- W 8(s)] L 12=－W 3(s) W 4(s) W 5(s) L 13=－W 2(s) W 3(s) W 6(s) L 2=0
T 1= W 1(s)W 2(s) W 3(s) W 4(s)
△ 1=1 △ =1+ W 1(s) W 2(s) W 3(s) W 4(s)[ W 7(s)- W 8(s)]+ W 3(s) W 4(s) W 5(s)+ W 2(s) W 3(s) W 6(s)
[]6
3254387432143211
11)()()(W W W W W W W W W W W W W W W W T s X s X s W r c B ++-+=
?
?==
X r
2-25 试分别化简图P2-12和图P2-13所示结构图，并求出相应的传递函数。
图 P2-12
解：化简图P2-12如下：
图 P2-12
继续化简如下：
图 P2-12
所以：
()()
11/11221212
12212121-++=-++=H W H W W W W W H H W W W W X X r c 解：化简图P2-12如下：
图 P2-13
进一步化简如下： 所以：
()()()()()()2
3112322113
212223113
213
12231132123113
2111111111H W H W H W H W H W W W W H W H W H W W W W W W H H W H W W W W H W H W W W W X X r
c ++++=
+++=
+++++=
2-26 求如图P2-14所示系统的传递函数)()()(1s X s X s W r c =，)
()
()(2s X s X s W d c =。
图 P2-14
图 P2-13
图 P2-13
解：
1．求W 1(s)=Xc(s)/Xr(s)的等效电路如下（主要利用线性电路叠加原理，令X d =0）
上图可以化简为下图
由此得到传递函数为：
W 1(s)=Xc(s)/Xr(s)=[W 1W 2]/[1-W 2H 2+W 1W 2H 3] 2. 应用梅逊增益公式：
∑=??=n
k k k d c T X X 1
1 其中：b a L L --=?1，321H W W L a -=，22H W L b =
223211H W H W W -+=?
21W T =,11=?,1212H W W T -=,12=?
所以：
2
23211
2121W W H W W H W W W X X d c -+-=
2-27 求如图P2-15所示系统的传递函数。
图 P2-15
应用梅逊增益公式：
∑=??=n
k k k r c T X X 1
1 其中：e d c b a L L L L L -----=?1
1
1H W L a -=，
2
2H W L b -=，
3
32H W W L c -=，
4
4321H W W W W L d -=，
45432H W W W W L d -=
43211W W W W T =，11=?，54322W W W W T =，1121H W +=?
所以：
()4
543244321332221111543243211111H W W W W H W W W W H W W H W H W H W W W W W W W W W T X X n k k k r c +++++++=??=∑
= 2-28 求如图P2-16所示系统的闭环传递函数。
R C 图 P2-16
C 2
解：
将上述电路用复阻抗表示后，利用运算放大器反向放大电路的基本知识，即可求解如下：
由上图可以求出：
U 1(s)=－[Z 1/R 0](Ur(s)+Uc(s)) U 2(s)=－U 1(s)/[R 2C 2s] Uc(s)=－[R 4/R 3]U 2(s)
根据以上三式可以得出系统结构图如下：
其中：Z 1=R 1//(1/C 1s)=R 1/[T 1s+1] T 1=R 1C 1 令：R 2C 2=T 2 R 1/R 0=K 10 R 4/R 3=K 43 得到传递函数为：
W B (s)=Ur/Uc=－[K 10K 43]/[T 2s(T 1s+1)+ K 10K 43]
2-29 图P2-17所示为一位置随动系统，如果电机电枢电感很小可忽略不计，并且不计系统的负载和黏性摩擦，设c f r r u u β?β?==,，其中r ?、c ?分别为位置给定电位计及反馈电位计的转角，减速器的各齿轮的齿数以N i 表示之。试绘制系统的结构图并求系统的传递函数。
2-30 画出图P2-18所示结构图的信号流图，用梅逊增益公式来求传递函数)
()
()(s X s X s W r c r =
，)
()
()(s X s X s W d c d =
。 解：应用梅逊增益公式：
∑=??==n
k k k r c r T X X s W 1
1)(
其中：c b a L L L ---=?1， 32321H H W W W L a -=，3232H H W W L b -=，33H W L c -=，
333232323211H W H H W W H H W W W +++=?，3211W W W T =，11=?，42W T =，3332323232121H W H H W W H H W W W +++=?
所以：
图 P2-17
u r
2
图 P2-18
X
自动控制原理期末考试卷与答案 一、填空题（每空 1 分，共20分） 1、对自动控制系统的基本要求可以概括为三个方面，即： 稳定性 、快速性和 准确性 。 2、控制系统的 输出拉氏变换与输入拉氏变换在零初始条件下的比值 称为传递函数。 3、在经典控制理论中，可采用 劳斯判据(或：时域分析法)、根轨迹法或奈奎斯特判据(或：频域分析法) 等方法判断线性控制系统稳定性。 4、控制系统的数学模型，取决于系统 结构 和 参数, 与外作用及初始条件无关。 5、线性系统的对数幅频特性，纵坐标取值为 20lg ()A ω(或：()L ω)，横坐标为lg ω 。 6、奈奎斯特稳定判据中，Z = P - R ，其中P 是指 开环传函中具有正实部的极点的个数，Z 是指 闭环传函中具有正实部的极点的个数，R 指 奈氏曲线逆时针方向包围 (-1, j0 )整圈数。 7、在二阶系统的单位阶跃响应图中，s t 定义为 调整时间 。%σ是超调量 。 8、设系统的开环传递函数为12(1)(1) K s T s T s ++，则其开环幅频特性为 2212()()1()1A T T ωωωω= +?+，相频特性为 01112()90()() tg T tg T ?ωωω--=---。 9、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过 给定值 与反馈量的差值进行的。 10、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5() 105t t g t e e --=+，则该系统的传递函数G(s)为 105 0.20.5s s s s + ++。 11、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为 开环控制系统；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为 闭环控制系统；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于 闭环控制系统。 12、根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。 13、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统 稳定。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用劳斯判据；在频域分析中采用奈奎斯特判据。 14、频域性能指标与时域性能指标有着对应关系，开环频域性能指标中的幅值越频率c ω对应时域性能指标 调整时间s t ，它们反映了系统动态过程的快速性 二、(8分)试建立如图3所示电路的动态微分方程，并求传递函数。 图3 解：1、建立电路的动态微分方程 根据KCL 有 2 00i 10i ) t (u )]t (u )t (d[u )t (u )t (u R dt C R =-+- (2分) 即 )t (u ) t (du )t (u )()t (du i 2i 21021021R dt C R R R R dt C R R +=++ (2分) 2、求传递函数 对微分方程进行拉氏变换得 )(U )(U )(U )()(U i 2i 21021021s R s Cs R R s R R s Cs R R +=++ (2分)
自动控制原理 2-1 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? 用来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。 常见的数学模型形式有：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。 2-2 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。 2-3 什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？ 在非线性曲线（方程）中的某一个工作点附近，取工作点的一阶导数，作为直线的斜率，来线性化非线性曲线的方法。 2-4 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件？传递函数有哪些特点？ 传递函数：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。 定义传递函数的前提条件：当初始条件为零。 为什么要附加这个条件：在零初始条件下，传递函数与微分方程一致。 传递函数有哪些特点： 1．传递函数是复变量S 的有理真分式，具有复变函数的所有性质；n m ≤且所有系数均为实数。 2．传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。 3．传递函数与微分方程有相通性。 4．传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。 2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。 n n n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++=----11 101110)( () () ∏∏==++= n j j m i i s T s T K s W 1 111)( 其中n m a b K = () () ∏∏==++= n j j m i i g p s z s K s W 1 1 )( 其中0 a b K g = 传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数，i z -为系统的零点，j p -为系统的极点。K 为传递函数的放大倍数，g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。
《 自动控制原理 》典型考试试题 （时间120分钟） 院/系 专业 姓名 学号 第二章：主要是化简系统结构图求系统的传递函数，可以用化简，也可以用梅逊公式来求 一、（共15分）已知系统的结构图如图所示。请写出系统在输入r(t)和扰动n(t)同时作用下的输出C(s)的表达式。 G4 H1G3 G1 G 2 N(s)C(s) R(s) - -+ + + 二 、（共15分）已知系统的结构图如图所示。 试求传递函数 )()(s R s C ，) () (s N s C 。 三、（共15分）已知系统的结构图如图所示。 试确定系统的闭环传递函数C(s)/R(s)。 G1 G2 R(s) - + + C(s) - + 四、（共15分）系统结构图如图所示，求X(s)的表达式
G4(s)G6(s) G5(s)G1(s) G2(s) N(s) C(s) R(s) -- G3(s) X(s) 五、（共15分）已知系统的结构图如图所示。 试确定系统的闭环传递函数C(s)/R(s)和C(s)/D(s)。 G1 G2 R(s) - + + C(s) -+ D(s) G3G4 六、（共15分）系统的结构图如图所示，试求该系统的闭环传递函数 ) () (s R s C 。 七、（15分）试用结构图等效化简求题图所示各系统的传递函数 ) () (s R s C
一、（共15分）某控制系统的方框图如图所示，欲保证阻尼比ξ=0.7和响应单位斜坡函数的稳态误差为ss e =0.25,试确定系统参数K 、τ。 二、（共10分）设图（a ）所示系统的单位阶跃响应如图（b ）所示。试确定系统参数,1K 2K 和a 。 三、（共15分）已知系统结构图如下所示。求系统在输入r(t)=t 和扰动信号d(t)=1(t)作用下的稳态误差和稳态输出)(∞C 2/(1+0.1s) R(s) - C(s) 4/s(s+2) E(s) D(s) 四、（共10分）已知单位负反馈系统的开环传递函数为： 2()(2)(4)(625) K G s s s s s = ++++ 试确定引起闭环系统等幅振荡时的K 值和相应的振荡频率ω 五、（15分）设单位反馈系统的开环传递函数为 1 2 ) 1()(23++++=s s s s K s G α 若系统以2rad/s 频率持续振荡，试确定相应的K 和α值 第三章：主要包括稳、准、快3个方面 稳定性有2题，绝对稳定性判断，主要是用劳斯判据，特别是临界稳定中出现全零行问题。 相对稳定性判断，主要是稳定度问题，就是要求所有极点均在s=-a 垂线左测问题，就是将s=w-a 代入D(s)=0中，再判断稳定 快速性主要是要记住二阶系统在0<ξ<1时的单位阶跃响应公式以及指标求取的公式。 准确性主要是稳态误差的公式以及动态误差级数两方面
21.一线性系统，当输入是单位脉冲函数时，其输出象函数与 传递函数 相同。 22.输入信号和反馈信号之间的比较结果称为 偏差 。 23.对于最小相位系统一般只要知道系统的 开环幅频特性 就可以判断其稳定性。 24.设一阶系统的传递G(s)=7/(s+2)，其阶跃响应曲线在t=0处的切线斜率为 2 。 25.当输入为正弦函数时，频率特性G(j ω)与传递函数G(s)的关系为 s=j ω 。 26.机械结构动柔度的倒数称为 动刚度 。 27.当乃氏图逆时针从第二象限越过负实轴到第三象限去时称为 正穿 越 。 28.二阶系统对加速度信号响应的稳态误差为 1/K 。即不能跟踪加速 度信号。 29.根轨迹法是通过 开环传递函数 直接寻找闭环根轨迹。 30.若要求系统的快速性好，则闭环极点应距虚轴越 远 越好。 21.对控制系统的首要要求是系统具有 .稳定性 。 22.在驱动力矩一定的条件下，机电系统的转动惯量越小，其 .加速性能 越好。 23.某典型环节的传递函数是2 1)(+=s s G ，则系统的时间常数是 0.5 。 24.延迟环节不改变系统的幅频特性，仅使 相频特性 发生变化。 25.二阶系统当输入为单位斜坡函数时，其响应的稳态误差恒为 2ζ
/ωn 。 26.反馈控制原理是 检测偏差并纠正偏差的 原 理。 27.已知超前校正装置的传递函数为1 32.012)(++= s s s G c ，其最大超前角所对应的频率=m ω 1.25 。 28.在扰动作用点与偏差信号之间加上 积分环节 能使静态误差降 为0。 29.超前校正主要是用于改善稳定性和 快速性 。 30.一般讲系统的加速度误差指输入是 静态位置误差系数 所引起 的输出位置上的误差。 21.“经典控制理论”的内容是以 传递函数 为基础的。 22.控制系统线性化过程中，变量的偏移越小，则线性化的精度 越高 。 23.某典型环节的传递函数是21)(+=s s G ，则系统的时间常数是 0.5 。 24.延迟环节不改变系统的幅频特性，仅使 相频特性 发生变化。 25.若要全面地评价系统的相对稳定性，需要同时根据相位裕量和 幅值裕量 来做出判断。 26.一般讲系统的加速度误差指输入是 匀加速度 所引起的输出位 置上的误差。 27.输入相同时，系统型次越高，稳态误差越 小 。 28.系统主反馈回路中最常见的校正形式是 串联校正 和反馈校正 29.已知超前校正装置的传递函数为1 32.012)(++=s s s G c ，其最大超前角所对应的频
第3章 自动控制系统的时域分析 1．控制系统框图如图所示，试求 （1）当时，系统的阻尼系数ζ 、无阻尼自然振荡频率以及系统对单位斜坡输入的稳态误差e ss ； （2 ）当时重复（ 1）的要求；（3）要使系统的阻尼系数 ，单位斜坡输入信号作用下系统的稳态误差 ，试确定和的数值，并计算在此参数情况下，系统单位阶跃响应的超调量、上升时间和调整时间。[上海交通大学 2006研 ] 图3-1 解：（1 ）由题意可得该系统的闭环传递函数为所以有 ，从而可得由于系统的开环增益 ，为Ⅰ型系统，因此在斜坡输入作用下的稳态误差 为（2）由题意可得该系统的闭环传递函数为
所以有 ，从而可得 由于系统的开环增益，为Ⅰ型系统，因此在斜坡输入作用下的稳态误差为（ 3 ）由题意可得该系统的闭环传递函数为 由于已知 ，所以可求得 。从而可 得 系统单位阶跃响应的超调量为；上升时间为 ；调整时间为 2．某系统结构如图所示，其中 试设计校正环节，使该系统在输入r（ t）＝t作用下的稳态误差为零。[南京航空航天大学2003 研] 图3-2 解：若要求在输入r（ t）＝t作用下的稳态误差为零，则系统必为Ⅱ型系统，即必须是Ⅰ型系统。 若设，则系统的闭环特征方程为
该特征方程有缺项，因此系统不稳定，不符合题意要求。 设，则系统的闭环特征方程为 列写劳斯表可得 要使系统稳定，则需满足以下条件即可。 由以上分析可知，，并满足即可满足题意要求。 3．控制系统的结构如图3-3所示。 （1）当输入r（t）为单位阶跃函数，n（t）＝0时，试选择K和K t，使得闭环系统的超调量调整时间；并计算稳态位置，速度和加速度误差 系数K p、K v、K a； （2）设干扰n（t）＝0，输入r（t）＝t，试问K和K t之值对稳态误差有何影响？ （3）设输入r（t）＝0。当干扰n（t）为单位阶跃函数时，K和K t之值对稳态误差有何影响？[西安交通大学研]
一、 填空题 1、线性定常连续控制系统按其输入量的变化规律特性可分为_恒值控制_系统、随动系统和_程序控制_系统。 2、传递函数为 [12(s+10)] / {(s+2)[(s/3)+1](s+30)} 的系统的零点为_-10_， 极点为_-2__， 增益为_____2_______。 3、构成方框图的四种基本符号是： 信号线、比较点、传递环节的方框和引出点 。 4、我们将 一对靠得很近的闭环零、极点 称为偶极子。 5、自动控制系统的基本控制方式有反馈控制方式、_开环控制方式和_复合控制方式_。 6、已知一系统单位脉冲响应为t e t g 5.16)(-=，则该系统的传递函数为 。 7、自动控制系统包含_被控对象_和自动控制装置两大部分。 8、线性系统数学模型的其中五种形式是微分方程、传递函数、__差分方程_、脉冲传递函数_、__方框图和信号流图_。 9、_相角条件_是确定平面上根轨迹的充分必要条件，而用_幅值条件__确定根轨迹上各 点的根轨迹增益k*的值。当n-m ≥_2_时, 开环n 个极点之和等于闭环n 个极点之和。 10、已知一系统单位脉冲响应为 t e t g 25.13)(-=，则系统的传递函数为_ _。 11、当∞→ω时比例微分环节的相位是： A.90 A.ο 90 B.ο 90- C.ο45 D.ο 45- 12、对自动控制的性能要求可归纳为_稳定性__、_快速性_和准确性三个方面， 在阶跃 响应性能指标中，调节时间体现的是这三个方面中的_快速性___，而稳态误差体现的是_稳定性和准确性_。 13、当且仅当离散特征方程的全部特征根均分布在Z 平面上的_单位圆 _内，即所有特征根的模均小于___1____,相应的线性定常离散系统才是稳定的。 14、下列系统中属于开环控制系统的是 D.普通数控加工系统
∑??=i i i s s Q s H ((1(zidpngkongzhi 1 闭环系统(或反馈系统的特征:采用负反馈,系统的被控变量对控制作用有直接影响,即被控变量对自己有控制作用。 2 典型闭环系统的功能框图。 自动控制在没有人直接参与的情况下,通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。自动控制系统由控制器和被控对象组成,能够实现自动控制任务的系统。被控制量在控制系统中.按规定的任务需要加以控制的物理量。 控制量作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星.也称控制输入。 扰动量干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量,也称扰动输入或干扰掐入。 反馈通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端,与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。负反馈反馈信号与输人信号相减,其差为偏差信号。 负反馈控制原理检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端,与输入信号相减,形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用,力图消除或减少偏差的过程。开环控制系统系统的输入和输出之间不存在反馈回路,输出量对系统的控制作用没有影响,这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。 闭环控制系统凡是系统输出端与输入端存在反馈回路,即输出量对控制作用有直接影响的系统,叫作闭环控制系统。自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。 复合控制系统复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。它在闭环控制的基础上,用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道,用以提高系统的精度。
自动控制系统组成闭环负反馈控制系统的典型结构如图1.2所示。组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件 .给定元件给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号,这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。 给定元件通常不在闭环回路中。2.测量元件测量元件也叫传感器,用于测量被控制量,产生与被控制量有一定函数关系的信号。被控制量成比例或与其导数成比例的信号。测量元件的精度直接影响控制系统的精度应使测量元件的精度高于系统的精度,还要有足够宽的频带。3.比较无件用于比较控制量和反馈量并产生偏差信号。电桥、运算放大器可作为电信号的比较元件。有些比较元件与测量元件是结合在一起的,如测角位移的旋转变压器和自整 角机等。4.放大元件对信号进行幅值或功率的放大,以及信号形式的变换.如交流变直流的相敏整流或直流变交流的相敏调制。5.执行元件用于操纵被控对象,如机械位移系统中的电动机、液压伺服马达、温度控制系统中的加热装置。执行元件的选择应具有足够大的功率和足够宽的频带。6.校正元件用于改善系统的动态和稳态性能。根据被控对象特点和性能指标的要求而设计。校正元件串联在由偏差信号到被控制信号间的前向通道中的称为串联校正;校正元件在反馈回路中的称为反馈校正。7.被控对象控制系统所要控制的对象,例如水箱水位控制系统中的水箱、房
一、填空题（每空1分，共15分） 1、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的。 2、复合控制有两种基本形式：即按输入的前馈复合控制和按扰动的前馈复合控制。 3、两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为 ()G s ，则G(s)为G 1(s)+G 2(s)（用G 1(s)与G 2(s)表示）。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示， 则无阻尼自然频率=n ω 1.414， 阻尼比=ξ0.707， 该系统的特征方程为2220s s ++=， 该系统的单位阶跃响应曲线为衰减振荡。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+， 则该系统的传递函数G(s)为 105 0.20.5s s s s + ++。 6、根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。 7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--，则该系统的开环传递函数为 (1) (1) K s s Ts τ++。 1、在水箱水温控制系统中，受控对象为水箱，被控量为水温。 2、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制系统；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为闭环控制系统；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于闭环控制系统。 3、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统稳定。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用劳斯判据；在频域分析中采用奈奎斯特判据。 4、传递函数是指在 零初始条件下、线性定常控制系统的 输出拉氏变换与 输入拉氏变换之比。 5、设系统的开环传递函数为2(1)(1)K s s Ts τ++，则其开环幅频特性为222221 1 K T τωωω++； 相频特性为arctan 180arctan T τωω--(或：2 180arctan 1T T τωω τω---+)。 6、频域性能指标与时域性能指标有着对应关系，开环频域性能指标中的幅值穿越频率c ω对应时域性能指标调整时间s t ，它们反映了系统动态过程的快速性 .
1－3 解：系统的工作原理为：当流出增加时，液位降低，浮球降落，控制器通过移动气动阀门的开度，流入量增加，液位开始上。当流入量和流出量相等时达到平衡。当流出量减小时，系统的变化过程则相反。 流出量 希望液位 图一 1－4 （1）非线性系统 （2）非线性时变系统 （3）线性定常系统 （4）线性定常系统 （5）线性时变系统 （6）线性定常系统
2 2-1 解： 显然，弹簧力为 kx (t ) ，根据牛顿第二运动定律有： F (t ) ? kx (t ) = m 移项整理，得机械系统的微分方程为： d 2 x (t ) dt 2 m d x (t ) + kx (t ) = F (t ) dt 2 对上述方程中各项求拉氏变换得： ms 2 X (s ) + kX (s ) = F (s ) 所以，机械系统的传递函数为： G (s ) = X (s ) = F (s ) 1 ms 2 + k 2-2 解一： 由图易得： i 1 (t )R 1 = u 1 (t ) ? u 2 (t ) u c (t ) + i 1 (t )R 2 = u 2 (t ) du c (t )
i 1 (t ) = C dt 由上述方程组可得无源网络的运动方程为：
C ( R + R ) du 2 (t ) u (t ) = CR du 1 (t ) u (t ) 1 2 dt + 2 2 + 1 dt 对上述方程中各项求拉氏变换得： C (R 1 + R 2 )sU 2 (s ) + U 2 (s ) = CR 2 sU 1 (s ) + U 1 (s ) 所以，无源网络的传递函数为： G (s ) = U 2 (s ) = U 1 (s ) 1 + sCR 2 1 + sC (R 1 + R 2 ) 解二（运算阻抗法或复阻抗法）： U (s ) 1 + R 2 1 + R Cs 2 = Cs = 2 U (s ) R + 1 + R 1 + ( R + R )Cs 1 1 2 1 Cs 2 2-5 解：按照上述方程的顺序，从输出量开始绘制系统的结构图，其绘制结果如下图所示： 依次消掉上述方程中的中间变量 X 1 , X 2 , X 3 , 可得系统传递函数为： C (s ) = R (s ) G 1 (s )G 2 (s )G 3 (s )G 4 (s ) 1 + G 2 (s )G 3 (s )G 6 (s ) + G 3 (s )G 4 (s )G 5 (s ) + G 1 (s )G 2 (s )G 3 (s )G 4 (s )[G 7 (s ) ? G 8 (s )] 2-6 解：
第1章 自动控制系统的基本概念1．如图1-1所示的机电系统中，为输入电压；y （t ）为输出位置，分别为电磁线圈的电阻与电感；m 为衔铁的质量；k 为弹簧的弹性系数；b 为阻尼器的阻尼系数；放大器的增益为 。假设电磁线圈对衔铁m 产生的作用力为；电磁线圈的反电动势为 。画出系统的原理方框图，并简要说明其工作原理。[西安交通大 学研] 图1-1 解：系统的原理方框图如图1-2所示。 工作原理：该系统为一按偏差调节的负反馈控制系统。当衔铁输出位置高于或低于给定值时，不为0，此时偏差信号经放大器至电磁线圈，产生正向或负向电磁作用力，调整衔铁的位置，使之与给定值相同后并保持无偏差状态。
图1-2 2．图1-3所示为一个液位控制系统的原理图，试画出该控制系统的原理方框图，简要说明其工作原理，并指出该控制系统的输入量，输出量及扰动量。[西安交通大学研] 图1-3 解： 系统的原理方框图如图1-4所示。 工作原理：该系统为一按偏差调节的反馈控制系统。当液位高度与给定液位产生偏差时，偏差信号由控制器使直流电机正转或反转，从而调大或关小阀门，使液位高度与给定液位保持一致。 系统输入量为给定液位；系统输出量为液位高度（水箱）；系统干扰量为水箱出口阀门开度。 图1-4
3．水箱系统及其方框图如图1-5所示。出水流量 由水箱的实际水位h 决定。当水位达到一定高度，使 等于进水流量时，水位就保持平衡。试分析（要求简单地说明理 由）： （ 1）出水流量对水箱水位构成何种作用?（2）系统是否可以称为闭环控制系统?[上海交通大学研] 图1-5解：出水流量对水箱水位是一种扰动（干扰）作用，出水流量大，水箱水位低，出水流量小水箱水位高。 根据题目的方框图，系统有反馈信号即出水流量 和进水流量比较，采用某种控制手段使保持相等，从而维持水箱水位的平衡，所以系统可以称为闭环控制系统。
洛阳理工学院 2010/2011 学年第二学期自动控制原理期末考试试题卷（B） 适用班级：B 考试日期时间：适用班级： 一、判断题。正确的打√，错误的打×。(每小题1分，共10分) 1.传递函数是线性定常系统的一种内部描述模型。（） 2.劳斯判据是判断线性定常系统稳定性的一种代数判据。（） 3.频域分析法是根据闭环系统的频率特性研究闭环系统性能的一种图解方法。( ) 4.频率响应是系统在正弦输入信号下的全部响应。（） 5.绘制系统Bode图时，低频段曲线由系统中的比例环节（放大环节）和微积分环节决定( ) 6.对于线性定常系统，若开环传递函数不包括积分和微分环节，则当0 ω=时，开环幅相特性曲线（Nyquist图）从正虚轴开始。（） 7.开环控制系统的控制器和控制对象之间只有正向作用，系统输出量不会对控制器产生任何影响。（） 8.Ⅰ型系统，当过渡过程结束后，系统对斜坡输入信号的跟踪误差为零。（） 9.控制系统分析方法中，经典控制理论的分析方法有频域分析法、根轨迹分析法、时域分析法。（） 10.已知某校正网络传递函数为 1 () 1 s G s as + = + ，当满足a>1条件时，则该校正网络为滞后校正网络。（） 二、单选题(每小题2分，共20分) 1.下述（）属于对闭环控制系统的基本要求。 （A）稳定性（B）准确性（C）快速性（D）前面三个都是 2.分析线性控制系统动态性能时，最常用的典型输入信号是（）。 （A）单位脉冲函数（B）单位阶跃函数 （C）单位斜坡函数（D）单位加速度函数 3.典型二阶系统阻尼比等于1时，称该系统处于（）状态。 （A）无阻尼（B）欠阻尼（C）临界阻尼（D）系统不稳定或临界稳定 4.稳定最小相位系统的Nyquist图，其增益（幅值）裕度（）。 （A）0 hdB<（B）0 hdB>（C）1 hdB<（D）1 hdB> 5.单位反馈控制系统的开环传递函数为 4 () (5) G s s s = + ，则系统在()2 r t t =输入作用下，其稳态误差为（）。 （A）10 4 （B） 5 4 （C） 4 5 （D）0 6.一个线性系统的稳定性取决于（）。 （A）系统的输入（B）系统本身的结构和参数
自动控制原理 一、简答题：（合计20分, 共4个小题，每题5分） 1. 如果一个控制系统的阻尼比比较小，请从时域指标和频域指标两方面 说明该系统会有什么样的表现？并解释原因。 2. 大多数情况下，为保证系统的稳定性，通常要求开环对数幅频特性曲 线在穿越频率处的斜率为多少？为什么？ 3. 简要画出二阶系统特征根的位置与响应曲线之间的关系。 4. 用根轨迹分别说明，对于典型的二阶系统增加一个开环零点和增加一 个开环极点对系统根轨迹走向的影响。 二、已知质量-弹簧-阻尼器系统如图(a)所示，其中质量为m 公斤，弹簧系数为k 牛顿/米，阻尼器系数为μ牛顿秒/米，当物体受F = 10牛顿的恒力作用时，其位移y (t )的的变化如图(b)所示。求m 、k 和μ的值。(合计20分) F ) t 图(a) 图(b) 三、已知一控制系统的结构图如下，（合计20分, 共2个小题，每题10分） 1） 确定该系统在输入信号()1()r t t =下的时域性能指标：超调量%σ，调 节时间s t 和峰值时间p t ； 2） 当()21(),()4sin3r t t n t t =?=时，求系统的稳态误差。
四、已知最小相位系统的开环对数幅频特性渐近线如图所示，c ω位于两个交接频率的几何中心。 1） 计算系统对阶跃信号、斜坡信号和加速度信号的稳态精度。 2） 计算超调量%σ和调节时间s t 。（合计20分, 共2个小题，每题10分） [ 1 %0.160.4( 1)sin σγ =+-, s t = 五、某火炮指挥系统结构如下图所示，()(0.21)(0.51) K G s s s s = ++系统最 大输出速度为2 r/min ，输出位置的容许误差小于2，求： 1） 确定满足上述指标的最小K 值，计算该K 值下的相位裕量和幅值裕量； 2） 前向通路中串联超前校正网络0.41 ()0.081 c s G s s +=+，试计算相位裕量。 （合计20分, 共2个小题，每题10分） (rad/s)
课程名称: 自动控制理论 （A/B 卷 闭卷） 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G 1(s)与G 2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为()G s ，则G(s)为 （用G 1(s)与G 2(s) 表示）。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示， 则无阻尼自然频率=n ω ， 阻尼比=ξ ， 该系统的特征方程为 ， 该系统的单位阶跃响应曲线为 。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+， 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()tg tg T ?ωτωω--=--，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。 3、系统特征方程为 0632)(23=+++=s s s s D ，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)(t t r =作用下的稳态误差∞=ss e ，说明 ( )
2-1 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? 用来描述系统因果关系的数学表达式，称为系统的数学模型。 常见的数学模型形式有：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。 2-2 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。 2-3 什么是小偏差线性化？这种方法能够解决哪类问题？ 在非线性曲线（方程）中的某一个工作点附近，取工作点的一阶导数，作为直线的斜率，来线性化非线性曲线的方法。 2-4 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件？传递函数有哪些特点？ 传递函数：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。 定义传递函数的前提条件：当初始条件为零。 为什么要附加这个条件：在零初始条件下，传递函数与微分方程一致。 传递函数有哪些特点： 1．传递函数是复变量S 的有理真分式，具有复变函数的所有性质；n m ≤且所有系数均为实数。 2．传递函数是一种有系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。 3．传递函数与微分方程有相通性。 4．传递函数)(s W 的拉氏反变换是系统的单位脉冲响应。 2-5 列写出传递函数三种常用的表达形式。并说明什么是系统的阶数、零点、极点和放大倍数。 n n n n m m m m a s a s a s a b s b s b s b s W ++++++++= ----11 101110)( () () ∏∏==++= n j j m i i s T s T K s W 1 111)( 其中n m a b K = () () ∏∏==+ + = n j j m i i g p s z s K s W 1 1 )( 其中0 0a b K g = 传递函数分母S 的最高阶次即为系统的阶数，i z -为系统的零点，j p -为系统的极点。K 为传递函数的放大倍数，g K 为传递函数的根轨迹放大倍数。 2-6 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？ 1．比例环节
A 卷 一、填空题（每空 1 分，共10分） 1、 在水箱水温控制系统中，受控对象为 ，被控量为 。 2、 对自动控制的性能要求可归纳为___________、快速性和准确性三个方面， 在阶跃响应性能指标中，调节时间体现的是这三个方面中的______________，而稳态误差体现的是______________。 3、 闭环系统的根轨迹起始于开环传递函数的 ，终止于开环传递函数的 或无穷远。 4、 PID 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 。 5、 香农采样定理指出：如采样器的输入信号e(t)具有有限宽带，且有直到ωh 的频率分量，则使信号e(t) 完满地从采样信号e*(t) 中恢复过来的采样周期T 要满足下列条件：________________。 二、选择题（每题 2 分，共10分） 1、 设系统的传递函数为G （S ）＝1 52512++s s ，则系统的阻尼比为（ ）。 A ．21 B ．1 C ．51 D ．25 1 2、 非单位负反馈系统，其前向通道传递函数为G(S)，反馈通道传递函数为H(S)，当输入信号为R(S)，则从输入端定义的误差E(S)为 ( ) A 、 ()()()E S R S G S =? B 、()()()()E S R S G S H S =?? C 、()()()()E S R S G S H S =?- D 、()()()() E S R S G S H S =- 3、 伯德图中的低频段反映了系统的（ ）。 A ．稳态性能 B ．动态性能 C ．抗高频干扰能力 D ．.以上都不是 4、 已知某些系统的开环传递函数如下，属于最小相位系统的是( )。 A 、 (2)(1)K s s s -+ B 、(1)(5K s s s +-+） C 、2(1)K s s s +－ D 、(1)(2) K s s s -- 5、 已知系统的开环传递函数为 100(0.11)(5)s s ++，则该系统的开环增益为 ( )。 A 、 100 B 、1000 C 、20 D 、不能确定
自动控制原理试题及答案 Prepared on 24 November 2020
《自动控制原理》试题及答案 1、若某串联校正装置的传递函数为(10s+1)/(100s+1)，则该校正装置属于(B )。3分 2、在对控制系统稳态精度无明确要求时，为提高系统的稳定性，最方便的是（A）3分 3、在系统中串联PD调节器，以下那一种说法是错误的（D） 3分 A 是一种相位超前校正装置 B 能影响系统开环幅频特性的高频段 C 使系统的稳定性能得到改善 D使系统的稳态精度得到改善 4、用超前校正装置改善系统时，主要是利用超前校正装置的（A ）3分 5、I型系统开环对数幅频特性的低频段斜率为（B ）9分 6、设微分环节的频率特性为G(jω)，当频率ω从0变化至∞时，其极坐标平面上的奈氏曲线是（）9分 7、关于线性系统稳定性的判定，下列观点正确的是 ( )。9分 8、若两个系统的根轨迹相同，则有相同的( ) 9分 9、关于系统零极点位置对系统性能的影响，下列观点中正确的是( ) 7分 10、高阶系统的主导闭环极点越靠近虚轴，则系统的( ) 2分 11、若某最小相位系统的相角裕度γ>0，则下列说法正确的是 ( )。2分 12、某环节的传递函数是G(s)=5s+3+2/s，则该环节可看成由（D ）环节组成。2分
13、主导极点的特点是（A ）2分 14、设积分环节的传递函数为G(s)=K/s，则其频率特性幅值A(ω)=（）2分 15、某环节的传递函数为K/(Ts+1)，它的对数幅频率特性随K值增加而（）2分 16、某系统的传递函数是G(s)=1/(2s+1)，则该可看成由（C ）环节串联而成2分 17、若系统的开环传递函数在s右半平面上没有零点和极点，则该系统称作（B）2分 18、某校正环节传递函数G(s)=(100s+1)/(10s+1)，则其频率特性的奈氏图终点坐标为（ D）2分 19、一般为使系统有较好的稳定性,希望相位裕量为（ C）2分 20、最小相位系统的开环增益越大，其（）2分 21、一阶微分环节G(s)=1+Ts，当频率ω=1/T时，则相频特性∠G(jω)为（）2分 22、ω从0变化到+∞时，延迟环节频率特性极坐标图为（）2分 23、开环传递函数为G(s)H(s)=(s+3)/(s+2)(s+5)，则实轴上的根轨迹为（B）2分 24、开环传递函数为G(s)H(s)=K/(s*s*s(s+4))，则实轴上的根轨迹为（）2分 25、某单位反馈系统的开环传递函数为：G(s)=K/(s(s+1)(s+5))，当k=（C ）时，闭环系统临界稳定。2分 26、若系统增加合适的开环零点，则下列说法不正确的是 (B ) 2分 27、当二阶系统的根分布在根平面的虚轴上时，系统的阻尼比为（B）3分
《 自动控制原理B 》 试题A 卷答案 一、单项选择题（本大题共5小题，每小题2分，共10分） 1．若某负反馈控制系统的开环传递函数为 5 (1) s s +，则该系统的闭环特征方程为 ( D )。 A ．(1)0s s += B. (1)50s s ++= C.(1)10s s ++= D.与是否为单位反馈系统有关 2．梅逊公式主要用来（ C ）。 A.判断稳定性 B.计算输入误差 C.求系统的传递函数 D.求系统的根轨迹 3．关于传递函数，错误的说法是 ( B )。 A.传递函数只适用于线性定常系统； B.传递函数不仅取决于系统的结构参数，给定输入和扰动对传递函数也有影响； C.传递函数一般是为复变量s 的真分式； D.闭环传递函数的极点决定了系统的稳定性。 4．一阶系统的阶跃响应（ C ）。 A ．当时间常数较大时有超调 B ．有超调 C ．无超调 D ．当时间常数较小时有超调 5. 如果输入信号为单位斜坡函数时，系统的稳态误差为无穷大，则此系统为（ A ） A ． 0型系统 B. I 型系统 C. II 型系统 D. III 型系统 二、填空题（本大题共7小题，每空1分，共10分） 1．一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、__准确性___。 2.对控制系统建模而言，同一个控制系统可以用不同的 数学模型 来描述。 3. 控制系统的基本控制方式为 开环控制 和 闭环控制 。 4. 某负反馈控制系统前向通路的传递函数为()G s ，反馈通路的传递函数为()H s ，则系统 的开环传递函数为()()G s H s ，系统的闭环传递函数为 () 1()() G s G s H s + 。 5 开环传递函数为2(2)(1) ()()(4)(22) K s s G s H s s s s s ++= +++，其根轨迹的起点为0,4,1j --±。 6. 当欠阻尼二阶系统的阻尼比减小时，在单位阶跃输入信号作用下，最大超调量将 增大 。 7.串联方框图的等效传递函数等于各串联传递函数之 积 。 三、简答题（本题10分） 图1为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热，从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方框图，并说明为了保持热水温度为期望值，系统是如何工作的？系统的被控对象和控制装置各是什么？
一、填空题（每空 1 分，共15分） 1、反馈控制又称偏差控制，其控制作用是通过给定值与反馈量的差值进行的。 2、复合控制有两种基本形式：即按输入的前馈复合控制和按扰动的前馈复合控制。 3、两个传递函数分别为G 1(s)与G 2(s)的环节，以并联方式连接，其等效传递函数为()G s ，则G(s)为G1(s)+G2(s)（用G 1(s)与G 2(s) 表示）。 4、典型二阶系统极点分布如图1所示， 则无阻尼自然频率= n ω 阻尼比=ξ ，0.7072 = 该系统的特征方程为2220s s ++= ， 该系统的单位阶跃响应曲线为衰减振荡。 5、若某系统的单位脉冲响应为0.20.5()105t t g t e e --=+， 则该系统的传递函数G(s)为 105 0.20.5s s s s +++。 6、根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。 7、设某最小相位系统的相频特性为101()()90()tg tg T ?ωτωω--=--，则该系统的 开环传递函数为(1) (1)K s s Ts τ++。 8、PI 控制器的输入－输出关系的时域表达式是 1 ()[()()]p u t K e t e t dt T =+ ?， 其相应的传递函数为 1 [1] p K Ts + ，由于积分环节的引入，可以改善系统的稳态性 能。 1、在水箱水温控制系统中，受控对象为水箱，被控量为水温。 2、自动控制系统有两种基本控制方式，当控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系时，称为开环控制系统；当控制装置与受控对象之间不但有顺向作用而且还有反向联系时，称为闭环控制系统；含有测速发电机的电动机速度控制系统，属于闭环控制系统。 3、稳定是对控制系统最基本的要求，若一个控制系统的响应曲线为衰减振荡，则该系统稳定。判断一个闭环线性控制系统是否稳定，在时域分析中采用劳斯判据；在频域分析中采用奈奎斯特判据。 4、传递函数是指在零初始条件下、线性定常控制系统的输出拉氏变换与输入拉
自动控制原理 一、简答题：（合计20分,共4个小题，每题5分） 1. 如果一个控制系统的阻尼比比较小，请从时域指标和频域指标两方面 说明该系统会有什么样的表现？并解释原因。 2. 大多数情况下，为保证系统的稳定性，通常要求开环对数幅频特性曲 线在穿越频率处的斜率为多少？为什么？ 3. 简要画出二阶系统特征根的位置与响应曲线之间的关系。 4. 用根轨迹分别说明，对于典型的二阶系统增加一个开环零点和增加一 个开环极点对系统根轨迹走向的影响。 二、已知质量-弹簧-阻尼器系统如图(a)所示，其中质量为m 公斤，弹簧系数为k 牛顿/米，阻尼器系数为μ牛顿秒/米，当物体受F = 10牛顿的恒力作用时，其位移y (t )的的变化如图(b)所示。求m 、k 和μ的值。(合计20分) F ) t 图(a) 图(b) 三、已知一控制系统的结构图如下，（合计20分,共2个小题，每题10分） 1） 确定该系统在输入信号()1()r t t =下的时域性能指标：超调量%σ，调 节时间s t 和峰值时间p t ； 2） 当()21(),()4sin 3r t t n t t =?=时，求系统的稳态误差。
四、已知最小相位系统的开环对数幅频特性渐近线如图所示，c ω位于两个交接频率的几何中心。 1） 计算系统对阶跃信号、斜坡信号和加速度信号的稳态精度。 2） 计算超调量%σ和调节时间s t 。（合计20分,共2个小题，每题10分） [ 1 %0.160.4( 1)sin σγ =+-, s t = 五、某火炮指挥系统结构如下图所示，()(0.21)(0.51) K G s s s s = ++系统最 大输出速度为2 r/min ，输出位置的容许误差小于2 ，求： 1） 确定满足上述指标的最小K 值，计算该K 值下的相位裕量和幅值裕 量； 2） 前向通路中串联超前校正网络0.41 ()0.081 c s G s s +=+，试计算相位裕量。 （合计20分,共2个小题，每题10分） (rad/s)