自动控制原理复习

1、自动控制原理自动控制原理复习提纲复习提纲 （电气工程和自动化（电气工程和自动化 11 级）级）第第 1 章章 基本概念基本概念1. 什么是自动控制？控制器？被控对象?自动控制系统？答：自动控制：在没有人的直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、工答：自动控制：在没有人的直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、工作机械或生产过程的某些物理量或工作状态能自动地按照预定作机械或生产过程的某些物理量或工作状态能自动地按照预定的规律或数值运行或变化。的规律或数值运行或变化。控制器：通常把控制的装置称为控制器。控制器：通常把控制的装置称为控制器。被控对象：被控制的设备或工作机械。被控对象：被控制的设备

2、或工作机械。自动控制系统：控制器和被控对象的总体。自动控制系统：控制器和被控对象的总体。2. 什么是开环、闭环、复合控制？答：开环控制：指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，或者说系统的输答：开环控制：指系统输出端与输入端之间不存在反馈回路，或者说系统的输出量不对系统的控制产生任何作用的控制过程。出量不对系统的控制产生任何作用的控制过程。闭环控制：指系统输出端与输入端之间存在反馈回路，或者说系统输出量闭环控制：指系统输出端与输入端之间存在反馈回路，或者说系统输出量直接或间接地参与了系统的控制。直接或间接地参与了系统的控制。复合控制：指开环和闭环控制相结合的一种控制方式，它是在闭环控制基复合控

3、制：指开环和闭环控制相结合的一种控制方式，它是在闭环控制基础上再引入一条给定输入信号或扰动作用所构成的顺馈通路。础上再引入一条给定输入信号或扰动作用所构成的顺馈通路。3. 闭环控制是按什么原理，按什么进行控制的？答：闭环控制实际上是根据负反馈原理，按偏差量进行控制的。答：闭环控制实际上是根据负反馈原理，按偏差量进行控制的。4. 对控制系统的基本要求是什么？答：（答：（1）稳定性；（）稳定性；（2）动态特性（快速）动态特性（快速） ；（；（3）稳态特性（准确）稳态特性（准确）5. 控制系统的分类。答：一，按使用的数学模型分：（答：一，按使用的数学模型分：（1）线性系统和非线性系统；）线性系统和非

4、线性系统；（2）连续系统和离散系统；）连续系统和离散系统；二，按给定输入信号特征分：（二，按给定输入信号特征分：（1）恒值系统；（）恒值系统；（2）随动系统；（）随动系统；（3）程序）程序控制系统控制系统第第 2 章章 数学模型数学模型1.列写简单电路的微分方程。例 2-1，例 2-4。2.什么是系统的传递函数？有什么特点？答：在初始条件为零时，系统（或环节）输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变答：在初始条件为零时，系统（或环节）输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换（象函数）之比，称为系统（或环节）的传递函数。换（象函数）之比，称为系统（或环节）的传递函数。特点：（特点：（1）传递）传递函数函数是一

5、种数学模型，与系统的微分方程相对应。是一种数学模型，与系统的微分方程相对应。（2）是系统本身的一种属性，与输入量的大小和性质无关。）是系统本身的一种属性，与输入量的大小和性质无关。（3）只适用于）只适用于线性定常系统线性定常系统。（4）传递）传递函数函数是是单变量系统单变量系统描述，外部描述。描述，外部描述。（5）传递）传递函数函数是在零初始条件是在零初始条件下定义下定义的，不能反映在非零初始条件下的，不能反映在非零初始条件下系统的运动情况。系统的运动情况。（6）一般为复变量）一般为复变量 S 的有理分式，即的有理分式，即 n m。且所有的系数均为。且所有的系数均为实实数数。（7）如果传递）如

6、果传递函数函数已知，则可针对各种不同形式的输入量研究系统的已知，则可针对各种不同形式的输入量研究系统的输出或响应。输出或响应。（8）如果传递）如果传递函数函数未知，则可通过引入已知输入量并研究系统输出量未知，则可通过引入已知输入量并研究系统输出量的实验方法，确定系统的传递的实验方法，确定系统的传递函数函数。（9）传递函数与）传递函数与脉冲响应函数脉冲响应函数一一对应，脉冲响应函数是指系统在单一一对应，脉冲响应函数是指系统在单位脉冲输入量作用下的输出。位脉冲输入量作用下的输出。3.求电网络的传递函数。图 2-12、2-14、2-15，习题 2-1。4.有哪几种典型环节？答：（答：（1）比例环节；

7、（）比例环节；（2）惯性环节；（）惯性环节；（3）积分环节；（）积分环节；（4）振荡环节；（）振荡环节；（5）微分环节；（微分环节；（6）延迟环节）延迟环节5.掌握简单电网络动态结构图的建立、简化与变换法则。答：建立步骤：（答：建立步骤：（1）从系统输入端开始，把系统分为若干个基本环节，建立各）从系统输入端开始，把系统分为若干个基本环节，建立各基本环节的微分方程；（基本环节的微分方程；（2）对各基本环节的微分方程进行拉）对各基本环节的微分方程进行拉氏变换，求出相应环节的传递函数，按绘制结构图的要素要求，氏变换，求出相应环节的传递函数，按绘制结构图的要素要求，建立各环节的结构图；（建立各环节的结

8、构图；（3）按照系统中的信号的传递顺序，）按照系统中的信号的传递顺序，依次用信号线将各基本环节的结构图连接起来。依次用信号线将各基本环节的结构图连接起来。变换结构图的原则：变换前后变量数学关系保持不变。变换结构图的原则：变换前后变量数学关系保持不变。一般方法：先通过移动一般方法：先通过移动“分支点分支点”或或“比较点比较点” ，将结构图变换为串联，并，将结构图变换为串联，并联和反馈三种基本连接方式。联和反馈三种基本连接方式。变换规则：详参考书本变换规则：详参考书本 P34.6. 例 2-14，例 2-15，习题 2-7, 2-11 。7. 什么是开环传递函数？闭环控制系统的典型结构的传递函数。

9、答：开环传递函数：主反馈信号拉氏变换式答：开环传递函数：主反馈信号拉氏变换式 B（s）与偏差信号拉氏变换式）与偏差信号拉氏变换式E（s）之比，或者说是前向通道传递函数与反馈通道传递）之比，或者说是前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积。函数的乘积。闭环控制系统的典型结构的传递函数详参考课本闭环控制系统的典型结构的传递函数详参考课本 P36P38。第第 3 章章 时域分析时域分析1. 典型输入信号。答：（答：（1）阶跃函数；（）阶跃函数；（2）斜坡函数；（）斜坡函数；（3）抛物线函数；（）抛物线函数；（4）脉冲函数；）脉冲函数；（5）正弦函数。）正弦函数。 （详见课本（详见课本 P49P50）

10、2. 典型时间响应。答：（答：（1）单位阶跃响应；（）单位阶跃响应；（2）单位斜坡响应；（）单位斜坡响应；（3）单位抛物线响应；（）单位抛物线响应；（4）单位脉冲响应。单位脉冲响应。 （详见课本（详见课本 P52P54）3. 控制系统动态性能指标的定义。答：（答：（1）上升时间）上升时间 t 响应曲线从零至第一次到达稳态值所需的时间；响应曲线从零至第一次到达稳态值所需的时间；（2）峰值时间）峰值时间 t 响应曲线从零至第一个峰值所需的时间；响应曲线从零至第一个峰值所需的时间；（3）调节时间）调节时间 t 响应曲线从零至到达并停留在稳态值的正负响应曲线从零至到达并停留在稳态值的正负 5%或正负或

11、正负 2%误误差范围内所需的时间；差范围内所需的时间；（4）超调量）超调量 % 在系统响应过程中，输出量的最大值超过稳态值的百分数。在系统响应过程中，输出量的最大值超过稳态值的百分数。4. 稳态性能指标。答：用稳态误差答：用稳态误差 e描述。稳态误差是系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。描述。稳态误差是系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。5.一阶系统的典型结构和性能指标。答：典型结构：详见课本答：典型结构：详见课本 P52；性能指标：性能指标：6. 例 3-1，习题 3-9。7. 二阶系统的标准型。性能指标。例 3-2，例 3-3，习题 3-1，习题3-2 。答：典型结构：详见课本典型结构：详

12、见课本 P55；性能指标：性能指标： 8. 提高二阶系统动态性能指标的两种方法。答：（答：（1）比例）比例微分（微分（PD）串联校正；（）串联校正；（2）输出量微分负反馈的并联校正。）输出量微分负反馈的并联校正。9. 什么是主导极点？答：答：指在系统所有的闭环极点中，对动态响应起主导作用。指在系统所有的闭环极点中，对动态响应起主导作用。10线性定常系统稳定的充要条件。劳斯稳定判据。例 3-7，例 3-8， 例 3-9，例 3-10。答：充要条件：系统特征方程式所有的根，即闭环传递函数的极点，全部为负答：充要条件：系统特征方程式所有的根，即闭环传递函数的极点，全部为负实数或具有负实部的共轭复数。

13、换句话说，所有的根必须分布实数或具有负实部的共轭复数。换句话说，所有的根必须分布于于 S 平面虚轴的左半边。平面虚轴的左半边。劳斯稳定判据：（劳斯稳定判据：（1）各项系数均为正；（）各项系数均为正；（2）劳斯表的第一列系数均为正。）劳斯表的第一列系数均为正。劳斯表详见课本劳斯表详见课本 P6711稳态误差的计算。终值定理。误差系数法。例 3-11，例 3-12，例 3-13。 习题 3-13，习题 3-14。答：稳态误差的计算：详见课本答：稳态误差的计算：详见课本 P71P78终值定理：终值定理：12减少稳态误差的三种方法。答：（答：（1）提高系统开环增益即放大系数；（）提高系统开环增益即放大

14、系数；（2）增加开环系统中积分环节的个）增加开环系统中积分环节的个数；（数；（3）复合控制结构（抗干扰补偿的复合控制和按给定输入补偿的复合）复合控制结构（抗干扰补偿的复合控制和按给定输入补偿的复合控制结控制结 构）构）第第 4 章章 控制系统的根轨迹的分析控制系统的根轨迹的分析1. 什么是根轨迹？答：答：根轨迹是根轨迹是开环系统开环系统某一参数从零变化到无穷大时，闭环系统特征根在某一参数从零变化到无穷大时，闭环系统特征根在 s 平平面上变化的轨迹。面上变化的轨迹。2根轨迹的幅值条件和相位条件，绘制根轨迹的主要法则。答：第一种形式：答：第一种形式：第二种形式：第二种形式：主要法则：（主要法则：（

15、1）根轨迹的连续性；（）根轨迹的连续性；（2）根轨迹的对称性；（）根轨迹的对称性；（3）根轨迹的条数）根轨迹的条数（分支数）（分支数） ；（；（4）根轨迹的起点和终点；（）根轨迹的起点和终点；（5）实轴上的根轨迹；）实轴上的根轨迹；（6）分离点和汇合点；（）分离点和汇合点；（7）根轨迹的渐进线；（）根轨迹的渐进线；（8）根轨迹与虚轴）根轨迹与虚轴的交点；（的交点；（9）根轨迹的出射角与入射角；（）根轨迹的出射角与入射角；（10）根轨迹的走向。）根轨迹的走向。（详细参考书本（详细参考书本 P84P88）3.增加开环零、极点对根轨迹的影响。答：增加开环零点对根轨迹的影响：（答：增加开环零点对根轨迹

16、的影响：（1）改变了根轨迹在实轴上的分布；）改变了根轨迹在实轴上的分布；（2）改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距；（）改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距；（3）若增加的开环）若增加的开环零点和某个极点重合或距离很近，构成开环偶极子，则两者相互抵消。零点和某个极点重合或距离很近，构成开环偶极子，则两者相互抵消。因此，可加入一个零点来抵消有损于系统性能的极点；（因此，可加入一个零点来抵消有损于系统性能的极点；（4）根轨迹曲）根轨迹曲线将向左移，有利于改善系统的动态性能，而且，所加的零点越靠近线将向左移，有利于改善系统的动态性能，而且，所加的零点越靠近虚轴，影响越大。虚轴，影响越大。增加开环极点

17、对根轨迹的影响：（增加开环极点对根轨迹的影响：（1）改变了根轨迹在实轴上的分布；）改变了根轨迹在实轴上的分布；（2）改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距；（）改变了根轨迹渐近线的条数、倾角及截距；（3）改变了根轨迹）改变了根轨迹的分支数；（的分支数；（4）根轨迹曲线将向右移，不利于改善系统的动态性能，）根轨迹曲线将向右移，不利于改善系统的动态性能，而且，所加的极点越靠近虚轴，影响越大。而且，所加的极点越靠近虚轴，影响越大。第第 5 章章 控制系统的频域特性分析控制系统的频域特性分析1. 什么是频率响应? 频率特性？答：频率响应：稳定的线性定常系统，其对正弦函数输入的稳态响应；答：频率响应：稳定

18、的线性定常系统，其对正弦函数输入的稳态响应；频率特性：幅频特性及相频特性，或者说，在正弦输入下，线性定常系统频率特性：幅频特性及相频特性，或者说，在正弦输入下，线性定常系统或环节，其输出的稳态分量与输入的复数比。或环节，其输出的稳态分量与输入的复数比。2. 典型环节的 bode 图表示。（详见课本（详见课本 P100P108）3. 系统开环频率特性的 bode 图和幅相特性图即奈氏图的近似绘制。（详见课本（详见课本 P108P113）4. 奈氏稳定判据。对数频率特性的奈氏稳定判据。答：奈氏稳定判据：（答：奈氏稳定判据：（1）开环幅频特性相频特性曲线）开环幅频特性相频特性曲线 Gk（jw） ，当

19、，当 w 从从-到到+时，逆时针包围临界点（时，逆时针包围临界点（-1，j0）的圈数）的圈数 N 等于开环传递函数在右半等于开环传递函数在右半 S平面的极点数平面的极点数 P；（；（2）当开环传递函数没有右半）当开环传递函数没有右半 S 平面上的极点时，即平面上的极点时，即P=0（或称当开环系统是稳定时）（或称当开环系统是稳定时） ，闭环系统稳定的充要条件是，系统的开，闭环系统稳定的充要条件是，系统的开环幅相频率特性曲线环幅相频率特性曲线 Gk（jw） ，当，当 w 从从-到到+时，不包围临界点（时，不包围临界点（-1，j0） ，即，即 N=0.对数频率特性的奈氏稳定判据：（对数频率特性的奈氏

20、稳定判据：（1）如果系统开环传递函数有）如果系统开环传递函数有 P 个极点在右个极点在右半半 S 平面，则闭环系统稳定的充要条件是，在对数幅频特性为正的所有频平面，则闭环系统稳定的充要条件是，在对数幅频特性为正的所有频段内，对数相频特性与段内，对数相频特性与-180相位线的正穿越和负穿越次数之差为相位线的正穿越和负穿越次数之差为 P/2.若若开环传递函数的全部极点在左半开环传递函数的全部极点在左半 S 平面，即平面，即 P=0，在对数幅频特性为正的，在对数幅频特性为正的所有频段内，对数相频特性与所有频段内，对数相频特性与-180相位线的正穿越和负穿越次数之差为相位线的正穿越和负穿越次数之差为0

21、，则闭环系统是稳定的。否则不稳定。，则闭环系统是稳定的。否则不稳定。5.由最小相位系统的对数幅频特性求 G(s)。由实验曲线反求传递函 数 （详见课本（详见课本 P121P122）6. 四个开环频域性能指标。答：（答：（1）截止频率）截止频率 Wc ：开环对数幅频特性等于零分贝的频率值：开环对数幅频特性等于零分贝的频率值L（Wc）=20lgA（Wc）=20lgGk（jwc）=0（dB）（2）相位裕量）相位裕量 Y（Wc）：在对数频率特性中相频特性曲线在）：在对数频率特性中相频特性曲线在 w=Wc时的相时的相角值角值（Wc）与）与-180之差之差 Y（Wc）=（Wc）+180（3）增益裕量）增益

22、裕量 G.M. ：又称为幅值裕量，指相角为：又称为幅值裕量，指相角为-180这一频率值这一频率值 wg所所对应的幅值倒数的分贝数。对应的幅值倒数的分贝数。G.M.=-20 lgGk（jwg）=-20lgA（Wg）（4）中频宽度）中频宽度 h ：开环对数幅频特性以斜率为：开环对数幅频特性以斜率为-20dB/dec 过横轴的线段宽过横轴的线段宽度度 h h=w2/w17. P132 习题 5-1 , 5-2 , 5-3 （1） （2） ，5-5（1） （2） （3） ，5-6 , 5-7， 5-8 （1） 、 （2） 。8. 开环频率特性的三频段的概念，与系统性能的关系。答:9. 已知脉冲响应函数

23、，求传递函数。第第 6 章章 频率法校正频率法校正1. 频率法校正的实质是什么？答：频率校正的实质：就是引入校正装置的特性去改变原系统开环对数幅频特答：频率校正的实质：就是引入校正装置的特性去改变原系统开环对数幅频特性的形状，使其满足给出的性能指标。性的形状，使其满足给出的性能指标。2. 串联超前、滞后校正的作用是什么？答：串联超前校正的作用：（答：串联超前校正的作用：（1）使校正后系统的截止频率增大，通频带变宽，）使校正后系统的截止频率增大，通频带变宽，提高了系统响应的快速性；（提高了系统响应的快速性；（2）使校正后系统的相角稳定裕度增大，）使校正后系统的相角稳定裕度增大，提高了系统的相对稳

24、定性。提高了系统的相对稳定性。串联滞后校正的作用：（串联滞后校正的作用：（1）使新截止频率附近系统的相角裕度增大，提高）使新截止频率附近系统的相角裕度增大，提高了系统的相对稳定性；（了系统的相对稳定性；（2）没有改变原系统最低频段的特性，不会影）没有改变原系统最低频段的特性，不会影响系统的稳定精度。响系统的稳定精度。3. 什么是 PID 控制器？答答：PID 控制器（控制器（Proportion Integration Differentiation.比例比例-积分积分-微分微分控制控制器器） ，由比例单元，由比例单元 P、积分单元、积分单元 I 和微分单元和微分单元 D 组成。组成。第第 8 章章 线性离散控制系统的分析与综合线性离散控制系统的分析与综合1.线性离散控制系统有那两种类型？答：（答：（1）采样控制系统；（）采样控制系统；（2）数字（计算机）控制系统）数字（计算机）控制系统2.什么是采样定理？答：只要采样频率答：只要采样频率 W 大于或等于连续信号大