自动控制理论1

Automatic Control Theory自动控制理论第一章绪论自动：没有人直接参与控制：利用控制装置使某些控制量按指定规律变化自动控制：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自动地按照预定的规律运行。

自动控制系统：由内部相互联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。

智能控制（Intelligent Control）：模糊控制（Fuzzy Control）、遗传控制（Genetic Control）、神经控制（Neural Control）、表 1 控制理论的发展1、测量元件：传感器2、比较元件：对控制量与参考输入量进行比较，多和测量或放大元件结合在一起3、放大元件：使微弱信号具有足够的幅值和功率4、执行元件：接受偏差信号的控制产生动作，改变控制量5、校正元件：用于消除或减弱系统在控制过程中产生的震荡图 1 控制系统的组成被控量：即系统的输出，是一种被测量和被控制的量值或状态。

控制量：控制量也称操纵量，是一种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。

通常，被控量是系统的输出量。

控制意味着对系统的被控量的值进行测量，并且使控制量作用于系统，以修正或限制测量值对期望值的偏离。

参考输入：是人为给定的，使系统具有预定性能或预定输出的激发信号，它代表输出的希望值。

故又称为给定输入、给定值、期望输出等。

反馈：将系统（或环节）的输出量经变换、处理送到系统（或环节）的输入端，称为反馈。

偏差：给定输入量与主反馈量之差。

误差：是指系统输出量的实际值与希望值之差。

系统希望值是理想化系统的输出，实际上很难达到，因而用与控制输入量有一定比例关系的信号来表示。

在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入量，误差量就等于偏差量。

扰动：扰动是一种对系统的输出量产生不利影响的信号。

如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。

外部扰动也是系统的输入量。

图 2 控制系统的类别开环控制（信号单向流动）：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。

⾃动控制理论_习题集[含答案解析]精品⽂档、单选题《⾃动控制理论》课程习题集1. 下列不属于⾃动控制基本⽅式的是（B ）。

A.开环控制B.随动控制C.复合控制D.闭环控制2. ⾃动控制系统的（ A ）是系统⼯作的必要条件。

A.稳定性B.动态特性C.稳态特性D.瞬态特性3.在（D ）的情况下应尽量采⽤开环控制系统。

A.系统的扰动量影响不⼤B.系统的扰动量⼤且⽆法预计C.闭环系统不稳定预计并能进⾏补偿4. 系统的其传递函数（B ）。

A.与输⼊信号有关和元件的参数C.闭环系统不稳定预计并能进⾏补偿5. 建⽴在传递函数概念基础上的是（A.经典理论C.经典控制理论6. 构成振荡环节的必要条件是当（A. Z1D.系统的扰动量可以B.只取决于系统结构D.系统的扰动量可以C ）。

B.控制理论D.现代控制理论C ）时。

A. Z=1C. 0< Z18.于A.C.9.有A.C.B. Z=0D. 0< ZW1若⼆阶系统的阶跃响应曲线⽆超调达到稳态值，则两个极点位于位（D ）°虚轴正半轴 B.实正半轴虚轴负半轴 D.实轴负半轴线性系统稳定的充分必要条件是闭环系统特征⽅程的所有根都具（B ）° 实部为正虚部为正10. 下列说法正确的是：系统的开环增益（A.越⼤系统的动态特性越好性越好C.越⼤系统的阻尼越⼩性越好11. 根轨迹是指开环系统某个参数由上移动的轨迹。

A.开环零点C.闭环零点12. 闭环极点若为实数，则位于［s］平⾯实轴; 所以根轨迹（AA.对称于实轴C.位于左半［s］平⾯B.D.BB.D.0变化到a.实部为负°越⼤系统的稳态特越⼩系统的稳态特（D ）在s平⾯B.开环极点D.闭环极点若为复数，则共轭出现。

B.对称于虚轴D.位于右半［s］平⾯精品⽂档13.系统的开环传递函数G0(s) K (s 1)(s 3)，则全根轨迹的分⽀s(s 2)(s 4)数是(C ) oA. 1C. 314. 已知控制系统的闭环传递函数是轨迹起始于(A )oA. G(s)H(s)的极点C. 1+ G(s)H(s)的极点15. 系统的闭环传递函数是G c(s)(B )oA. G(s)H(s)的极点C. 1+ G(s)H(s)的极点线16. 在设计系统时应使系统幅频特性(A )oA. -20dB/decC. -60dB/decD. -80dB/dec17. 当3从-ST + a 变化时惯性环节的极坐标图为⼀个 (B )A.位于第⼀象限的半圆B.位于第四象限的半圆C.整圆 D .不规则曲线18. 设系统的开环幅相频率特性下图所⽰( P为开环传递函数右半s 平⾯的极点数)，其中闭环系统稳定的是( A )o19.已知开环系统传递函数为G(s) H (s)为(C )oA. 10° B .C. 45°D.20. 某最⼩相位系统的开环对数幅频特性曲线如下图所⽰。

《自动控制理论》试卷
一选择题
1．已知系统开环传递函数，若要绘制系统根轨迹，则其等效开环传递函数应该是（D ）
A． B. C.
D.
2．闭环系统幅频特性如图所示，则系统带宽频率是（ B）
A． B. C. D.
3. 开环对数幅频特性中的中频段决定（ D）
A．系统的型别 B. 系统的抗干扰能力 C. 系统的稳态误差 D. 系统的动态性能4．最小相角系统闭环稳定的充要条件是（ A）
A．奈奎斯特曲线不包围（-1，j0）点 B. 奈奎斯特曲线包围（-1，j0）点
C．奈奎斯特曲线顺时针包围（-1，j0）点 D. 奈奎斯特曲线逆包围（-1，j0）点5．开环对数频率特性沿轴向左平移时（B ）
A．减少，增加 B. 减少，不变
C. 增加，不变
D. 不变，也不变
6．两典型二阶系统的超调量相等，则此两系统具有相同的（ B）
A．自然频率 B. 相角裕度
C．阻尼振荡频率 D. 开环增益K。

第一章测试1.自动控制系统的工作原理是检测{偏差}，再以{偏差}为控制作用，从而消除偏差。

（）A:对B:错答案:A2.自动控制装置由{测量元件}，{比较元件}，调节元件，{执行元件}四部分组成。

（）A:错B:对答案:B3.连续系统是指系统中各部分的输入和输出信号都是连续变化的模拟量。

（）A:对B:错答案:A4.线性定常系统是用线性常系数微分方程描述的系统。

（）A:对B:错答案:A5.给定输入是对系统输出量的要求值。

（）A:对B:错答案:A6.被控量是指被控系统所要控制的物理量。

（）A:对B:错答案:A7.被控对象是指被控制的机器，设备和生产过程。

（）A:对B:错答案:A8.下列选项中，开环控制系统是指系统的输出量对系统（）。

A:无控制作用B:其他选项都包括C:有无控制作用答案:A9.闭环控制系统是系统的输出量对系统有控制作用。

（）A:对答案:A10.开环控制系统的特点是结构简单，无反馈，不能纠正偏差。

闭环控制系统的特点是能自动纠正偏差，需要考虑稳定性问题。

（）A:错B:对答案:B第二章测试1.求图示系统的传递函数（）A:B:C:D:答案:B2.下列选项中，求图示无源网络的传递函数G(S)==（）A:B:C:D:答案:B3.下列选项中，求图示无源网络的传递函数G(S)==（）A:B:C:D:答案:D4.下列选项中，求图示无源网络的传递函数G(S)=（）A:B:C:D:答案:C5.用解析法列写线性系统的微分方程有哪些步骤？（）。

A:确定输入输出、根据物理定律列元件各变量的微分方程、消中间变量、标准化B:确定输入、根据物理定律列元件各变量的微分方程、标准化C:确定输入输出、根据物理定律列元件各变量的微分方程、消中间变量D:确定输入、根据物理定律列元件各变量的微分方程、消中间变量、标准化答案:A6.传递函数与输入和初始条件无关。

（）A:错答案:B7.物理性质不同的系统，完全可以有相同的传递函数。

（）A:错B:对答案:B8.状态向量是以状态变量为元所组成的向量。

第1章引论1.1复习笔记自动控制，就是采用控制装置使被控对象自动地按照给定的规律运行，使被控对象的一个或数个物理量能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。

一、开环控制和闭环控制自动控制系统有两种最基本的形式：开环控制和闭环控制。

1.开环控制（1）开环控制的框图开环控制的示意框图如图1-1所示图1-1 开环控制示意框图（2）开环控制的特点在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。

2.闭环控制（1）闭环控制的框图闭环控制的示意框图如图1-2所示图1-2 闭环控制示意框图（2）闭环控制的特点在控制器与被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响。

二、自动控制系统的类型根据不同的分类方法，自动控制系统的类型有如下分类：1.随动系统与自动调整系统（1）随动系统：输入量总在频繁地或缓慢地变化，要求系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量而变化。

（2）自动调整系统：输入保持为常量，或整定后相对保持常量，而系统的任务是尽量排除扰动的影响，以一定准确度将输出量保持在希望的数值上。

2.线性系统和非线性系统（1）线性系统：组成系统的元器件的特性均为线性（或基本为线性），能用线性常微分方程描述其输入与输出关系的系统。

（2）非线性系统：组成系统的元器件中，只要有一个元器件的特性不能用线性方程描述，该系统即为非线性系统。

3.连续系统与离散系统（1）连续系统：各部分的输入和输出信号都是连续函数的模拟量。

（2）离散系统：某一处或数处的信号以脉冲列或数码的形式传递的系统。

4.单输入单输出系统与多输入多输出系统（1）单输入单输出系统：其输入量和输出量各为一个，系统结构较为简单。

（2）多输入多输出系统：其输入量和输出量多于一个，系统结构较为复杂，回路多。

5.确定系统与不确定系统（1）确定系统：系统的结构和参数是确定的、已知的，系统的输入信号（包括参考输入及扰动）也是确定的，可用解析式或图表确切表示。

第一章自动控制的一般概念1.1 引言自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论的任务是研究自动控制系统中变量的运动规律以及改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。

1.2 自动控制和自动控制系统的基本概念1.2.1自动控制问题的提出在许多工业生产过程或生产设备运行中，往往需要对某些物理量(如温度、压力、流量、液位、电压、位移、转速等)进行控制，使其尽量维持在某个数值附近，或使其按一定规律变化。

如图1-l所示是锅炉给水人工控制示意图。

人工调节是一个“检测偏差、纠正偏差”的过程。

可以用一整套自动控制仪表(自动调节器)来代替操作人员的作用。

图1-2所示是锅炉给水汽包水位自动控制示意图。

图1-2 汽包锅炉给水自动调节示意图1—过热器；2—汽包；3—省煤器；4—给水凋节阀；5—水位计任何一个控制系统，都包含着被控对象和控制器两个组成部分。

1.2.2 开环控制系统常见的控制方式有三种：开环控制、闭环控制和复合控制。

系统的控制输入不受输出影响的控制系统称为开环控制系统。

图1-3所示的烘箱温度控制系统是一个开环控制系统。

烘箱是被控对象，烘箱的温度是被控量，也称为系统输出量。

开关设定位置为系统的给定量或输入量，电阻及加热元件可看成是调压器（控制器）。

该系统中只有输入量对输出量的单向控制作用，输出量对输入量没有任何影响和联系。

烘箱温度开环控制系统可用图1-4所示的方框图表示。

1.2.3 闭环控制系统在图1-3所示的烘箱温度开环控制系统中，加入一些装置，构成了如图1-5所示的烘箱温度闭环控制系统。

系统中，烘箱是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u (表征烘箱温度的希望值)。

系统方框图如图1-6所示。

通常，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。

(单选题)1: 梅森公式主要用来（）。

A: 判断稳定性B: 计算输入误差C: 求系统的传递函数D: 求系统的根轨迹正确答案:(单选题)2: 放大环节的对数幅频特性曲线是（）。

A: 平行于横轴的直线B: 斜率为1的直线C: 逐渐增大至某一值的曲线D: 垂直于横轴的直线正确答案:(单选题)3: 最小相位系统的开环增益越大，其（）。

A: 振荡次数越多B: 稳定裕量越大C: 相位变化越小D: 稳态误差越小正确答案:(单选题)4: 典型二阶系统的超调量越大，反映出系统（）A: 频率特性的谐振峰值越小B: 阻尼比越大C: 闭环增益越大D: 相角裕度越小正确答案:(单选题)5: 系统的频率特性（）A: 是频率的函数B: 与输入幅值有关C: 与输出有关D: 与时间t有关正确答案:(单选题)6: 系统在r(t)=t2作用下的稳态误差ess=&infin;，说明( )。

A: 型别&nu;&lt;2B: 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正确答案:(单选题)7: 已知单位反馈控制系统在阶跃函数作用下，稳态误差为常数，则此系统为（）。

A: 0型系统B: I型系统C: II型系统D: 高阶系统正确答案:(单选题)8: 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，才能改善系统性能正确答案:(单选题)9: 一阶系统的阶跃响应（）。

A: 无超调B: 当时间常数较大时有超调正确答案:(单选题)10: 用实验法求取系统的幅频特性时，一般是通过改变输入信号的（）来求得输出信号的幅值。

A: 相位B: 频率C: 稳定裕量D: 时间常数正确答案:(单选题)11: 开环控制系统特征是没有（）环节。

A: 给定B: 放大C: 反馈D: 执行正确答案:(单选题)12: 系统型次越高，稳态误差越（）。

自动控制理论》课程实验指导一、实验注意事项1、接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。

2、实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。

接线完毕，检查无误后，才可进行实验。

3、实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。

4、实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。

5、实验前必须充分预习实验指导书。

二、实验模拟装置使用注意事项1、无源阻容元件可供每个运算放大器使用。

2 、运算放大器是有源器件，故连在运算放大器上的阻容元件只能供本运算放大器选用。

3 、信号幅值不宜过大，按指导书中指示的幅值。

否则，可能使运算放大器处于饱和状态。

三、每次实验内容第一次：实验二第二次：实验三第三次：实验四备注：实验一作为实验前的预习及热身(1)图1-1、运放的反馈连接实验一 控制系统典型环节的模拟、实验目的1） 、熟悉数字示波器的使用方法2） 、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路 3） 、测量典型环节的阶跃响应曲线4） 、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、 实验仪器1） 、THSSC-1实验箱一个 2） 、数字示波器一台三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z i 和Z 2为复数阻抗，它们都是由 R 、C 构 成。

--U o Z 2G （S ）--U i Z 1基于图中A 点的电位为虚地，略1）、比例环节比例环节的模拟电路如图1-2所示:Z 2 Gr 沁=2 100K去流入运放的电流，则由图1-1得:由上式可求得由下列模拟电 Z1路组成的典型环节的传递函数及 其单位阶跃响应。

—0百 接示液器1V 2图1-2比例环节U -G(S) 口 Z 2Z iR 2/CS R 2 1/CSRR 2* 1 R i R 2CS 13）、积分环节Z 2 1/CS G （S ）： Z 1 R 1 一 RCS 丄TS式中积分时间常数4）、比例微分环节（PD ）,其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示2）、惯性环节TS 1IV耳U o2-去图1-4、积分环节G(S) R i /CS R i 1/CS飞g 1)=K(T D S 1)(4)图1-5比例微分环节5)、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图Z 2 R 2+1/CS (R 2CS+1) G(S)= Z 1 R 1 R 1CS 二空」 空 1 ) R 1 R 1CS R 1 R 2CS 1 =K(1) T i SR 2式中 K , T 2 二 R 2CR 11-6所示。

西交《自动控制理论》在线作业
试卷总分:100 得分:100
一、多选题(共13 道试题,共39 分)
5.下列哪些可以是系统的数学模型（）。

A.微分方程
B.传递函数
C.频率特性
D.差分方程
答案:ABCD
12.自动控制系统是由下列哪两项组成（）。

A.控制器
B.被控对象
C.输入
D.输出
答案:AB
3.相位超前校正具有以下特点( )
A.系统带宽变窄，降低了系统响应的快速性
B.增益和型次未改变，稳态精度变化不大
C.加大带宽，加快了系统的响应速度，即改善系统的瞬态性能
D.增大相位裕度，提高了系统的相对稳定性
答案:BCD
1.属于代数稳定性判据的有（）。

判断1、反馈控制系统具有任何抑制内外扰动对被控量产生影响的能力，能较好的控制精度。

对2、原函数经过拉氏变换后得到象函数。

对3、线性系统的（闭环）极点均位于左半s 平面，系统稳定。

错4、根轨迹可用于分析系统稳态性能和动态性能。

对5、对数幅相曲线是以角频率w（lgw）为横坐标对数幅值与相角（υw）为纵坐标的。

错6、最小相位惯性环节和非最小相位惯性环节，其幅频特性相同，相频特性符号相反。

对7、一反馈控制系统，有五个开环正实部极点，半闭合曲线顺时针（逆时针）包围（-1，j0）点五圈，则系统稳定。

错8、相角裕度和截止频率属于开环频域性能指标。

对9、与连续控制系统一样，在离散控制系统中，变化前向通路中不同环节的相对位置，不会影响系统的开环脉冲传递函数。

错10、不同连续信号得到的采样信号一定不同。

错11、采用（负）反馈并利用偏差进行控制的过程称为反馈控制。

错12、通过拉普拉斯反变换可根据象函数得到原函数。

对13、线性系统在初始条件为零时，受到单位阶跃信号（脉冲信号）作用时，系统输出在t 趋近于正无穷条件下趋于0，即说该系统稳定。

错14、根轨迹是指根轨迹增益（开环系统某一参数）从零变到无穷大时，系统闭环特征根大复平面上变化的轨迹。

错15、幅相曲线是绘制在以角频率w 为横坐标幅值为纵坐标的复平面上的曲线错16、传递函数互为倒数的典型环节，其幅相曲线关于实轴（对数幅频曲线关于0db, 相频关于0°线）对称。

错17、一反馈控制系统，有4 个开环正实部极点，半闭合曲线从上向下穿越（-1，j0）点左侧实轴两次，则该系统稳定。

对18、截止频率和带宽频率（闭环）是两个常用的开怀频域性能指标。

错19、在离散控制系统中，采样开关位置的变化不影响系统的开环脉冲传递函数，但会影响系统的闭环脉冲传递函数。

错20.同一采样信号有可能对应不同的连续信号。

对简答题1,对控制系统的基本要求1．稳定性稳定性是系统正常工作的必要条件。

2 ．准确性要求过渡过程结束后，系统的稳态精度比较高，稳态误差比较小．或者对某种典型输入信号的稳态误差为零。