自动控制原理试题库(含参考答案)

自动控制原理试题库(含参考答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.开环控制与闭环控制最本质的区别在于（）A.开环系统没有执行机构B.闭环系统存在反馈环节C.开环系统没有控制器D.闭环系统不使用动力元件答案：B解析：闭环控制的本质特征是将输出量检测后反馈到输入端与给定量比较，按偏差进行控制；是否使用执行机构、控制器不是两者的本质区别。2.传递函数是在下列哪种条件下定义的？（）A.任意初始条件B.零初始条件C.单位阶跃输入D.零输入响应答案：B解析：传递函数是线性定常系统在零初始条件下，输出量的Laplace变换与输入量的Laplace变换之比。3.单位负反馈系统的开环传递函数为G(A.KB.KC.sD.1答案：A解析：Φ(4.二阶系统G(s)A.单调上升B.衰减振荡C.等幅振荡D.发散振荡答案：C解析：ζ=5.已知系统的特征方程为s3+3A.KB.KC.KD.0答案：D解析：列Routh表，第一列元素为1、3、(6−K)/3、K，稳定要求6.下列因素中，不影响系统稳态误差的是（）A.系统的型别B.系统的开环增益C.输入信号的形式与幅值D.系统的阻尼比答案：D解析：稳态误差与系统型别、开环增益及输入信号有关；阻尼比主要影响动态性能。7.关于相位裕度γ，下列说法正确的是（）A.在相位穿越频率ωg处，B.在截止频率ωc处，C.在截止频率ωc处，D.在相位穿越频率ωg处，答案：B解析：相位裕度在截止频率（增益交界频率）处定义，即γ=8.当开环增益K由0变化到无穷大时，闭环根轨迹的起点位于（）A.开环零点B.开环极点C.闭环零点D.无穷远处答案：B解析：K=9.惯性环节G(s)A.由0变为−20B.由−20变为−C.由0变为+20D.由−20答案：A解析：惯性环节低频渐近线为0dB水平线，高频渐近线斜率为−20dB/dec，故转折频率处斜率由0变为−10.PID控制器中，积分环节的主要作用是（）A.加快响应速度B.提高相位裕度C.消除或减小稳态误差D.抑制高频噪声答案：C解析：积分作用对偏差进行累积，只要有偏差其输出就不断增强，因而能消除稳态误差；其动态响应具有滞后性，对高频噪声敏感。二、填空题（每空2分，共20分）1.自动控制系统按有无反馈回路可分为开环控制和________控制两大类。答案：闭环2.传递函数是在________初始条件下，线性定常系统输出量的Laplace变换与输入量的Laplace变换之比。答案：零3.二阶系统处于欠阻尼状态时，阻尼比ζ满足________。答案：04.线性定常系统稳定的充分必要条件是：闭环特征方程的所有根均位于s平面的________。答案：左半平面（均具有负实部）5.系统的开环传递函数为G(答案：I（一）解析：开环传递函数分母中含有一个积分环节1/6.根轨迹起始于开环________，终止于开环零点或无穷远处。答案：极点7.相位裕度γ是在系统的________频率（开环对数幅频特性与0dB线的交点频率）处定义的。答案：剪切（截止）8.设某系统的开环传递函数为G(答案：2解析：惯性环节0.5s+1的时间常数T9.增大系统开环增益K时，系统的稳态误差________。答案：减小（变小）10.开环频率特性的相角等于−180答案：相位穿越（相位交界）解析：该频率处幅值的倒数定义为幅值裕度。三、判断题（每题2分，共10分）1.开环控制系统没有反馈回路，因而外界扰动不会影响其输出量。答案：错误解析：开环系统无反馈，扰动会直接引起输出偏差，且系统无法自动补偿。2.传递函数只取决于系统自身的结构与参数，与输入信号的形式无关。答案：正确解析：传递函数是系统固有属性在零初始条件下的描述，输入信号只影响输出响应，不改变传递函数。3.系统的型别越高，跟踪典型输入信号的稳态误差越小或为零。答案：正确解析：例如I型系统对阶跃输入无差，II型系统对斜坡输入无差；型别提高使可无差跟踪的输入类型增多。4.增大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5.复平面上凡是满足根轨迹幅值条件的点，一定位于根轨迹上。答案：错误解析：根轨迹由相角条件确定，幅值条件仅用于确定根轨迹上某点对应的增益K值；只满足幅值条件而不满足相角条件的点不在根轨迹上。四、简答题（每题5分，共10分）1.简述闭环控制系统的基本组成及各环节的作用。答案：（1）给定元件：产生与期望输出相对应的输入信号；（2）比较元件：将给定输入与反馈信号比较，产生偏差信号；（3）控制器（校正元件）：对偏差信号按一定控制规律运算，产生控制作用，以改善系统性能；（4）执行机构：将控制信号放大并转换为驱动被控对象的功率信号；（5）被控对象：系统所要控制的设备或过程，其输出为被控量；（6）检测反馈元件：测量被控量并将其转换为与给定输入同类型、可比较的反馈信号。闭环系统的核心特征是存在负反馈回路，系统按偏差进行控制。解析：采分点包括基本组成环节的名称与作用（4分）及负反馈闭环特征（1分）。2.简述线性定常系统稳定的充分必要条件，并说明用Routh判据判断系统稳定性的主要步骤。答案：线性定常系统稳定的充分必要条件是：闭环特征方程的所有根（即闭环极点）均具有负实部，即全部位于s平面的左半平面。Routh判据的判别步骤：（1）写出闭环特征方程，检查各项系数是否全部大于零。若系数有缺项或符号不相同，系统必不稳定；（2）按规则列写Routh表，前两行由特征方程系数排列，其余各行按公式计算；（3）检查Routh表第一列元素：若全部为正、无符号变化，则系统稳定；若出现符号变化，则系统不稳定，符号变化次数等于右半平面闭环极点个数。解析：采分点包括稳定充要条件（2分）与Routh判据三个步骤（3分）。五、计算分析题（每题10分，共40分）1.已知某单位负反馈控制系统的结构图：输入R(s)经比较点1后串接G1(s)；G1(s)的输出经比较点2后依次串接GG（1）求局部反馈回路的等效传递函数Gi（2）求系统的闭环传递函数Φ(（3）确定使系统闭环稳定的k值范围。（4分）答案：（1）G（2）Φ（3）k解析：（1）G2(s)、G（2）系统开环传递函数为GkΦ（3）闭环特征方程为D(ssss系统稳定要求第一列元素全部为正，即2k+23>0、k+4>2.已知单位负反馈系统的开环传递函数为G（1）求闭环传递函数、自然频率ωn和阻尼比ζ（2）求单位阶跃输入下系统的超调量σ%、峰值时间tp和调节时间ts（3）求系统对单位斜坡输入的稳态误差es答案：（1）Φ(s)=（2）σ%≈16.3%，（3）e解析：（1）Φ与标准形式ωn2s2+2ζωns+（2）欠阻尼二阶系统的动态性能指标为：σtt（3）系统为I型系统，速度误差系数K单位斜坡输入时e3.已知单位负反馈系统的开环传递函数为G（1）求根轨迹渐近线的条数、与实轴的交点及夹角；（3分）（2）求根轨迹的分离点；（3分）（3）求根轨迹与虚轴的交点，并确定系统稳定时K的取值范围。（4分）答案：（1）3条渐近线，交点σa=−1，夹角分别为60（2）分离点d（3）与虚轴交点为±j2，临界增益K解析：（1）开环极点p1=0、p2=−1、pσ渐近线与实轴夹角φ即60∘、180∘、（2）分离点满足i即1整理得3d2+6d+2d（3）令s=jω(即(令实部、虚部分别为零：2故根轨迹与虚轴的交点为±j2，临界增益Kc=6。结合K>0，系统稳定时0<K<6。也可由Routh判据验证：第一列元素为14.已知单位负反馈系统的开环传递函数为G（1）写出对数幅频特性渐近线的转折频率及各段斜率，并画出渐近线草图；（4分）（2）求截止频率ωc（按渐近线近似）和相位裕度γ（3）求相位穿越频率ωg和幅值裕度h答案：（1）转折频率ω1=2rad/s、ω2=10rad/s；各段斜率依次为（2）ωc≈（3）ωg=20