4.6 系统开环频率特性和系统性能的关系
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自动控制原理考试复习题整理1.开环、闭环系统的最主要区别是()。
A.反馈 B.输入信号C.被控对象 D.干扰参考答案:A2.下图所示系统属于()。
A.恒值控制系统 B.开环系统C.程序控制系统 D.随动系统参考答案:D3.系统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,才能改善系统性能参考答案:D4.直接对对象进行操作的元件称为()。
A.比较元件 B.给定元件C.执行元件 D.放大元件参考答案:C5.如果被调量随着给定量的变化而变化,这种控制系统叫()。
A.恒值调节系统B.随动系统C.连续控制系统D.数字控制系统参考答案:B6.随动系统对()要求较高。
A.快速性B.稳定性C.准确性D.振荡次数参考答案:A7.主要用于产生输入信号的元件称为()A.比较元件B.给定元件C.反馈元件D.放大元件参考答案:B8.自动控制系统的主要特征是()。
A.在结构上具有反馈装置并按负反馈组成系统,以求得偏差信号B.由偏差产生控制作用以便纠正偏差C.控制的目的是减少或消除偏差D.系统开环参考答案:ABC9.自动控制系统按输入信号特征可分为()。
A.恒值控制系统 B.程序控制系统C.线性系统 D.随动系统参考答案:ABD10.自动控制系统按描述元件的动态方程分()。
A.随动系统 B.恒值控制系统C.线性系统 D.非线性系统参考答案:CD11.自动控制系统的基本要求()。
A.稳定性 B.快速性C.准确性 D.安全性参考答案:ABC12.人工控制与自动控制系统最大的区别在于控制过程中是否有人参与。
()参考答案:√第二章控制系统的教学模型1.下图所示电路的微分方程是()。
A.B.C.D.参考答案:A2.下图所示电路的传递函数是()。
A.B.C.D.参考答案:A3.关于传递函数,错误的说法是()。
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。
1、反馈:输出信号被测量环节引回到输入端参与控制的作用。
2、开环控制系统与闭环控制系统的根本区别:有无反馈。
3、线性及非线性系统的定义及根本区别:当系统的数学模型能用线性微分方程描述时,该系统的称为线性系统。
非线性系统:一个系统,如果其输出不与其输入成正比,则它是非线性的。
根本区别:线性系统遵从叠加原理,而非线性系统不然。
4、传递函数的定义及特点:零初始条件下,系统输出量的拉斯变换与输入量的拉斯变换的比值。
用G〔s〕表示。
特点:1〕、传递函数是否有量纲取决于输入与输出的性质,同性质无量纲。
2〕、传递函数分母中S的阶数必n不小于分子中的S的阶数m,既n=>m ,因为系统具有惯性。
3〕、假设输入已给定,则系统的输出完全取决于其传递函数。
4〕、物理量性质不同的系统,环节和元件可以具有相同类型的传递函数。
5〕、传递函数的分母与分子分别反映系统本身与外界无关的固有特性和系统同外界的关系。
5、开环函数的定义:前向通道传递函数G〔s〕与反馈回路传递函数H(s)之积。
6、时间响应的定义和组成:系统在激励信号作用下,输出随时间的变化关系。
按振动来源分为:零状态响应和零输入响应。
按振动性质:自由响应和强迫响应。
7、瞬态性能指标以及反映系统什么特性:性能指标:上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量Mp、调整时间ts、振荡次数N。
这些性能指标主要反映系统对输入的响应的快速性。
8、稳态误差的定义及计算公式:系统进入稳态后的误差。
稳态误差反映稳态响应偏离系统希望值的程度。
衡量控制精度的程度。
稳态误差不仅取决于系统自身结构参数,而且与输入信号有关。
系统误差:输入信号与反馈信号之差。
9、减少输入引起稳态误差的措施:增大干扰作用点之前的回路的放大倍数K1,以及增加这一段回路中积分环节的数目。
10、频率响应的概念:线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率响应。
11、频率特性的组成:幅频特性和相频特性。
12、稳定性的概念:系统在扰动作用下,输出偏离原平衡状态,待扰动消除后,系统能回到原平衡状态〔无静差系统〕或到达新的平衡状态〔有静差系统〕。
4.6 频率特性与系统的动态性能4.6 频率特性与系统的动态性能控制系统的频率特性与系统的动态性能之间有密切的关系。
分析控制系统的动态特性,可以利用开环频率特性,也可以利用闭环频率特性。
二阶系统的频率特性与动态性能的时域指标之间又确定的关系,而高阶系统则不存在确定的函数关系。
4.6.1 开环频率特性与系统的动态响应若把系统的开环对数频率特性划分为低频段,中频段和高频段,这三部分对控制系统动态过程的影响是不同的。
开环频率特性的低频段主要影响阶跃响应动态过程的最后阶段,而开环频率特性的高频段主要影响阶跃响应动态过程的起始阶段。
对动态性能影响最重要的是中频段。
所以,常用开环频率的低频段估计系统的稳态性能,而用中频段估计系统的动态响应。
开环频率特性的低频段通常指第一个转折频率前的频段。
这一频段的对数幅频特性质取决于系统的积分环节和放大系数。
图4.29是开环频率特性低频段的几种情况。
图4.29 开环频率特性的低频段图 4.29(a)所示的系统低频段是平行于横轴的直线。
这说明系统中不含积分环节,是零型系统。
这种系统的单位阶跃响应是有误差的,而且可以根据对数幅频特性确定放大系数K,从而计算出系统的稳态误差。
图4.29(b)所示的系统,由于低频段的斜率为-20dB/十倍频程,可以断定系统含有一个积分环节,是Ⅰ型环节。
系统的放大系数可在处求得。
稳态误差可按Ⅰ型系统计算。
图4.29(c)所示的系统是Ⅱ型系统,系统的放大系数可按求取或在对数幅频特性曲线-40dB/十倍频程与轴的交点处求取,此时有。
系统的稳态误差按Ⅱ型系统的稳态误差计算。
开环频率特性曲线的中频段是截止频率附近的频段,截止频率就是使的频率。
即幅值曲线穿越零分贝线的频率。
这一频段,对数幅频特性的形状直接影响到系统的稳定裕量。
从而对系统动态响应过程的主要性能指标产生影响。
用开环频率特性中频段评价控制系统的动态性能,常用到的就是截止频率(穿越频率)和相位裕量。
5.6 利用开环频率特性分析系统的性能在频域中对系统进行分析、设计时,通常是以频域指标作为依据的,但是不如时域指标来得直接、准确。
因此,须进一步探讨频域指标与时域指标之间的关系。
考虑到对数频率特性在控制工程中应用的广泛性,本节将以Bode 图为基点,首先讨论开环对数幅频特性)(ωL 的形状与性能指标的关系,然后根据频域指标与时域指标的关系估算出系统的时域响应性能。
实际系统的开环对数幅频特性)(ωL 一般都符合如图5-49所示的特征:左端(频率较低的部分)高;右端(频率较高的部分)低。
将)(ωL 人为地分为三个频段:低频段、中频段和高频段。
低频段主要指第一个转折点以前的频段;中频段是指穿越频率(或截止频率)c ω附近的频段;高频段指频率远大于c ω的频段。
这三个频段包含了闭环系统性能不同方面的信息,需要分别进行讨论。
需要指出,开环对数频率特性三频段的划分是相对的,各频段之间没有严格的界限。
一般控制系统的频段范围在Hz 100~01.0之间。
这里所述的“高频段”与无线电学科里的“超高频”、“甚高频”不是一个概念。
5.6.1 )(ωL 低频渐近线与系统稳态误差的关系系统开环传递函数中含积分环节的数目(系统型别)确定了开环对数幅频特性低频渐近线的斜率,而低频渐近线的高度则取决于开环增益的大小。
因此,)(ωL 低频段渐近线集中反映了系统跟踪控制信号的稳态精度信息。
根据)(ωL 低图5-49 对数频率特性三频段的划分频段可以确定系统型别υ和开环增益K ,利用第3章中介绍的静态误差系数法可以确定系统在给定输入下的稳态误差。
5.6.2 )(ωL 中频段特性与系统动态性能的关系开环对数幅频特性的中频段是指穿越(或截止)频率c ω附近的频段。
设开环部分纯粹由积分环节构成,图5-50(a )所示的对数幅频特性对应一个积分环节,斜率为dec dB /20-,相角 90)(-=ωϕ,因而相角裕度 90=γ;图5-50(b )的对数幅频特性对应两个积分环节,斜率为dec dB /40-,相角 180)(-=ωϕ,因而相角裕度 0=γ。
训练一:选择题1。
设一阶系统的传递函数为,则其时间常数和增益分别是(C)。
A. 2,3 B。
2,1.5 C. 0。
4,0。
6 D。
2。
5,1。
52。
系统的传递函数(C)。
A。
与外界无关 B.与系统的初始状态有关C。
反映了系统、输入、输出三者之间的关系D。
完全反映了系统的动态特性3.以下关于线性系统时间响应的说法正确的是(C)。
A.时间响应就是系统输出的稳态值B。
由单位阶跃响应和单位脉冲响应组成C。
由强迫响应和自由响应组成D.与系统的初始状态无关4。
以下关于系统稳态偏差的说法正确的是(C)。
A。
稳态偏差值取决于系统结构和参数B. 稳态偏差值取决于系统输入和干扰C。
稳态偏差与系统结构、参数、输入和干扰等有关D。
系统稳态偏差始终为05.已知某环节频率特性Nyquist图如图所示,则该环节为(C)。
A.比例环节B。
微分环节C。
积分环节D。
惯性环节6。
已知最小相位系统的对数幅频特性图如图所示,则系统包含(D)个环节。
A.0 B。
1 C.2 D。
37.已知单位反馈系统传递函数则该系统(B)。
A.稳定B。
不稳定 C.临界稳定D。
无法判断8.关于开环传递函数、闭环传递函数和辅助函数三者之间的关系为(B)。
A。
三者的零点相同B。
的极点与的零点相同;C。
的极点与的极点相同;D的零点与的极点相同9。
已知开环稳定的系统,其开环频率特性的Nyquist 图如图所示,则该闭环系统(B)A。
稳定 B.不稳定 C.临界稳定D。
与系统初始状态有关10。
设系统的传递函数为则此系统稳定的K值范围为(C)。
A。
K<0 B.K〉0 C。
2>K>0 D。
20>K>011.闭环控制系统中(C)反馈作用A.以输入信号的大小而存在B.不一定存在C。
必然存在D。
一定不存在12。
关于反馈的说法正确的是(D)A。
反馈实质上就是信号的并联(信息的传递与交互)B。
正反馈就是输入信号与反馈信号相加C.反馈都是人为加入的D。