自動控制原理 試卷 全大題 完整答案

1、三、(8分)試建立如圖3所示電路的動態(tài)微分方程，并求傳遞函數(shù)。圖3解：1、建立電路的動態(tài)微分方程根據(jù)KCL有 (2分)即 (2分)2、求傳遞函數(shù)對微分方程進(jìn)行拉氏變換得 (2分)得傳遞函數(shù) (2分)四、（共20分）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：圖41、寫出閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式；（4分）2、要使系統(tǒng)滿足條件：,試確定相應(yīng)的參數(shù)和；（4分）3、求此時系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)；（4分）4、時，求系統(tǒng)由產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差；（4分）5、確定，使干擾對系統(tǒng)輸出無影響。（4分）解：1、（4分） 2、（4分） 3、（4分） 4、（4分） 5、（4分）令：得：五、(共15分)已知某單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 1、繪制該系統(tǒng)以根

2、軌跡增益Kr為變量的根軌跡（求出：漸近線、分離點(diǎn)、與虛軸的交點(diǎn)等）；（8分）2、確定使系統(tǒng)滿足的開環(huán)增益的取值范圍。（7分）解；1、繪制根軌跡 （8分）(1) 系統(tǒng)有有3個開環(huán)極點(diǎn)（起點(diǎn)）：0、-3、-3，無開環(huán)零點(diǎn)（有限終點(diǎn)）；（1分） (2) (2)實(shí)軸上的軌跡：（-，-3）及（-3，0）； （1分）(3) 3條漸近線： （2分）(4) 分離點(diǎn)： 得： （2分） (5)與虛軸交點(diǎn)： （2分）繪制根軌跡如右圖所示。2、（7分）開環(huán)增益K與根軌跡增益Kr的關(guān)系：得 （1分） 系統(tǒng)穩(wěn)定時根軌跡增益Kr的取值范圍：， （2分）系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時根軌跡增益Kr的取值范圍：， （3分）系統(tǒng)穩(wěn)定且

3、為欠阻尼狀態(tài)時開環(huán)增益K的取值范圍： （1分） 第1 頁 共 2 頁六、（共22分）某最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線如圖5所示：1、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)；（8分）2、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、開環(huán)幅頻特性及開環(huán)相頻特性。（3分）3、求系統(tǒng)的相角裕度。（7分）4、若系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度不夠大，可以采用什么措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度？（4分）解：1、從開環(huán)波特圖可知，原系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、一個積分環(huán)節(jié)、兩個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (2分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40dB, 則, 得 (2分) （2分）故系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 （2分）2、寫出該系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性、開環(huán)幅頻特性及開環(huán)相頻特性：開環(huán)頻

4、率特性 （1分）開環(huán)幅頻特性 （1分）開環(huán)相頻特性： （1分）3、求系統(tǒng)的相角裕度： 求幅值穿越頻率，令 得（3分） （2分） （2分）對最小相位系統(tǒng) 臨界穩(wěn)定4、（4分）可以采用以下措施提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度：增加串聯(lián)超前校正裝置；增加串聯(lián)滯后校正裝置；增加串聯(lián)滯后-超前校正裝置；增加開環(huán)零點(diǎn)；增加PI或PD或PID控制器；在積分環(huán)節(jié)外加單位負(fù)反饋。 試題二三、(8分)寫出下圖所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（結(jié)構(gòu)圖化簡，梅遜公式均可）。解：傳遞函數(shù)G(s):根據(jù)梅遜公式 （1分）4條回路:, ， 無互不接觸回路。（2分）特征式： （2分）2條前向通道: ； （2分）（1分）四、（共20分）設(shè)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

5、 ，試求： 1、； ；時單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間及峰值時間。（7分） 2、；和；時單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和峰值時間。（7分）3、根據(jù)計算結(jié)果，討論參數(shù)、對階躍響應(yīng)的影響。（6分）解：系統(tǒng)的閉環(huán)傳函的標(biāo)準(zhǔn)形式為：，其中 1、當(dāng) 時， （4分）當(dāng) 時， （3分）2、當(dāng) 時， （4分）當(dāng) 時， （3分）3、根據(jù)計算結(jié)果，討論參數(shù)、對階躍響應(yīng)的影響。（6分）(1)系統(tǒng)超調(diào)只與阻尼系數(shù)有關(guān)，而與時間常數(shù)T無關(guān)，增大，超調(diào)減?。唬?分）(2)當(dāng)時間常數(shù)T一定，阻尼系數(shù)增大，調(diào)整時間減小，即暫態(tài)過程縮短；峰值時間增加，即初始響應(yīng)速度變慢； （2分）(3)當(dāng)阻尼系數(shù)一定，時間常數(shù)T增大，調(diào)整時間

6、增加，即暫態(tài)過程變長；峰值時間增加，即初始響應(yīng)速度也變慢。 （2分）五、(共15分)已知某單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，試： 1、繪制該系統(tǒng)以根軌跡增益Kr為變量的根軌跡（求出：分離點(diǎn)、與虛軸的交點(diǎn)等）；（8分）2、求系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時開環(huán)增益K的取值范圍。（7分）六、（共22分）已知反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，試： 1、用奈奎斯特判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（10分）2、若給定輸入r(t) = 2t2時，要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0.25，問開環(huán)增益K應(yīng)取何值。（7分）3、求系統(tǒng)滿足上面要求的相角裕度。（5分） 解；1.(1)系統(tǒng)有有2個開環(huán)極點(diǎn)（起點(diǎn)）：0、3，1個開環(huán)零點(diǎn)（終點(diǎn)）為：-1； （

7、2分） (2)實(shí)軸上的軌跡：（-，-1）及（0，3）； （2分）(3)求分離點(diǎn)坐標(biāo)，得 ； （2分）分別對應(yīng)的根軌跡增益為(4)求與虛軸的交點(diǎn)系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為,即令,得 （2分）根軌跡如圖1所示。圖12、求系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時開環(huán)增益K的取值范圍系統(tǒng)穩(wěn)定時根軌跡增益Kr的取值范圍：， （2分）系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時根軌跡增益Kr的取值范圍：， （3分）開環(huán)增益K與根軌跡增益Kr的關(guān)系： （1分）系統(tǒng)穩(wěn)定且為欠阻尼狀態(tài)時開環(huán)增益K的取值范圍： （1分）六、（共22分）已知反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，試： 1、用奈奎斯特判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（10分）2、若給定輸入r(t) = 2t2時

8、，要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0.25，問開環(huán)增益K應(yīng)取何值。（7分）3、求系統(tǒng)滿足上面要求的相角裕度。（5分）解：1、系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為（2分）幅頻特性：， 相頻特性：（2分）起點(diǎn)：；（1分）終點(diǎn)：；（1分） ，圖2曲線位于第3象限與實(shí)軸無交點(diǎn)。（1分）開環(huán)頻率幅相特性圖如圖2所示。 判斷穩(wěn)定性：開環(huán)傳函無右半平面的極點(diǎn)，則，極坐標(biāo)圖不包圍（1，j0）點(diǎn)，則根據(jù)奈氏判據(jù)，ZP2N0 系統(tǒng)穩(wěn)定。（3分） 2、若給定輸入r(t) = 2t2時，要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0.25，求開環(huán)增益K：系統(tǒng)為1型，位置誤差系數(shù)K P =，速度誤差系數(shù)KV =K ， （2分）依題意： ， （3分）得 （2分）故滿足穩(wěn)態(tài)

9、誤差要求的開環(huán)傳遞函數(shù)為3、滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求系統(tǒng)的相角裕度：令幅頻特性：，得， （2分）， （1分）相角裕度： （2分）試題三三、(16分)已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，輸入信號為單位斜坡函數(shù)，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差(8分)。分析能否通過調(diào)節(jié)增益 ，使穩(wěn)態(tài)誤差小于 0.2 (8分)。一G(s)R(s)C(s)圖 1 解：型系統(tǒng)在跟蹤單位斜坡輸入信號時，穩(wěn)態(tài)誤差為（2分）而靜態(tài)速度誤差系數(shù)（2分）穩(wěn)態(tài)誤差為。（4分）要使必須，即要大于5。（6分）但其上限要符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。可由勞斯判據(jù)決定其上限。系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程是（1分）構(gòu)造勞斯表如下為使首列大于0，必須。綜合穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性要求，當(dāng)時能保證

10、穩(wěn)態(tài)誤差小于0.2。（1分）四、(16分)設(shè)負(fù)反饋系統(tǒng)如圖2 ，前向通道傳遞函數(shù)為，若采用測速負(fù)反饋，試畫出以為參變量的根軌跡(10分)，并討論大小對系統(tǒng)性能的影響(6分)。圖2 H (s)一G(s)R(s)C(s)解：系統(tǒng)的開環(huán)傳函，其閉環(huán)特征多項(xiàng)式為，（1分）以不含的各項(xiàng)和除方程兩邊，得，令，得到等效開環(huán)傳函為（2分）參數(shù)根軌跡，起點(diǎn)：，終點(diǎn)：有限零點(diǎn)，無窮零點(diǎn)（2分）實(shí)軸上根軌跡分布：，0（2分）實(shí)軸上根軌跡的分離點(diǎn)：令，得合理的分離點(diǎn)是，（2分）該分離點(diǎn)對應(yīng)的根軌跡增益為，對應(yīng)的速度反饋時間常數(shù)（1分）根軌跡有一根與負(fù)實(shí)軸重合的漸近線。由于開環(huán)傳函兩個極點(diǎn)，一個有限零點(diǎn)且零點(diǎn)不在兩極點(diǎn)

11、之間，故根軌跡為以零點(diǎn)為圓心，以該圓心到分離點(diǎn)距離為半徑的圓周。根軌跡與虛軸無交點(diǎn)，均處于s左半平面。系統(tǒng)絕對穩(wěn)定。根軌跡如圖1所示。（4分）討論大小對系統(tǒng)性能的影響如下：（1）、當(dāng)時，系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)。根軌跡處在第二、三象限，閉環(huán)極點(diǎn)為共軛的復(fù)數(shù)極點(diǎn)。系統(tǒng)阻尼比隨著由零逐漸增大而增加。動態(tài)響應(yīng)為阻尼振蕩過程，增加將使振蕩頻率減小（），但響應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)時間縮短（）。（1分）（2）、當(dāng)，為臨界阻尼狀態(tài)，動態(tài)過程不再有振蕩和超調(diào)。（1分）（3）、當(dāng)，為過阻尼狀態(tài)。系統(tǒng)響應(yīng)為單調(diào)變化過程。（1分）圖1四題系統(tǒng)參數(shù)根軌跡五、已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為均大于0 ，試用奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。 (

12、16分) 第五題、第六題可任選其一圖2五題幅相曲線1解：由題已知：，系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為（2分）開環(huán)頻率特性極坐標(biāo)圖 起點(diǎn)：；（1分）終點(diǎn)：；（1分） 與實(shí)軸的交點(diǎn)：令虛頻特性為零，即得（2分）實(shí)部（2分）開環(huán)極坐標(biāo)圖如圖2所示。（4分）由于開環(huán)傳函無右半平面的極點(diǎn)，則當(dāng)時，極坐標(biāo)圖不包圍（1，j0）點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定。（1分）當(dāng)時，極坐標(biāo)圖穿過臨界點(diǎn)（1，j0）點(diǎn)，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。（1分）當(dāng)時，極坐標(biāo)圖順時針方向包圍（1，j0）點(diǎn)一圈。 按奈氏判據(jù)，ZPN2。系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2分)閉環(huán)有兩個右平面的極點(diǎn)。六、已知最小相位系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性如圖3所示。試求系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。(16分)L()111020

13、2-20-40-40圖 3 -10dBC(s)R(s)一圖4 解：從開環(huán)波特圖可知，系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、兩個積分環(huán)節(jié)、一個一階微分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (8分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40dB, 則,得 (2分)又由的幅值分貝數(shù)分別為20和0，結(jié)合斜率定義，有，解得 rad/s(2分)同理可得或 ，得 rad/s(2分) 故所求系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為(2分)七、設(shè)控制系統(tǒng)如圖4，要求校正后系統(tǒng)在輸入信號是單位斜坡時的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.05，相角裕度不小于40o ，幅值裕度不小于 10 dB，試設(shè)計串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)。( 16分)解：（1）、系統(tǒng)開環(huán)傳函，輸入信號為單位斜坡函數(shù)時的穩(wěn)態(tài)

14、誤差為，由于要求穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.05，取故（5分）（2）、校正前系統(tǒng)的相角裕度計算：得rad/s；而幅值裕度為無窮大，因?yàn)椴淮嬖?。?分）（3）、根據(jù)校正后系統(tǒng)對相位裕度的要求，確定超前環(huán)節(jié)應(yīng)提供的相位補(bǔ)償角（2分）（4）、校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算（2分）（5）、超前校正環(huán)節(jié)在處的幅值為：使校正后的截止頻率發(fā)生在處，故在此頻率處原系統(tǒng)的幅值應(yīng)為5.31dB 解得（2分）（6）、計算超前網(wǎng)絡(luò) 在放大3.4倍后，超前校正網(wǎng)絡(luò)為校正后的總開環(huán)傳函為：（2分）（7）校驗(yàn)性能指標(biāo)相角裕度由于校正后的相角始終大于180o，故幅值裕度為無窮大。符合設(shè)計性能指標(biāo)要求。（1分）三、寫出下圖所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（結(jié)構(gòu)圖化

15、簡，梅遜公式均可）。(8分)解：傳遞函數(shù)G(s):根據(jù)梅遜公式 （2分）3條回路:,， （1分）1對互不接觸回路: （1分）（2分）1條前向通道: （2分）（2分）四、(共15分)已知某單位反饋系統(tǒng)的閉環(huán)根軌跡圖如下圖所示1、寫出該系統(tǒng)以根軌跡增益K*為變量的開環(huán)傳遞函數(shù)；（7分）2、求出分離點(diǎn)坐標(biāo)，并寫出該系統(tǒng)臨界阻尼時的閉環(huán)傳遞函數(shù)。（8分）1 2-2 -1 2 1-1 -2jws××解：1、由圖可以看出，系統(tǒng)有1個開環(huán)零點(diǎn)為：1（1分）；有2個開環(huán)極點(diǎn)為：0、-2（1分），而且為零度根軌跡。由此可得以根軌跡增益K*為變量的開環(huán)傳函 （5分）2、求分離點(diǎn)坐標(biāo)，得 （2分

16、）分別對應(yīng)的根軌跡增益為 （2分）分離點(diǎn)d1為臨界阻尼點(diǎn)，d2為不穩(wěn)定點(diǎn)。單位反饋系統(tǒng)在d1（臨界阻尼點(diǎn)）對應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為，（4分）五、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，求系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間。（12分）R(s)C(s)解：由圖可得系統(tǒng)的開環(huán)傳函為： （2分）因?yàn)樵撓到y(tǒng)為單位負(fù)反饋系統(tǒng)，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為， （2分）與二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式 比較，有 （2分）解得 （2分）所以 （2分） （2分）或，六、已知最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和串聯(lián)校正裝置的對數(shù)幅頻特性如下圖所示，原系統(tǒng)的幅值穿越頻率為：（共30分） 1、 寫出原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),并求其相角裕度，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（10分） 2、 寫出校正裝置的傳遞函數(shù)；（5分） 3、寫出校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)，畫出校正后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性，并用勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（15分）0.010.11101000.322024.340-20dB/dec-20dB/dec-40dB/dec-60dB/decL(w)wL0Lc解：1、從開環(huán)波特圖可知，原系統(tǒng)具有比例環(huán)節(jié)、一個積分環(huán)節(jié)、兩個慣性環(huán)節(jié)。故其開環(huán)傳函應(yīng)有以下形式 (2分)由圖可知：處的縱坐標(biāo)為40dB, 則,得 (2分)故原系統(tǒng)的開環(huán)傳函為 （2分）求原系統(tǒng)的相角裕度：由題知原系統(tǒng)的幅值穿越頻率為