中国海洋大学842自控理论问答题.doc

2011年1. 简述二阶无零点系统加一个零点后对系统的时间响应有何影响。a) 当其它条件不变时，附加一个闭环零点，二阶系统阶跃响应的超调量增大，上升时间和峰值时间减小。b) 附加零点从极点左侧向极点越靠近，上述影响越明显。 c) 当零点距离虚轴很远时，零点的影响可以忽略，这时系统可以用无零点的二阶系统代替2. 串接在系统中的相位滞后校正装置的作用是什么。加入滞后校正环节，使系统的开环增益有较大幅度增加，提高系统的稳态精度，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的3. 频率特性函数的几何表示及其意义是什么。a) 幅相频率特性曲线，又叫极坐标图。在复平面上，向量的长度表示频率特性的复制，向量与实轴正方向的夹角等于频率特性的相位。幅相曲线中，频率为参变量，可直观的表示增大时幅相曲线变化的方向b) 对数频率特性曲线，又叫伯德图。由对数幅频曲线和相频曲线组成，是工程上常用的一组曲线，便于在大频率范围反映频率特性的变化情况c) 对数幅相曲线，又叫尼克尔斯图。可以根据系统开环和闭环的关系，绘制欢愉闭环幅频特性的M簇线和闭环相频特性的等簇线，根据频域指标要求确定校正网络，简化系统设计过程4. 简述建立系统数学模型的两种常用方法其应用范围。a) 建立数学模型一种是分析法。是对系统各部分的运动机理进行分析，按照物理或化学规律列写运动方程b) 另一种是实验法。又叫系统辨识。是给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，然后用适当的数学模型去逼近。5. 为什么采样控制要采用保持器。在系统中需要将离散信号转换成连续信号的时候，用到保持器。另外，采样器输出的脉冲信号如果不经滤波将其恢复成连续信号，则采样信号中的高频分量相当于给系统中的连续部分加入了噪声，不但影响控制质量而且加剧机械部件的磨损6. 二次型在现代控制理论中主要有哪些应用。最优控制系统的设计，李雅普诺夫稳定性的判别7. 简述PID调节器的特点。快速调节，无静态误差8. 在控制系统设计中，人为引入非线性元件有何作用。为了改善控制系统的品质9. 论述：试详细论述传递函数的特点和应用范围传递函数是一种数学模型，与系统的微分方程相对应。是系统本身的一种属性，与输入量的大小和性质无关。只适用于线性定常系统。传递函数是单变量系统描述，外部描述。传递函数是在零初始条件下定义的，不能反映在非零初始条件下系统的运动情况。一般为复变量 S 的有理分式，即 n m。且所有的系数均为实数。如果传递函数已知，则可针对各种不同形式的输入量研究系统的输出或响应。如果传递函数未知，则可通过引入已知输入量并研究系统输出量的实验方法，确定系统的传递函数。传递函数与脉冲响应函数一一对应，脉冲响应函数是指系统在单位脉冲输入量作用下的输出。传递函数主要应用在三个方面。 确定系统的输出响应。对于传递函数G(s)已知的系统，在输入作用u(s)给定后，系统的输出响应y(s)可直接由G(s)U(s)运用拉普拉斯反变换方法来定出。 分析系统参数变化对输出响应的影响。对于闭环控制系统，运用根轨迹法可方便地分析系统开环增益的变化对闭环传递函数极点、零点位置的影响，从而可进一步估计对输出响应的影响。用于控制系统的设计。直接由系统开环传递函数进行设计时，采用根轨迹法。根据频率响应来设计时，采用频率响应法。 2010年1. 简述降低系统稳态误差的常用方法。a) 增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益b) 在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节c) 采用串级控制抑制内回路扰动d) 采用复合控制方法2. 何为复合控制按偏差控制和按扰动控制相结合的控制方式成为复合控制方式如果在系统的反馈回路中加入前馈通路，组成一个前馈控制和反馈控制相结合的系统，只要系统参数选择得当，不但可以保持系统稳定，极大地减小乃至消除稳态误差，而且可以抑制几乎所有的可量测扰动，包括低频强扰动，这样的系统称之为复合控制系统3. 简述系统稳定与渐进稳定的区别所谓稳定性是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原平衡状态的性能。所谓渐进稳定是指线性控制系统在初始扰动的影响下，其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋于零（原平衡状态），是系统的运动稳定性。4. 简述非线性系统的小偏差线性化方法小偏差法或称切线法适合于具有连续变化的非线性特性函数，其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替5. 为何说频率特性法是描述函数法的特例一个非线性元件就可采用由描述函数表征的一个线性元件来等效。这种等效的近似性实质上就是在使非线性元件与其等效线性元件的输出偏差均方值为极小时的最优逼近。在一定的假设条件下将非线性环节在正弦信号作用下的输出用一次谐波分量来近似并导出非线性环节的等效近似频率特性描述函数非线性系统就等效为一个线性系统6. 控制系统中常用的信号采样方式有哪些周期采样，同步采样，非周期采样，随机采样等7. 线性系统的对偶系统概念及其意义是什么系统S1(A,B,C)则系统S2(AT,CT,BT)为其对偶系统。意义是把一个系统化成可观标准型的问题，转化成求其对偶系统的可控标准型的问题8. 系统静差系统Kp、Kv、Ka在反映系统误差时有哪些不足只有输入信号是阶跃，斜坡和加速度函数或其线性组合时，系统静差才有意义；此外，系统稳态误差一般是实践的函数，静差不能表示稳态误差随时间变化的规律9. 论述：试表述状态转移矩阵及其基本性质对于线性定常系统X=AX，当初始t0=0时，满足如下矩阵微分方程和初始条件（t）=A（t），（0）=I的解（t）为线性定常系统的状态转移矩阵性质P416 2009年1. 何为单位脉冲响应函数，他的用处是什么在零初始条件下，线性定常系统受到单位脉冲激励时的位移响应。其输出响应的拉氏变换就是系统的传递函数。因此我们常给系统加入单位脉冲输入信号，通过测量输出信号，来求得闭环系统的传递函数2. 频率法和根轨迹法的主要优点是什么可以以图解的办法非常直观的分析系统的开环增益和开环零极点分布等对闭环系统稳定性的影响，并给出稳定裕度3. 举例并作图说明如何通过非线性并联校正改变非线性特性，实现线性性非线性环节并联相当于描述函数相加4. 李雅普诺夫直接法判稳方法中的能量函数怎样选取（1）如果任取一个正定矩阵Q，则满足矩阵方程(AT)P+PA=-Q的实对称矩阵P是惟一的，若P是正定的，系统在平衡状态Xe=0是渐近稳定的。P的正定性是一个充要条件。 （2）如果V(X)=XT(-Q)X沿任意一条轨迹不恒等于零，则Q可取正半定，结论不变。 （3）为计算方便，在选用正定实对称矩阵Q时，常取Q=I，于是矩阵P可按下式确定IPAPAT=+ 然后检验P是不是正定的。5. 简述传递函数的实际意义传递函数的极点就是微分方程的特征根,因此它们决定了所描述系统自由运动的模态,而且在强迫运动中(即零初始条件响应),也会包含这些自由运动的模态6. 为什么说状态空间描述法比传递函数法提供了更多的关于线性系统的信息传递函数是系统的外部描述，只能表征其中直接或间接地由输入可控制和从输出中可观测到的那一部分，不能反映系统的内部结构特性，因此是对系统的不完全描述。状态空间描述法是系统的内部描述，不但反映输入-状态-输出诸变量间的因果关系，而且揭示了系统内部的机构特性，是对系统的完全描述，能表征系统的所有动力学特征。7. Routh稳定判据和Nyquist稳定判据的主要区别是什么劳斯判据是通过系统闭环特征方程的根与系数之间的关系，经过运算得到所有特征根均具有负实部的条件；奈奎斯特判据是通过开环系统与闭环系统根的关系，将系统特性由复域引入频域进行分析，可判断稳定性，指出不稳定的闭环极点数，稳定裕度，改善系统动态性能的途径等。8. 论述：控制系统常见的典型输入信号有哪几种，在分析、设计控制系统时怎样选择典型输入信号。阶跃信号，一般将阶跃函数作用下的系统的响应特性作为评价系统动态性能指标的依据。斜坡函数，随动系统尝尝用此作为输入信号。脉冲函数，一个任意形式的外作用，可以分解成不同时刻的一系列脉冲函数之和，通过研究控制系统的脉冲函数的响应特性，可以了解任意形式外作用下的响应特性正弦函数，系统在正弦函数作用下的响应成为频率响应，是研究控制系统性能的重要依据。作为典型输入信号，首先在现场或实验室中容易得到；第二，控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能；第三，这种函数的数学表达式简单，便于理论计算 2008年1. 常用的对控制系统的定性分析包括哪些稳定性分析，可控性，可观性2. 控制理论的发展大致分哪几个阶段经典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似的和(或)试探的基础上的、控制对象一般是单输入单输出、线性定常系统；对多输入多输出系统、时变系统、非线性系统等则无能为力。经典抑制理论主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等。控制策略仅局限于反馈控制、PID控制等。这种控制不能实现最优控制。现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计是精确的。控制对象可以是单输入单输出控制系统也可以是多输入多输出控制系统，可以是线件定常控制系统，也可以是非线性时变控制系统，可以是连续控制系统，也可以是离散和(或)数字控制系统。因此，现代控制理论的应用范围更加广泛。主要的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性，因此，现代控制可以得到最优控制。但这些控制策略大多是建立在已知系统的基础之上的。严格来说大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统，这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面，同时被控制对象还受外界干扰、环境变化等的因素影响。智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法，它采用的理论方法则主要来自自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支。内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。其控制对象可以是已知系统也可以是未知系统，大多数的控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响，还能有效地消除模型化误差的影响。3. 你是如何理解系统解耦控制的一般多输入多输出系统的每一个输入量将影响所有输出量，而每一个输出量也都会受到所有输入量的影响，这种系统称为耦合系统。工程中希望实现某一个输出量仅受一个输入量的控制，这种控制方式称为解耦控制。解耦系统的输入量和输出量必有相同的维数，其传递矩阵必为对角阵。4. 试列举各种常用的调节器及其传递函数P比例K，加大开环增益，可减小稳态误差，提高系统控制精度，但会降低系统稳定性；I积分K/S，提高系统型别，有利于系统稳态性能提高，但产生90相角滞后，不利于稳定性PD比例微分K(1S)，改善系统动态性能；PI比例积分K(1+1/TS)，用来改善控制系统的稳态性能PID比例积分微分K(1S+1/TS)，既能提高稳态性能，又能提高动态性能5. 现代控制理论主要包括哪些研究内容最优控制，最优估计与滤波，系统辨识，随机控制，自适用控制，鲁棒控制，神经网络，模糊控制等6. 常用的改善二阶线性系统性能的措施有哪些比例微分控制和测速反馈控制7. 最小相位系统的物理意义是什么最小相位系统的相位延迟最小，在时域响应中，其波形延迟最小，能量延迟最小8. 自适用控制与最优控制的关系是什么最优控制（optimal control）是现代控制理论的核心，它研究的主要问题是：在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。自适应控制（adaptive control ）是采用自动方法改变或影响控制参数，以改善控制系统性能的控制。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。9. 论述：论述控制系统中常用的信号采样方式有哪些，为什么采样控制要用保持器周期采样：在有规律的间隔上，系统取到离散信息随机采样：信息之间的间隔是时变的，随机的多速采样：对连续信号采样时，多个采样并存多阶采样：采样瞬时是周期性重复的为了使得采样信号可以完全复现原连续信号，也需要除去高频信号。因此将采样后的信号经过一个理想的低通滤波器，从理想的低通滤波器的输出端可以得到主频频谱，只是幅值变化了1/T倍，频谱形状没有发生畸变。理想的低通滤波器实际上不存在，工程上用特性接近的保持器来代替 2007年1. 简述对控制系统的基本要求系统稳定，动态响应快，稳态误差尽量小2. 为什么说线性定常系统的稳定性是结构稳定性问题系统的极点（特征根）只与模型参数有关，与初值无关3. 现代控制理论主要包括哪些分支最优控制，最优滤波，系统辨识4. 谈谈你对“传递函数完全反映SISO线性定常系统的输入输入关系”说法的看法这种说法只在零初始条件下是对的5. 在n阶线性定常系统的能控性判据中，为何Qc=B AB A(n-1)B只取到n-1次幂由凯莱定理，（An）B.与Qc是相关的6. 状态空间的等价线性变换有何作用状态可逆线性变换不改变系统的能控，能观和稳定性等性质，因而通过线性变换可使系统的定性分析或特征变的明显7. 按描述系统的数学模型结构对控制系统进行分类并对其特点进行简述分为线性和非线性系统；线性系统满足叠加原理，系统的稳定性与输入信号无关；非线性系统不满足叠加原理，响应一般与初始状态关系很大8. 最优控制中积分型性能指标的常用形式是什么t0tfETtQEtdt 其中E(t)为误差向量，Q为正定阵9. 论述：实际控制系统中非线性现象分两种类型，试较详细的论述一下所分的两类非线性为：系统固有非线性和人为非线性固有非线性是系统中不可避免的，典型有死区（如测量元件，执行机构死区），饱和（各种放大器的饱和现象），间隙（传动机构如变速箱齿轮间的间隙）继电（如开关），滞环（如静摩擦引起的）等非线性。人为非线性是人们为了改善系统的性能，优化系统结构而故意人为引入非线性元件（如继电器，限位开关等）而构成的非线性系统。经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。 经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频率域方法。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性（见过渡过程、频率响应）、控制系统的设计原理和校正方法（见控制系统校正方法）。经典控制理论包括线性控制理论、采样控制理论、非线性控制理论（见非线性系统理论）三个部分。早期,这种控制理论常被称为自动调节原理,随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成（在1960年前后），开始广为使用现在的名称。 模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控