自动控制系统常见问题及答案

自动控制系统常见问题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.自动控制系统的基本组成不包括下列哪个环节？A.给定元件B.比较环节C.显示仪表D.执行元件答案：C2.下列系统中，属于开环控制系统的是哪一个？A.自动恒温箱B.普通家用洗衣机C.无人驾驶汽车D.飞机自动驾驶仪答案：B解析：开环控制系统的输出量不影响输入信号。普通洗衣机按设定程序运行，不检测洗涤效果参与反馈，属于典型开环控制。3.反馈控制系统能够抑制下列哪类扰动的影响？A.反馈通道前向通路中所有扰动B.反馈通道内部扰动C.反馈通道至输入端的扰动D.反馈通道输出端以后的扰动答案：A4.单位负反馈系统的前向传递函数为G(A.1B.GC.1D.1答案：A5.已知G(A.0.5rad/sB.1rad/sC.5rad/sD.10rad/s答案：C解析：一阶惯性环节G(s)=KTs6.关于比例控制，下列说法正确的是哪一项？A.比例系数KpB.比例控制可以完全消除稳态误差C.比例控制不影响系统的稳定性D.比例控制会引入滞后相位答案：A7.已知系统特征方程为s3+3A.KB.0C.0D.K答案：B解析：由劳斯判据，对三阶系统s3+a2s2+a18.某单位反馈系统开环传递函数为G(s)A.0B.2C.10D.50答案：B解析：该系统为I型系统，Kv9.关于PID控制器，下列说法正确的是哪一项？A.微分控制常用于滤除高频噪声B.积分控制可以消除稳态误差但会降低响应快速性C.微分控制可以减小系统的阻尼D.比例控制对稳态误差没有任何影响答案：B解析：积分环节累积偏差直至消除稳态误差，代价是系统阶次升高、相位滞后增大，响应的快速性和稳定性下降。10.已知某二阶系统的阻尼比ζ=0.707，自然频率A.4.3%B.9.5%C.16.3%D.28.5%答案：A解析：超调量公式σ%=e−πζ/1−二、判断题（每题2分，共20分）1.稳定性是自动控制系统能够正常工作的首要条件，不稳定系统在工程上无法使用。答案：正确2.开环控制由于没有反馈，其控制精度一定低于闭环控制。答案：错误解析：若系统参数恒定且扰动很小，设计良好的开环系统同样可以达到较高精度，不能说"一定"低于闭环。3.增大系统开环增益可以减小稳态误差，但会降低系统的相对稳定性。答案：正确4.系统的型别v以开环传递函数中积分环节的个数来定义。答案：正确5.传递函数只适用于线性定常系统，并描述系统在零初始条件下的动态特性。答案：正确6.对于最小相位系统，对数幅频特性与相频特性存在一一对应的确定关系。答案：正确7.稳态误差包含扰动引起的误差，其大小只与系统开环增益有关。答案：错误解析：稳态误差还取决于输入信号类型、系统型别以及扰动作用点的位置，不只是开环增益的函数。8.基本PID控制中，微分控制对阶跃输入有放大作用。答案：错误解析：理想微分对阶跃信号会产生幅值无穷大的脉冲信号，容易引起饱和，工程中需加滤波或使用实际微分环节，但"放大"的说法并不准确。9.系统截止频率越高，响应速度越快，但对高频噪声的抑制能力越差。答案：正确10.串联滞后校正主要利用的是滞后环节在中频段的相位滞后特性。答案：错误解析：滞后校正在中频段应避免引入明显相位滞后，它主要是利用高频段增益衰减特性来改善稳态精度，同时尽量减小对相位裕度的影响。三、简答题（每题5分，共25分）1.给出自动控制系统的闭环控制原理框图，并说明各组成环节的作用。答案：闭环控制系统由给定元件、比较环节、串联校正装置、放大元件、执行机构、被控对象和检测反馈元件组成。(1)给定元件：产生与期望输出对应的输入信号；(2)比较环节：将反馈信号与给定量比较，产生偏差信号；(3)校正装置：改善系统动态与稳态性能；(4)放大元件：放大偏差信号驱动执行机构；(5)执行机构：根据控制信号对被控对象施加控制作用；(6)被控对象：控制系统所要操纵的装置或过程；(7)检测反馈元件：检测被控量并转换为与给定量同量纲的信号。2.简述劳斯稳定判据判断线性系统稳定性的主要步骤。答案：(1)写出系统闭环特征方程；(2)检查特征方程各项系数是否符号相同且均不等于零，若不满足则系统不稳定；(3)若满足必要条件，列出劳斯表；(4)观察劳斯表第一列各元符号，若符号全部为正，则系统稳定；若符号变化次数等于正实部根的个数，则系统不稳定。3.什么是二阶系统的最佳阻尼比？此时系统的性能特点如何？答案：最佳阻尼比一般取ζ=4.简述奈奎斯特稳定判据的基本内容。答案：当开环传递函数G(s)H(s)在右半s平面有P个极点时，若系统闭环稳定，则当ω从−∞到5.试述用频率特性法进行系统分析与设计的主要优点。答案：(1)频率特性可由实验数据直接获得，无需推导系统微分方程，适用于机理复杂的对象；(2)计算简便，可用作图法进行系统分析与设计；(3)对高阶系统可用开环频率特性判断闭环系统的稳定性与相对稳定性，物理意义明确；(4)便于系统校正，可通过改变频率特性形状来改善系统性能。四、计算题（每题10分，共20分）1.已知单位负反馈系统的开环传递函数为G要求：(1)求闭环传递函数Φ((2)用劳斯判据确定系统稳定时K的取值范围。答案：(1)闭环传递函数为Φ(2)特征方程为s3s系统稳定需第一列元素全部为正，即：48得：0解析：劳斯表中s1行第一列元素由6×8−12.已知单位负反馈系统的开环传递函数为G要求：(1)求系统的相角裕度γ和幅值裕度Kg(2)判断系统闭环是否稳定。答案：(1)开环频率特性为G令|G100当ωc<10时可忽略(ω即0.01ωc4+ωc2ω相角裕度为γ代入ωcγ相位穿越频率ωg满足∠−得arctan(0.1ωK(2)相角裕度γ≈解析：这是典型的I型二阶系统，其开环对数幅频渐近线以−20dB/dec穿越0dB线；系统低频段相位始终在−90∘五、综合题（15分）某单位负反馈系统被控对象的传递函数为G要求系统在斜坡输入下无稳态误差，且相角裕度不小于40∘要求：(1)说明单纯采用比例控制是否满足要求；(2)设计满足上述要求的串联校正装置。答案：(1)原系统为I型系统，在斜坡输入下存在常数稳态误差。若采用比例控制Gce增大Kp(2)为消除斜坡稳态误差，需将系统型别提高到II型，即串联一个积分环节。但直接串入纯积分会使系统阶次升高、相位滞后增大，稳定性急剧变差，故常采用滞后-超前校正。本系统本质要求在低频段增加积分作用，同时保持中频段足够的相角裕度，可选用PID控制器，即采用滞后-超前形式的校正装置：G其中α<按指标要求取Kp=1|尚未增益校正。为使截止频率不小于2rad/s且补偿相角裕度不足，取超前环节转折频率ω1=1/T∠原系统相角裕度仅45∘。若加入超前环节提供约20G实际工程设计需经试探-校验迭代确定参数。校正后系统中频段以−20dB/dec穿越0dB线，幅值裕度为正，读者可自行验证校正后系统的相角