第7章 系统的综合与校正

《自动控制原理》考纲、试题、答案一、考试说明《自动控制原理与系统》通过本课程的学习，为其它专业基础及专业课的学习奠定理论基础。

充分理解自动控制系统所涉及到的基本概念，掌握自动控制系统各种数学模型的建立及转换方法，掌握分析自动控制系统的各种经典方法及常用综合方法。

了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。

掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。

了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。

本课程闭卷考试，满分100分，考试时间90分钟。

考试试题题型及答题技巧如下：一、单项选择题 (每空2分，共40分)二、选择题 (每题2分，共20分)三、名词解释（每题5分，共20分）答题技巧：相关知识点要回答全面，因为都可能是采分点，涉及的基本概念要表述清楚，要点清晰，简明扼要，进行必要解释，切忌长篇大论。

四、计算题（每题10分，共20分）答题技巧：第一，审题。

审题时需明确题目要求和给出的已知条件，注意各已知条件的单位，注意各因素比较的基准等，并注意所给条件中哪些是有用的，哪些是用来迷惑考试人员的，以防用错。

第二，确定解题方法和解题思路。

通过审题，明确了题目要求和已知条件，便可确定以哪种估价方法为主线，并根据该方法中用到的未知条件确定需借助的其他方法。

明确的解题思路，并保持清醒的头脑。

第三，公式和计算步骤。

计算过程中，涉及的计算公式一定要列出，哪怕没有时间计算，列出需要的几个公式也能得到相应的分数。

计算一定要分步计算，而且尽量细分。

并能对计算步骤作简要说明，答题时按顺序进行，避免跳步被扣分。

南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试考试大纲
考试科目代码：817
考试科目名称：自动控制原理
第一部分大纲内容
一、课程目标
本课程为控制系统提供了数学模型的建立、性能分析和系统设计的基本方法。

要求考生掌握自动控制系统的基本理论知识和基本分析计算方法，强调基础性和综合性。

注重测试考生对相关的基本概念、理论和分析方法的理解，以及运用基本概念、基本原理，灵活分析和解决实际问题的能力。

二、基本要求
考试内容包括经典控制理论和现代控制理论。

要求理解、掌握：控制系统传递函数和信号流图等数学模型的建立；系统稳定性、动态性能、稳态性能的时域分析；根轨迹法；频域法；系统串联校正的设计方法；线性离散系统的分析；系统状态空间建模及其求解；系统可控性和可观测性；线性定常系统状态反馈及观测器设计；李雅普诺夫稳定性理论。

三、课程内容与考核目标
（1）自动控制的一般概念
1．掌握基本控制方式：开环、闭环（反馈）控制；
2．熟悉自动控制的性能要求：稳、快、准；
3．掌握反馈控制原理与动态过程的概念，以及建立原理方块图的方法。

（2）控制系统的数学模型
1．掌握动态方程建立及线性化方法；
2．熟练掌握结构图的等效变换方法；
3．掌握梅逊公式及应用；
4．熟悉典型环节。

（3）线性系统的时域分析法。

自动控制原理知识点 The document was finally revised on 2021第一章自动控制的一般概念自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。

◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。

◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。

除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。

测量元件：用以测量被控量或干扰量。

比较元件：将被控量与给定值进行比较。

执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。

参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。

2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。

而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。

◎解决的基本问题：建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。

◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。

◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。

◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。

◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。

第一章 绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点.解答：1开环系统(1) 优点:结构简单，成本低，工作稳定。

用于系统输入信号及扰动作用能预先知道时，可得到满意的效果。

(2) 缺点：不能自动调节被控量的偏差。

因此系统元器件参数变化，外来未知扰动存在时，控制精度差。

2 闭环系统⑴优点：不管由于干扰或由于系统本身结构参数变化所引起的被控量偏离给定值，都会产生控制作用去清除此偏差，所以控制精度较高。

它是一种按偏差调节的控制系统。

在实际中应用广泛。

⑵缺点：主要缺点是被控量可能出现波动，严重时系统无法工作。

1-2 什么叫反馈？为什么闭环控制系统常采用负反馈？试举例说明之。

解答：将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反馈。

闭环控制系统常采用负反馈。

由1-1中的描述的闭环系统的优点所证明。

例如，一个温度控制系统通过热电阻（或热电偶）检测出当前炉子的温度，再与温度值相比较，去控制加热系统，以达到设定值。

1-3 试判断下列微分方程所描述的系统属于何种类型（线性，非线性，定常，时变）？（1）22()()()234()56()d y t dy t du t y t u t dt dt dt ++=+（2）()2()y t u t =+（3）()()2()4()dy t du t ty t u t dt dt +=+ （4）()2()()sin dy t y t u t tdt ω+=（5）22()()()2()3()d y t dy t y t y t u t dt dt ++= （6）2()()2()dy t y t u t dt +=（7）()()2()35()du t y t u t u t dt dt =++⎰解答： （1）线性定常 （2）非线性定常 （3）线性时变 （4）线性时变 （5）非线性定常 （6）非线性定常 （7）线性定常1-4 如图1-4是水位自动控制系统的示意图，图中Q1，Q2分别为进水流量和出水流量。

“机械控制工程理论基础”课程教学大纲英文名称：Elements of Mechanical Control Theory课程编号：MACH3435学时：56（理论学时：40 实验学时：16 课外学时：20）学分：3适用对象：机械类、动力类本科生先修课程：高等数学，理论力学，电工电子技术使用教材及参考书：[1] 董霞、陈康宁、李天石.机械控制理论基础.西安交通大学出版社,2005.ISBN 7-5605-2041-3.[2] 董景新等.控制工程基础（第二版）.清华大学出版社，2003.ISBN: 9787302063872[3] [美] Katsuhiko Ogata著，卢伯英、于海勋译．现代控制工程（第三版）．电子工业出版社，2000.ISBN 7-5053-5395-0/TN.1247.一、课程性质和目的性质：专业基础目的：1．培养学生从动态和系统的角度建立机械系统数学模型的能力；2．培养学生对机械控制系统进行动态分析的能力；3．培养学生对机械控制系统的设计能力和综合能力；4．培养学生使用计算机仿真能力；5．培养学生系统分析能力和综合能力。

二、课程内容简介机械控制理论是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学，本课程主要介绍机械控制工程的基本概念、机电系统数学模型的建立、机电控制系统的时域分析和频域分析、机电控制系统的稳定性分析和机电控制系统的设计和校正。

通过课程教学和实验，培养学生对机电控制系统进行动态分析的能力和综合能力。

三、教学基本要求1．了解机电系统的数学模型并掌握基本的建模方法；2．掌握机电控制系统时域分析方法；3. 掌握机电控制系统的频域分析方法；4. 掌握机电控制系统稳定性分析方法；5. 初步掌握机械控制系统设计和校正方法。

四、教学内容及安排第一章：绪论1．理解“机械工程控制”的基本含义，本课程的特点，以及学习本课程的目的与任务；2．初步建立系统、反馈、控制、闭环系统等的基本概念。

第六章习题答案1．答：需要校正的控制系统可分为被控对象、控制器和检测环节三个部分。

各装置除其中放大器的增益可调外，其余的结构和参数是固定的。

在系统中引进一些附加装置来改变整个系统的特性，以满足给定的性能指标，这种为改善系统的静、动态性能而引入系统的装置，称为校正装置。

而校正装置的选择及其参数整定的过程，就称为自动控制系统的校正问题。

根据校正装置在系统中的安装位置，及其和系统不可变部分的连接方式的不同，通常可分成三种基本的校正方式：串联校正、反馈校正、复合校正。

2．答：串联校正是设计中最常使用的，通常需要安置在前向通道的前端，主要适用于参数变化敏感性较强的场合。

设计较简单，容易对信号进行各种必要的变换，但需注意负载效应的影响。

3．答：反馈校正的设计相对较为复杂。

显著的优点是可以抑制系统的参数波动及非线性因素对系统性能的影响。

另外，元件也往往较少。

4．答：通过增加一对相互靠得很近并且靠近坐标原点的开环零、极点，使系统的开环放大倍数提高，以改善系统稳态性能。

5．答：通过加入一个相位引前的校正装置，使之在穿越频率处相位引前，以增加系统的相位裕量，这样既能使开环增益足够大，又能提高系统的稳定性，以改善系统的动态特性。

6．解：（1）根据误差等稳态指标的要求，确定系统的开环增益K（2）画出伯德图，计算未校正系统GO （j ω )的相位裕量（3）由要求的相角裕度γ，计算所需的超前相角（4）计算校正网络系数（5）确定校正后系统的剪切频率202)2(4lim )(lim 00==+⋅==→→K s s K s s sG K s o s v )15.0(20)2(40)(++=ωωωωωj j j j j G o ＝︒=+︒=⇒=17)(1807.6c o c ωϕγω︒=︒+︒-︒=+-=385175000εγγϕ2.438sin 138sin 1sin 1sin 1=︒-︒+-+=＝m m ϕϕα2.62.4lg 10lg 10-=-=-=∆αm L 9===T m c αωω（6）确定超前网络的转角频率ω1、ω2（7）画出校正后的伯德图，验算相角稳定裕度(画图略)（8）验算其它性能指标（9）写出校正装置的传递函数（10）提出实现形式，并确定网络参数7. 解:（1）根据给定的稳定误差或误差系数,确定系统的开环增益（2）确定未校正系统的相角稳定裕量（3）选择新的ωc4.182.4941.42.49121=⨯=======αωαωαωωm m T T 1054.01227.014.18141.42.41]11[1)(++=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=++=s s s s Ts s G c αα1054.01227.0)15.0(20)()()(++⋅+==s s s s s G s G s G c s 11=C 227101227.0611=⨯==-C T R 7112.4227112=-=-=αR R 5)15.0)(1(lim )(lim 00==++==→→K s s s sK s sG K s o s v )15.0)(1(5)(++=s s s s G o ︒-=⇒=⇒=201.20)(γωωc L（4）计算校正网络系数（5）选择校正网络的交接频率（6）画出校正后伯德图,验算相角裕度是否满足要求（7） 验算其它性能指标（8）写出校正装置的传递函数（9）提出实现形式，并确定网络参数8. 解:（1）根据给定的稳态误差或误差系数，确定系统的开环增益（2）确定未校正系统的相位裕量和增益裕量︒=︒+︒=︒-+=521240)205(2γγ12225.05525.090180-=⇒︒=--︒-︒=s arctg arctg c c ωωγ1086.9lg 201lg 20lg 20lg 20)(22≈=⇒-+==∆βωβωc C K L 1.055.05122====c ωτω01.0101.0121====βωβτω1s 1001s 10s G c ++=)(12=C 10010110622=⨯==-C T R 900)1(21=-=αR R 375)13757.0237(lim )(lim 2200=+⨯+==→→s s s sK s sG K s s s v 375＝K )13757.0237(375)(22+⨯+=s s s s G s 25=c ω︒35＝γ（3）超前校正环节（4）滞后校正环节在ω处滞后校正引起的滞后足够小 校正后开环传递函数（5）确定校正装置参数025.022=αT 2512)3548(=+-=m ϕcm ωω=5.225sin 125sin 1sin 1sin 12＝＝︒-︒+-+=m m ϕϕα063.0255.222===m T ωα⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=1025.01063.05.21111)(22222s s s T s T s G c ααdB K L L a c s c s 5.29845.25lg 20lg 20)()(lg 2021=+-=+-=∆=αωω7.291=a ⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛++⋅+⨯+==1s 8551s 201s 02501s 06301s 37570237s s 375s G s G s G 22c s ....).()()()(（6）校验略 422=R 422=R 5653=R 204=R 11=C 102=C。

《工程控制基础》课程教学大纲一、课程名称中文名称：工程控制基础英文名称：Foundation of Project Control二、课程编码及性质课程编码：0820943课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：32学分：2.0四、先修课程复变函数、积分变换、电路理论、模拟电子技术五、授课对象机械类各专业六、课程教学目的本课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课。

它以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题；同时，它又是一种方法论。

学习本课程的目的在于：1. 培养学生以动力学的观点（而不是以静态观点）去分析机械工程系统的能力；2. 掌握从整体和系统的角度，分析的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为的方法；3. 能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。

这包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。

4. 熟练掌握机电系统的数学模型、有关数学工具（如Laplace变换等）的应用、传递函数与方框图的求取、简化与演算等。

对于线性系统的性能指标有较全面的认识，了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以控制理论作为基础，本课程以讲述机械工程中的控制方法为重点；2）在全面了解与掌握控制原理和控制方法论的基础上，着重讲解建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如Laplace变换等）的应用，传递函数与方框图的求取、简化与演算等；3）课程详细介绍典型系统的时域和频域特性，判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据；4）学习掌握线性系统的性能指标、系统的综合与校正的常用方法，帮助学生对系统辩识问题应建立基本概念；5）重点学习的章节内容包括：第2章“系统的数学模型”（6学时）、第3章“时间响应与误差分析”（6学时）、第4章“系统的频率特性分析”（6学时）、第5章“系统的稳定性”（6学时）、第6章“系统的性能分析与校正”（4学时）。

黑龙江教育·理论与实践2021.122021年第12期（总第1374期）No.12，2021Serial No.1374黑龙江教育（理论与实践）HEILONGJIANG EDUCATION（Theory &Practice ）课程思政在“控制工程基础”课程中的实践探索廖生温,王玉勤（巢湖学院，安徽巢湖238000）思想政治教育●在2016年全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记在讲话中指出，教育兴则国家兴，教育强则国家强，高等教育肩负着培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人的重大任务[1]。

同时在会上强调：要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性……其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[2]。

“控制工程基础”课程作为巢湖学院机自、机电、材控等专业的一门专业基础课，以一流课程建设为契机，充分挖掘课程思政教育内容，积极探索课程建设方法，以推进新时代思政工作改革为抓手，坚持知识传授与价值引领并重，把思想政治教育融入教育全过程，培养符合高校应用型人才培养目标定位和新时代需求的专业技术人才[3]。

这是传统专业课教学与思想政治工作相融合的重要尝试，为高校的课程思政改革提供借鉴与经验，意义重大[4]。

一、课程思政建设目标和措施（一）课程思政建设目标文章结合高校应用型本科办学定位和一流专业（机械设计制造及其自动化专业）建设的专业基础课程“控制工程基础”进行课程思政教育改革。

该课程是机械大类专业的一门专业基础课程，理论性较强，涉及多方面的数理知识，概念比较抽象，需要学生具有扎实的理论基础，学习难度大。

通过该课程学习，学生懂得用时域法、根轨迹法和频域法对控制系统进行分析并设计与综合校正，培养学生在工程实践中对问题的分析和解决的能力，为后续课程学习打下基础。

结合课程思政改革教育理念，一是通过控制学科领域相关科学家高尚的人格魅力和无私的奉献精神向学生传递正能量，使之树立健康向上的世界观、人生观和价值观。

济南大学自命题科目考试大纲
第五章线性系统的频域分析方法掌握频率特性的基本概念；掌握极坐标图、对数坐标图的绘制方法；掌握使用频率特性分析系
统稳定性、稳态特性的方法；了解闭环系统频率特性与时域性能指标的关系；了解传递函数的实验确定方法；对控制系统建模与分析进行总结。

第六章控制系统的综合与校正
掌握系统校正的基本概念；掌握PID 控制规律及其对系统性能的影响；掌握串联校正的频率法、根轨迹法、期望特性法等；掌握反馈校正的频率法设计；掌握按照扰动、输入补偿的复合校正方法。

第七章线性离散系统的分析与综合
掌握采样-数字控制系统基本概念；掌握采样过程和采样定理；掌握保持器及其性能特点；掌握Z 变换的基本概念及其在采样-数字系统中的应用；掌握差分方程的解法、脉冲传递函数的概念及其求法；掌握离散系统稳定性概念和稳定判据；掌握离散系统动态性能分析方法；了解离散系统稳态误差计算方法；了解离散系统的校正方法。

第十章非线性控制系统分析掌握非线性系统的基本概念；掌握典型非线性环节及其对控制系统的影响；掌握利用相平面法
分析非线性系统的基本思想及其应用；掌握描述函数分析法的前提和条件；掌握利用描述函数法分析非线性系统的方法。

清华大学822控制工程基础考研参考书目、考研真题、复试分数线822控制工程基础课程介绍本书是高等学校机械工程及自动化（机械设计制造及其自动化）专业系列教材之一，也是教育部新世纪网络课程的主要参考书。

内容简介全书共分8章：第1章控制系统的基本概念，第2章数学模型，第3章时域分析法，第4章频域分析法，第5章控制系统的设计和校正，第6章线性离散系统，第7章状态空间分析法，第8章控制系统的应用和分析。

书末附有5个附录。

每章附有习题，附录E有习题参考答案。

本书的特点是：淡化经典控制与现代控制的界限，突出方法论；重点阐述共性问题，适应拓宽专业口径的需要；不苛求严格的数学推证，从直观的物理概念出发分析问题、解决问题；特别重视工程应用，除每章附有较多机、电、液、气方面的例题外，还专辟一章介绍控制理论在工程中应用的成功实例；取材新颖，采用MATLAB等先进软件分析和设计系统；编写体系符合教学规律，好教易学；传授科学知识与培养创新能力并重。

内容简介本书以介绍工程上广为应用的经典控制论为主，使读者学会信息处理和系统分析与综合的基本方法。

同时，书中还简要介绍了非线性系统、计算机采样控制系统和控制系统计算机辅助分析的基本方法，以使读者建立起这方面的基本概念。

全书共九章，包括系统的数学模型、时域响应分析、频域响应分析、稳定性分析、误差分析、系统的综合与校正、非线性系统和计算机采样控制系统。

本书适合于机械设计制造及自动化专业、材料成型与控制工程专业。

本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。

本书主要介绍工程中广为应用的经典控制理论和现代控制理论中控制系统分析与综合的基本方法。

全书共分十章：前六章属于经典控制理论国的线性定常连续控制系统问题，阐明了自动控制的三个基本问题，即模型、分析和控制；第七章和第八章分别为非线性系统及机采样控制系统；第九章为现代控制理论基础；第十章为典型控制系统的分析与设计实例。

本书总结了编者多年教学经验，且参考国内外教材特点，精选内容；叙述透彻，易教易学；强调基本概念和工程背景，适应面宽；正文中穿插有较多的例题，附有大量的习题（部分有答案），便于读者自学。

第一章自动控制概论一、单项选择题1、采用负反馈形式连接后（)。

（分数:2分）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：D2、按系统结构来分，控制系统可分为:开环控制，闭环控制和（）。

（分数：2分) A。

温度控制B。

压力控制C。

流量控制D。

复合控制正确答案：D3、恒值控制系统的参考量为（）。

(分数:2分)A。

常数B. 无规律变化C. 按程序设定变化D. 0 A第二章控制系统的数学模型一、单项选择题1、方框图化简时，串联连接方框总的输出量为各方框输出量的( ）。

（分数：2分）A. 代数和B. 乘积C。

平均值D. 加权平均值正确答案：B2、单位阶跃信号1（t)的拉氏变换为（）。

(分数：2分)A。

1B. 1/sC. sD. 1/（Ts+1）正确答案：B3、如果单回路单位负反馈系统的开环传递函数为G(s)，则其闭环传递函数为:( ）。

(分数：2分）A。

G（s）/[1+G(s)］B. G(s)/[1+G(s）H（s）]C。

1/[1+G(s)]D。

1/［1+G(s）H(s)]正确答案:A4、方框图化简时，并联连接方框总的输出量为各方框输出量的（）。

（分数：2分)A. 代数和B. 乘积C. 平均值D. 加权平均值正确答案：A5、令线性定常系统闭环传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的（ ). (分数：2分）A. 代数方程B. 差分方程C。

特征方程D. 状态方程正确答案：C6、线性定常系统的传递函数是在零初始条件下（ )。

(分数:2分）A。

系统输出信号与输入信号之比B。

系统输入信号与输出信号之比C。

系统输出信号的Z变换与输入信号的Z变换之比D。

系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比正确答案:D7、线性定常系统的传递函数由（）决定。

（分数：2分）A。

输入信号的形式B。

初始条件C。