控制工程基础应掌握的重要知识点
控制以测量反馈为基础，控制的本质是检测偏差，纠正偏差。
自动控制系统的重要信号有输入信号、输出信号、反馈信号、偏差信号等。 输入信号又称为输入量、给定量、控制量等。 自动控制按有无反馈作用分为开环控制与闭环控制。
自动控制系统按给定量的运动规律分为恒值调节系统、程序控制系统与随动控制系统。
自动控制系统按系统线性特性分为线性系统与非线性系统。 自动控制系统按系统信号类型分为连续控制系统与离散控制系统。 对控制系统的基本要求是稳定性、准确性、快速性。 求机械系统与电路的微分方程与传递函数 拉普拉斯变换：
拉普拉斯反变换 拉普拉斯变换解微分方程
传递函数是在零初始条件下将微分方程作拉普拉斯变换，进而运算而来, 传递函数与微分方程是等价的, 传递函数适合线性定常系统。
)
a s (F )t (f e at +→-)
S (F S )t (f ,n )n (→在零初始条件下
)
s (F e )T t (f TS -→-
典型环节传递函数：
比例环节K
一阶微分环节 二阶微分环节 传递函数框图的化简
闭环传递函数 开环传递函数 误差传递函数 闭环传递函数是输出信号与输入信号间的传递函数。
误差传递函数又称偏差传递函数，是偏差信号与输入信号间的传递函数。 系统输出信号称为响应，时间响应由瞬态响应与稳态响应组成。
系统的特征方程是令系统闭环传递函数分母等于零而得。 特征方程的根就是系统的极点。
特征方程为： 1S +τ1
S 2S 2
2+ζτ+τ0
1T S =+
系统进入稳定状态指响应c(t)进入并永远保持在稳态值c(∞)的允许误差范围内，允许误差常取2%或5% 调整时间
特征方程为： 特征方程的根（即极点）为：
??
?
??±=?±=?=%
2,T 4%5,T 3t s n
ω无阻尼自由振荡频率ζ
阻尼比0
S 2S 2
n n 2=ω+ζω+一对虚极点
无阻尼,j S ),(0n 2,1ω±==ζ不能用
系统振荡会越来越大,,0<ζ
单位阶跃响应c(t)：
信号才能进入稳定状态
暂态分量才能衰减
故极点实部必须为负
荡
虚部决定暂态分量的振
暂态分量的衰减
的实部决定
极点
,
,
,t
sin
,
e
)t(c
j
s
d
t
d
n
2,1n
ω
ω
±
ζω
-
=ζω
-
两相同实极点
临界阻尼,
S
),
(1
.2
n
n
2,1
ω
-
=
ζω
-
=
=
ζ
两不同实极点
过阻尼,1
S
),
(1
.32
n
n
2,1
-
ζ
ω
±
ζω
-
=
>
ζ
一对虚极点
无阻尼,
j
S
),
(0
.4
n
2,1
ω
±
=
=
ζ
二阶系统的瞬态响应指标：
峰值时间
最大超调量
调整时间
系统稳定的充要条件是系统特征方程的根（极点）全部具有负实部。 劳斯稳定判据，劳斯计算表
稳定的充要条件是劳斯计算表的第一列各项符号皆为正。第一列各项符号改变的次数就是正实部根（不稳定根）的个数。
误差（偏差）E(S)的求法，稳态误差 系统按开环（即系统内部）积分环节的个数λ=0，1，2分别称为0型、Ⅰ型、
d
p t ωπ
=100%
e
2
1-
p ?=-ζζπ
σ
5%
,3
2%,4t n
n
s ???????±=?ζω±=?ζω≈)S (SE lim )t (e lim e 0
s t ss →∞→==S
1
Ⅱ型系统。
稳态误差e ss表（P73表3-1）
对数频率特性图（Bode 图）包括对数幅频图与相频图。
比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、一阶微分环节、振荡环节、二阶微分环节的Bode图（、）
频率特性
高阶系统Bode 图的绘制
最小相位系统指开环传递函数的零点和极点不处在复平面右半部的系统，即开环（系统内部）由、、、、和
构成的闭环系统。
对于最小相位系统闭环稳定的充要条件是：开环Bode图穿越频率ωc＜ωg ωc:L(ω)穿越0dB线时对应的频率；
)
(ω
φ
()()ω
=
ωA
lg
20
L
()()()()s
G
s
G
s
G
s
G r
2
1
?
=
()()()()ω
ω
?
ω
=
ωj
G
j
G
j
G
j
G r
2
1
()()()()ω
+
+
ω
+
ω
=
ωr
2
1
L
L
L
L
()()()()ω
Φ
+
+
ω
Φ
+
ω
Φ
=
ω
Φr
2
1
K1
s+
τ1
s
2
s2
2+
ξτ
+
τ
()()()()ω
ω
?
ω
=
ωr
2
1
A
A
A
A
ωg :φ(ω)穿越-180°线时对应的频率。
对于最小相位系统，开环Bode 图上ωc 处，φ(ω)应在-180°线上方，闭环才稳定。
相位裕度
自控系统设计时常取
对于最小相位系统，开环Bode 图上ωg 处，L(ω)应在0dB 线下方，闭环才稳定。
幅值裕度20lgkg
)
(180)180()(c c ωφ+=--ωφ=γ
60~30=γ
根据校正装置在系统中的位置，校正可分为串联校正、反馈校正（并联校正）、复合校正。
串联校正分为相位超前校正、相位滞后校正、相位超前滞后校正。
一、判断题（共20道，每题2分） 1 题干 频率特性是线性系统在单位阶跃函数作用下的输出响应。 选择一项： 对 错? 2 题干 二阶振荡环节低频渐近线为0分贝线，高频渐近线为斜率为20dB/dec的直线。选择一项： 对 错? 3 题干 一阶惯性环节的转折频率为1/T。 选择一项： 对? 错 4 题干 积分环节的对数相频特性为+90°的直线。 选择一项： 对 错? 5 题干 对数幅频特性的渐近线与精确曲线相比，最大误差发生在转折频率处。 选择一项： 对? 错
6 题干 传递函数的极点和零点均在s平面左半平面的系统为最小相位系统。 选择一项： 对? 错 7 题干 控制系统的稳定性和系统自身的结构和参数及外输入有关。 选择一项： 对 错? 8 题干 最小相位系统的对数幅频特性和对数相频特性是一一对应的。 选择一项： 对? 错 9 题干 比例环节的幅相特性是平面实轴上的一个点。 选择一项： 对? 错 10 题干 （，和填空题60互斥）比例环节稳态正弦响应的振幅是输入信号的K倍，且响应与输入同相位。选择一项： 对? 错 11 题干 积分环节的幅值与ω成正比，相角恒为90°。
选择一项： 对 错? 12 题干 二阶振荡环节的对数幅频特性的低频段渐近线是一条-20dB/dec的直线，高频段渐近线是一条斜率为-40dB/dec的直线。选择一项： 对 错? 13 题干 系统对数幅频特性的高频段具有较大的斜率，可增强系统的抗高频干扰能力。 选择一项： 对? 错 14 题干 时滞环节不影响系统的幅频特性，但会影响系统的相频特性。 选择一项： 对? 错 15 题干 二阶振荡环节的输出信号相位始终是滞后输入，滞后的极限为90°。 选择一项： 对 错? 16 题干 （与单选第22小题互斥，）PI校正是相位超前校正。 选择一项： 对
一、填空题 1．控制系统正常工作的首要条件是__稳定性_。 2．脉冲响应函数是t e t g 532)(--=，系统的传递函数为___ ____ 。 3．响应曲线达到过调量的____最大值____所需的时间，称为峰值时间t p 。 4．对于一阶系统的阶跃响应，其主要动态性能指标是___T _____，T 越大，快速性越___差____。 5．惯性环节的奈氏图是一个什么形状______半圆弧 。 二、选择题 1．热处理加热炉的炉温控制系统属于：A A.恒值控制系统 B.程序控制系统 C.随动控制系统 D.以上都不是 2．适合应用传递函数描述的系统是（ C ）。 A 、单输入，单输出的定常系统； B 、单输入，单输出的线性时变系统； C 、单输入，单输出的线性定常系统； D 、非线性系统。 3．脉冲响应函数是t e t g 532)(--=，系统的传递函数为： A A.)5(32+-s s B.) 5(32-+s s C.)5(32+- s D. )5(32++s s 4．实轴上两个开环极点之间如果存在根轨迹，那么必然存在( C ) A ．闭环零点 B ．开环零点 C ．分离点 D ．虚根 5. 在高阶系统中，动态响应起主导作用的闭环极点为主导极点，与其它非主导极点相比，主导极点与虚轴的距离比起非主导极点距离虚轴的距离（实部长度） 要（ A ） A 、小 B 、大 C 、相等 D 、不确定 6．一阶系统的动态性能指标主要是（ C ） A. 调节时间 B. 超调量 C. 上升时间 D. 峰值时间
7 . 控制系统的型别按系统开环传递函数中的（ B ）个数对系统进行分类。 A ．惯性环节 B ． 积分环节 C ． 比例环节 D ．微分环节 8．对于I 型系统，（A ）输入信号稳态误差为零。 A 、单位阶跃 B 、加速度函数 (C) 正弦函数 (D) 单位斜坡 9．在开环零、极点分布已知的情况下，可绘制（ C ）随系统参数变化（如放大系数）而在s 平面上移动的轨迹（根轨迹）。 A.开环极点 B. 开环零点 C.闭环极点 D. 闭环零点 10．开环传递函数为) 35.0()25.0)(15.0()(+++=s s s s k s G ，其根轨迹的起点为 C A ．0，-3 B ．-1，-2 C ．0，-6 D ．-2，-4 11．当∞→ω时比例微分环节的相位是：A A. 90 B. 90- C. 45 D. 45- 三、简答题 1．自动控制的定义是？ 再没有人直接参与的情况下，使被控对象的某些物理量准确的按照预期规律变化 2．闭环主导极点的定义？ 离虚轴近，又不构成偶极子的极点和零点起作用，决定顺态响应性能。 3. 线性系统稳定的充要条件是？ 系统特征方程式的根全部具有负实部 4. 频率特性的定义？ 用幅值和相位来描述一个点在极坐标内随 从0变到 时的轨迹，来分析系统的性能的方法 四、分析计算题 1．（10分）已知系统结构如图1所示，化简结构图求传递函数) ()(s R s C
《自动控制工程基础》 一、单项选择题： 1． 线性系统和非线性系统的根本区别在于 ( C ) A ．线性系统有外加输入，非线性系统无外加输入。 B ．线性系统无外加输入，非线性系统有外加输入。 C ．线性系统满足迭加原理，非线性系统不满足迭加原理。 D ．线性系统不满足迭加原理，非线性系统满足迭加原理。 2．令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的 ( B ) A ．代数方程 B ．特征方程 C ．差分方程 D ．状态方程 3． 时域分析法研究自动控制系统时最常用的典型输入信号是 （ D ） A ．脉冲函数 B ．斜坡函数 C ．抛物线函数 D ．阶跃函数 4．设控制系统的开环传递函数为G(s)= ) 2s )(1s (s 10 ++，该系统为 （ B ） A ．0型系统 B ．I 型系统 C ．II 型系统 D ．III 型系统 5．二阶振荡环节的相频特性)(ωθ，当∞→ω时，其相位移)(∞θ为 ( B ) A ．-270° B ．-° C ．-90° D ．0° 6. 根据输入量变化的规律分类，控制系统可分为 ( A ) A.恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统
B.反馈控制系统、前馈控制系统前馈—反馈复合控制系统 C.最优控制系统和模糊控制系统 D.连续控制系统和离散控制系统 7．采用负反馈连接时，如前向通道的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则其等效传递函数为 ( C ) A ．)s (G 1) s (G + B ．)s (H )s (G 11 + C ． ) s (H )s (G 1) s (G + D ． ) s (H )s (G 1) s (G - 8． 一阶系统G(s)= 1 +Ts K 的时间常数T 越大，则系统的输出响应达到稳态值的时间 ( A ) A ．越长 B ．越短 C ．不变 D ．不定 9．拉氏变换将时间函数变换成 （ D ） A ．正弦函数 B ．单位阶跃函数 C ．单位脉冲函数 D ．复变函数 10．线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下 （ D ） A ．系统输出信号与输入信号之比 B ．系统输入信号与输出信号之比 C ．系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比 D ．系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 11．若某系统的传递函数为G(s)= 1 Ts K +，则其频率特性的实部R(ω)是 （ A ） A ． 2 2 T 1K ω+ B ．-2 2T 1K ω+
《机电控制工程基础》第一章形成性考核册作业习题答案 一、简答1．什么是 自动控制？ 就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使生产过程或被控对象的某一物理量(输出量)准确地按照给定的规律(输入量)运行或变化。 2．控制系统的基本要求有哪些？控制系统的基本要求可 归结为稳定性；准确性和快速性。 3．什么是自动控制系统？指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控制对象组 成 4．反馈控制系统是指什么反馈？ 反馈控制系统是指负反馈。 5．什么是反馈？什么是正反馈？什么是负反馈？反馈信号(或称反馈)：从系统(或元件)输出端取出信号，经过变换后加到系统(或 元件)输入端，这就是反馈信号。当它与输入信号符号相同，即反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫正反馈。反之，符号相反抵消输入信号作用时叫负反馈。 6．什么叫做反馈控制系统系统输出全部或部分地返回到输入端，此类系统称为反馈控制 系统（或闭环控制系统）。 7．控制系统按其结构可分为哪 3 类？控制系统按其结构可分为开环控制 系统、闭环控制系统和复合控制系统。 8．举例说明什么是随动系统。这种系统的控制作用是时间的未知函数，即给定量的变化 规律是事先不能确定的，而输出量能够准确、迅速的复现给定量(即输入量)的变化，这样的系统称之为随动系统。随动系统 应用极广，如雷达自动跟踪系统，火炮自动瞄准系统，各种电信号笔记录仪等等。 9．自动控制技术具有什么优点？ ⑴极大地提高了劳动生产率；⑵提高了产品的质量；⑶减轻了人们的劳动强度，使人们从繁重的劳动中解放出来，去从事更有效的劳动；⑷由于近代科学技术的发展，许多生产过程依靠人们的脑力和体力直接操作是难以实现的，还有许多生产过程则因人的生理所限而不能由人工操作，如原子能生产，深水作业以及火箭或导弹的制导等等。在这种情况下，自动控制更加显示出其巨大的作用 10．对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某一给定值时，输出量的暂态过程可能有几种情况？ 单调过程衰减振荡过程持续振荡过程发散振荡过程
* ********* 学 院 20**至20**学年度第*学期 ---班 控制工程基础 试 卷 一、判断题 (10分) 1、系统的误差是以系统的输入端为基准来定义的，而系统的偏差是以系统的输出端为基准来定义的。 （ ） 2、系统的时间响应按振动性质分为自由响应和零 输入响应。 ( ) 3、最大超调量Mp 即与阻尼比有关，又与无阻尼 固有频率有关。 ( ) 4、对于单位反馈系统，稳态偏差等于稳态误差。 ( ) 5、谐振带越宽，反应速度越快。 ( ) 一、填空题（10分） 1、对控制系统的基本要求有：___________，___________，____________。 2、凡是能用____________描述的系统就是线性系统，线性系统的一个最重要特性就是它满足_____________。 3、一阶系统在理想的单位脉冲函数在作用下，其响应函数为_____________ 4、系统的误差是由___________和____________两部分组成的。 5、最大超调量和振荡次数反应了系统的____________________。 6、系统稳定的充要条件是 __________________________________。 三、简答题（15分） 1什么是时间响应？时间响应由哪两部分组成？？ 2什么是频率特性？ 3什么是相位裕度？什么幅值裕度？ 四、计算题（计65分） 1已知系统的动力学方程式如下（10分） ()t y ..+3()()()()t r dt t y t y t y 446. =++? 求出它的传递函数Y(s)/R(s)。 2求出图1所示系统的传递函数X o （s ）/ X i （s ）。 (10分) 3由试图所示()t f 施加一个3N 的阶跃力，求出质 量m ，阻尼系数c ，弹簧进度系数k 。(15分) 4已知系统的特征方程 ()10532234++++=s s s s s B =0，判断系统的 稳定性。（15分） 5、已知开环频率特性 10 ()()(1)(12)(13) G j H j j j j ωωωωω= +++， 分析系统的稳定性。(15分) 参考答案 一、填空题（10分） 1、系统的稳定性，响应的快速性，响应的准确 性。 2、线性微分方程 3、()T t e T t -=1ω 4、瞬态误差和稳定误差 5、稳定性。 6、系统的全部特征根都有负实部 。 二、判断题（10分） 1、（×）2（×）3、 (√) 4、 (√)5、 (√) 三、简答题(15分) 1 答：时间响应是指系统的响应在时域上的表现形式，或系统地动力学方程在一定初始条件下的解。 按响应的来源分为：零输入响应，零状态响应。 按响应的性质分为：强迫响应，自由响应。 2、线性系统在谐波输入作用下，其稳态输入与输出的幅值比是输入信号的频率ω的函数，称其为系统的幅频特性 稳态输出信号与输入信号的相位差 ()?ω（或称相移）也是ω的函数，称 其为系统的相频特性 试 卷 纸 出卷：_ ***_ 试卷：__ ___ 审批：_____ 人数:______卷
北航《机电控制工程基础》在线作业二 一、单选题（共 20 道试题，共 40 分。） 1. 人为地给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当地数学模型逼近的方法又称为（）。 A. 最优控制 B. 系统辨识 C. 系统分析 D. 自适应控制 -----------------选择：B 2. 二阶系统的传递函数G(s)=5/(s2+2s+5)，则该系统是（）。 A. 临界阻尼系统 B. 欠阻尼系统 C. 过阻尼系统 D. 零阻尼系统 -----------------选择：B 3. 若已知某串联校正装置的传递函数为G(s)=(s+1)/(10s+1)，则它是（）装置。 A. 反馈校正 B. 相位超前校正 C. 相位滞后-超前校正 D. 相位滞后校正 -----------------选择：D 4. 若系统的闭环传递函数为φ(s)=1000/(s2+34.5s+1000)，则峰值时间为（）。 A. 0.2 B. 0.25 C. 0.12 D. 0.5 -----------------选择：C 5. 就连续系统和离散系统的分析工具而言，以下说法正确的是（）。 A. 二者均以拉氏变换为分析工具 B. 连续系统以拉氏变换为分析工具，离散系统以z变换为分析工具 C. 连续系统以z变换为分析工具，离散系统以拉氏变换为分析工具 D. 二者均以z变换为分析工具 -----------------选择：B 6. 由系统结构、输入外作用形式和类型所产生的稳态误差称为（）。 A. 结构性稳态误差 B. 附加稳态误差 C. 原理性稳态误差 D. 以上均不正确 -----------------选择：C
1试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点。 答：优点：开环控制系统无反馈回路，结构简单，成本较低。 缺点：控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补偿。 2 说明负反馈的工作原理及其在自动控制系统中的应用。 答：测量元件检测被控物理量，并将其反馈回来，通过给比较元件与给定信号进行比较，产生偏差信号。再通过放大元件将偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象，从而调节和控制系统，使被控量以一定的精度符合或等于期望值。 3 控制系统有哪些基本组成元件？这些元件的功能是什么？ 答：反馈控制系统是由各种结构不同的元件组成的。一个系统必然包含被控对象和控制装置两大部分，而控制装置是由具有一定职能的各种基本元件组成的。在不同系统中，结构完全不同的元件却可以具有相同的职能，因此，将组成系统的职能元件按职能分类主要有以下几给定元件：用于给出输入信号的环节以确定被控对象的目标值（或称给定值）。 测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。 比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：用于直接驱动被控对象，使被控量发生变化。 校正元件：亦称补偿元件，它是在系统基本结构基础上附加的元部件，参数可灵活调整，以改善系统的性能。 5对自动控制系统基本的性能要求是什么？最首要的要求是什么？ 答：基本性能要求：稳、快、准。最首要的要求是稳。 1什么是时间响应？时间响应由哪两部分组成？各部分的定义是什么？ 答：系统在外加作用(输入) 激励下，其输出量随时间变化的函数关系称之为系统的时间响应，通过对时间响应的分析可揭示系统本身的动态特性。 任一系统的时间响应都是由瞬态响应和稳态响应两部分组成。 瞬态响应：系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终状态的响应过程称为瞬态响应。稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态称为稳态响应。 瞬态响应反映了系统动态性能，而稳态响应偏离系统希望值的程度可用来衡量系统的精确程度。 2 统稳定性的定义是什么？ 答：一个控制系统在实际应用中，当受到扰动作用时，就要偏离原来的平衡状态，产生初始偏差。所谓控制系统的稳定性，就是指当扰动消失之后，系统从初始偏差恢复到原平衡状态3 一个系统稳定的充分和必要条件是什么？ 答：系统特征方程的全部根都具有实部。或者说，闭环传递函数的全部极点均在s 平面的左半部。 4 什么是系统的频率特性？ 答：当不断改变输入的正弦波频率（由0 变化到无穷大）时，该幅值比和相位差随频率的变化情况称为系统的频率特性
《控制工程基础》习题集 机电系“控制工程基础”教研小组编 二OO五年十一月
目录 ●第一部分：单选题 (1) ●第二部分：多选题 （多选、少选、错选均不得分） (13) ●第三部分：简答题 (24) ●第四部分：建模题 (27) ●第五部分：稳定性分析题 (36) ●第六部分：结构图简化题 (37) ●第七部分：时域分析题 (41) ●第八部分：频域分析题 (44) ●第九部分：稳态分析题 (47) ●第十部分：校正分析题 (50)
第一部分：单选题 1.自动控制系统的反馈环节中必须具有[ b ] a.给定元件 b ．检测元件 c ．放大元件 d ．执行元件 2. 在直流电动机的电枢回路中，以电流为输入，电压为输出，两者之间的传递函数是[ a ] a ．比例环节 b ．积分环节 c ．惯性环节 d ．微分环节 3. 如果系统不稳定，则系统 [ a ] a.不能工作 b ．可以工作，但稳态误差很大 c ．可以工作，但过渡过程时间很长 d ．可以正常工作 4. 在转速、电流双闭环调速系统中，速度调节器通常采用[ B ]调节器。 a ．比例 b ．比例积分 c ．比例微分 d ．比例积分微分 5.单位阶跃函数1(t)的拉氏变换式L[1(t)]为[ B ]： a ．S b. S 1 c. 21S d. S 2 6. 在直流电动机的电枢回路中，以电流为输出，电压为输入，两者之间的传递函数是[ A ] A ．比例环节 B ．积分环节 C ．惯性环节 D ．微分环节 7．如果系统不稳定，则系统 [ A ]
A. 不能工作 B．可以工作，但稳态误差很大 C．可以工作，但过渡过程时间很长 D．可以正常工作 8. 已知串联校正网络(最小相位环节)的渐近对数幅频特性如下图所示。试判断该环节的相位特性是[ A ]： A．相位超前B．相位滞后 [ B ]调节器。 A．比例 B．比例积分 C．比例微分 D．比例积分微分 10. 已知某环节的幅相频率特性曲线如下图所示，试判定它是何种环 A．相位超前 B. 相位滞后 C. 相位滞后－超前 D. 相位超前－滞后
清华大学本科生考试试题专用纸 考试课程控制工程基础（A卷） 2006 年 6月 14日1. 设有一个系统如图1所示，k1=1000N/m, k2=2000N/m, D=10N/(m/s)，当系统受到输入信号的作用时，试求系统的稳态输出。(15分) 图1 2. 设一单位反馈系统的开环传递函数为 现有三种串联校正装置，均为最小相位的，它们的对数幅频特性渐近线如图2所示。 若要使系统的稳态误差不变，而减小超调量，加快系统的动态响应速度，应选取哪种校正装置？系统的相角裕量约增加多少？(10分)
(a) (b) (c) 图2 3. 对任意二阶环节进行校正，如图3，如果使用PD控制器，K P, K D均为实数，是否可以实现闭环极点的任意配置？试证明之。(15分) 图3 4. 一个未知传递函数的被控系统，先未经校正，构成单位反馈闭环。经过测试，得知闭环系统的单位阶跃响应如图4所示。 是多少？(5分) 问：(1) 系统的开环低频增益K (2) 如果用主导极点的概念用低阶系统近似该系统，试写出其近似闭环传递函数；(5分) （3）如果采用PI形式的串联校正，K 在什么范围内时，对原 I 开环系统相位裕量的改变约在之间？(5分)
图4 5．已知计算机控制系统如图所示，采用数字比例控制，其中K>0。设采样周期T=1s 图5 （1）试求系统的闭环脉冲传递函数； (5分) （2）试判断系统稳定的K值范围； (5分) （3）当系统干扰时，试求系统由干扰引起的稳态误差。 (5分) 6．针对本学期直流电动机位置伺服系统教学实验，基本原理图见图6，其中，电枢控制式直流电动机电枢电阻为1.7Ω，电感为3.7mH，反电势系数Ce为0.2 13V/(rad/s)，力矩系数Cm为0.213Nm/A，等效到电动机轴上的总转动惯量为3 =470KΩ，α=0.9，速度调节器传递函数为6，电流调节器传递 92×10-6Nms2，设R 2
一、填空题(部分可能模糊的已给出参考答案)： 1. 对时域函数进行拉氏变换：)(1t = 、t = 、at e -= 、 sin t ω= 。 2. 自动控制系统对输入信号的响应，一般都包含两个分量，即一个是瞬态响应分量，另 一个是 稳态 _响应分量。 3. 在闭环控制系统中，通过检测元件将输出量转变成与给定信号进行比较的信号，这个 信号称为_____反馈___。 4. 若前向通道的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则闭环传递函数为___ __ 5. 函数f(t)=t e 63-的拉氏变换式是 。 6. Bode 图中对数相频特性图上的－180°线对应于奈奎斯特图中的__负实轴_________。 7. 闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点均位于s 平面的 右半平面 半平面。 8. 已知传递函数为2()k G s s =，则其对数幅频特性L （?）在零分贝点处的频率数值为 ω= 9. 在系统开环对数频率特性曲线上，低频段部分主要由 积分 环节和 比例 决 定。 10. 惯性环节的传递函数1 1+Ts ，它的幅频特性的数学式是 ,它的相频特性的数学式是 ωT arctan - 。 11. 传递函数的定义是对于线性定常系统,在 初始条件为零 的条件下，系统输出量的拉 氏变换与 输入量的拉氏变换 之比。 12. 瞬态响应是系统受到外加作用激励后，从 初始 状态到 最终或稳定 状态的响应过程。 13. 判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为 负实根或负实部的复数根 ， 即系统的特征根必须全部在 复平面的左半平面 是系统稳定的充要条件。 14. I 型系统G s K s s ()() =+2在单位阶跃输入下，稳态误差为 0 ，在单位加速度输入下，稳态误差为 ∞ 。(参考教材P89) 15. 频率响应是系统对 正弦输入 稳态响应，频率特性包括 幅频和相频 两种特性。 16. 如果系统受扰动后偏离了原工作状态，扰动消失后，系统能自动恢复到原来的工作状 态，这样的系统是 (渐进)稳定的 系统。 17. 传递函数的组成与输入、输出信号无关，仅仅决定于 系统本身的结构和参数 ，并 且只适于零初始条件下的 线性定常 系统。 18. 系统的稳态误差与输入信号的形式及 系统的结构和参数或系统的开环传递函数 有 关。
机电控制工程基础第4次作业 第6章 一、判断 1．PI 校正为相位滞后校正。 2．系统如图所示，)(s G c 为一个并联校正装置，实现起来比较简单。 3．系统校正的方法，按校正装置在系统中的位置和连接形式区分，有串联校正、并联(反馈)校正和前馈（前置）校正三种。 4．按校正装置G c (s)的物理性质区分，又有相位超前(微分)校正，相位滞后(积分)校正，和相位滞后—超前(积分-微分)校正。 5．相位超前校正装置的传递函数为Ts aTs s G c ++= 11)(，系数a 大于1。 6．假设下图中输入信号源的输出阻抗为零，输出端负载阻抗为无穷大，则此网络一定是一个无源滞后校正网络。 7．下图中网络是一个无源滞后校正网络。 8．下图所示为一个系统的开环对数幅频特性，该系统是稳定的。
0.010.10.510 20 -60 -0 L () L ωd B ?020 γ=-90 -180 -ω ω 6040 20 1 20 -40 -1 .2) (ω? 9．利用相位超前校正，可以增加系统的频宽，提高系统的快速性，但使稳定裕量变小。 10．滞后－超前校正环节的传递函数的一般形式为：) 1)(1() 1)(1()(2121s T s T s aT s bT s G c ++++=，式 中a >1，b <1且b T 1>a T 2。 二、已知某单位反馈系统开环传递函数为) 12(10 )(0+= s s s G ,校正环节为 ) 12.0)(1100() 12)(110()(++++= s s s s s G c 绘制其校正前和校正后的对数幅频特性曲线以及校正环节图 形与校正后的相角裕量?)(=c ωγ 三、什么是PI 校正？其结构和传递函数是怎样的？ 四、某单位负反馈系统的结构图如图所示。 要求校正后系统在r(t)=t 作用下的稳态误差e ss ≤0.01，相位裕量γ≥45о ，试确定校正装置的传递函数
《控制工程基础》课程考核知识点： 第1章绪论 考核知识点： （一）机械工程控制的基本含义 1.控制论与机械工程控制的关系； 2.机械工程控制的研究对象。 （二）系统中信息、信息传递、反馈及反馈控制的概念 1.系统信息的传递、反馈及反馈控制的概念； 2.系统的含义及控制系统的分类。 第2章控制系统的数学模型 考核点： （一）数学模型的概念 1.数学模型的含义； 2.线性系统含义及其最重要的特征——可以运用叠加原理； 3.线性定常系统和线性时变系统的定义； 4.非线性系统的定义及其线性化方法。 （二）系统微分方程的建立 1.对于机械系统，运用达朗贝尔原理建立运动微分方程式； 2对于电气系统运用克希霍夫电流定律和克希霍夫电压定律，建立微分方程式； 3.简单液压系统微分方程式的建立。 （三）传递函数 1.传递函数的定义； 2.传递函数的主要特点： （1）传递函数反映系统本身的动态特性，只与本身参数和结构有关，与输入无关； （2）对于物理可实现系统，传递函数分母中S的阶数必不少于分子中S的阶次； （3）传递函数不说明系统的物理结构，不同的物理系统只要它们的动态特性相同，其传递函数相同； 3.传递函数零点和极点的概念。 （四）方块图及系统的构成 1.方块图的表示方法及其构成； 2.系统的构成 （1）串联环节的构成及计算； （2）并联环节的构成及计算； （3）反馈环节的构成及计算； 3.方块图的简化法则
（1）前向通道的传递函数保持不变； （2）各反馈回路的传递函数保持不变； 4.画系统方块图及求传递函数步骤。 （五）机、电系统的传递函数 1.各种典型机械网络传递函数的计算及表示方法； 2.各种典型电网络及电气系统传递函数的计算及表示方法； 3.加速度计传递函数计算； 4.直流伺服电机驱动进给系统传递函数计算。 . 第3章控制系统的时域分析 考核知识点： （一）时间响应 1.时间响应的概念； 2.瞬态响应和稳态响应的定义。 （二）脉冲响应函数 1.脉冲响应函数的定义； 2.脉冲响应函数与传递函数的关系； 3.如何利用脉冲响应函数求系统在任意输入下的响应。 （三）一阶系统的时间响应 1.一阶系统的传递函数及其增益和时间常数的计算； 2.一阶系统的单位脉冲响应函数计算； 3.一阶系统的单位阶跃响应函数计算； 4.一阶系统的单位斜坡响应函数计算。 （四）二阶系统的时间响应 1.二阶系统的传递函数及其无阻尼自然频率、阻尼自然频率和阻尼比的计算； 2.二阶系统特征方程及临界阻尼系数的含义； 3.二阶系统特征方程根的分布； 4.欠阻尼下的单位阶跃响应； 5.临界阻尼下的单位阶跃响应； 6.过阻尼下的单位阶跃响应； 7.阻尼比、无阻尼自然频率与响应位曲线的关系； 8.不同阻尼比下的单位脉冲响应。 （五）三阶和高阶系统的时间响应 主导极点的概念及其对响应的关系。 （六）瞬态响应的性能指标 1.瞬态响应的性能指标定义； 2.二阶系统的瞬态响应指标的计算； 3.二阶系统的阻尼比、无阻尼自然频率与各性能指标间的关系。 稳定性： （七）控制系统的稳定性 1.稳定性的概念； 2.判别系统稳定性的基本准则，即系统稳定性的必要和充分条件；
国家开放大学电大《机电控制工程基础》网络课形考网考作业及答案 100%通过 考试说明：2020年秋期电大把该网络课纳入到“国开平台”进行考核，该课程共有4个形考任务，针对该门课程，本人汇总了该科所有的题，形成一个完整的标准题库，并且以后会不断更新，对考生的复习、作业和考试起着非常重要的作用，会给您节省大量的时间。做考题时，利用本文档中的查找工具，把考题中的关键字输到查找工具的查找内容框内，就可迅速查找到该题答案。本文库还有其他网核及教学考一体化答案，敬请查看。 课程总成绩 = 形成性考核×50% + 终结性考试×50% 形考任务1 一、判断题（共20道，每道2分） 题目1 自动控制就是在人直接参与的情况下，利用控制装置使生产过程的输出量按照给定的规律运行或变化。 选择一项： 对 错 题目2 反馈控制系统通常是指正反馈。 选择一项： 对 错 题目3 所谓反馈控制系统就是的系统的输出必须全部返回到输入端。 选择一项： 对 错 题目4 给定量的变化规律是事先不能确定的，而输出量能够准确、迅速的复现给定量，这样的系统称之为随动系统。 选择一项： 对 错 题目5 自动控制技不能提高劳动生产率。 选择一项： 对 错 题目6
对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加时，输出量的暂态过程一定是衰减振荡。 选择一项： 对 错 题目7 对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某一给定值时，输出量的暂态过程可能出现单调过程。选择一项： 对 错 题目8 被控制对象是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。 选择一项： 对 错 题目9 任何物理系统的特性，精确地说都是非线性的，但在误差允许范围内，可以将非线性特性线性化。 选择一项： 对 错 题目10 自动控制中的基本的控制方式有开环控制、闭环控制和复合控制。 选择一项： 对 错 题目11 一个动态环节的传递函数为1/s，则该环节为一个微分环节。 选择一项： 对 错 题目12 控制系统的数学模型不仅和系统自身的结构参数有关，还和外输入有关。 选择一项： 对
一、填空题（每题3分，共18分） 1. 某环节的传递函数为()1+=Ts s G ，该环节是（ ）。 A. 积分环节 B. 微分环节 C. 一阶积分环节 D. 一阶微分环节 2. 对于二阶系统的超调量p M ，以下说法正确的是（ ）。 A. 只与阻尼比ξ有关 B. 只与自然频率n ω有关 C. 与阻尼比ξ无关 D. 与阻尼比ξ和自然频率n ω都有关 3. 对数幅频特性的渐近线如图所示，它对应的传递函数为（ ）。 A. s B. 11+s C. s 1 D. 1+s 4. 一阶系统的传递函数为5415+s ，则系统的增益K 和时间常数T 依次为（ ）。 A. 3.75，1.25 B. 3，0.8 C. 0.8，3 D. 1.25，3.75 5. 图示奈氏图对应的环节为（ ）。 A. 1+s B. 11+s C. s D. s 1 6. 设系统的特征方程为()0223=++=s s s D ，则该系统（ ）。 A. 稳定 B. 临界稳定 C. 不稳定 D. 稳定性不确定 二、计算 1． 已知2321)(t t t f ++=，求f(t)的拉氏变换F(s) 。(6分)
2． 已知) 2)(1(1)(++=s s s F ，求原函数f (t )。（6分） 三、化简下面的方块图，求传递函数。（10分） 四、系统的信号流图如下图所示，求系统的传递函数。（12分） 五、证明图（a ）所示的电路系统和图（b ）所示的力学系统是相似系统。 （即具有相同形式的数学模型） （10分） （a ） （b ） 六、单位反馈控制系统的开环传递函数为()() 39+= s s s G ，试求： （1）系统的闭环传递函数； （2）系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω；
控制工程基础》习题集 机电系“控制工程基础”教研小组编 二00五年-一月 ?第一部分：单选题 (1) ? 第二部分：多选题 （多选、少选、错选均不得分） (13) ?第三部分：简答题 (24) ?第四部分：建模题 (27) ?第五部分：稳定性分析题 (36) ?第六部分：结构图简化题 (37)
?第七部分：时域分析题 (41) ?第八部分：频域分析题 (44) ?第九部分：稳态分析题 (47) ?第十部分：校正分析题 (50) 第一部分：单选题 1. 自动控制系统的反馈环节中必须具有[b ] a.给定元件 b .检测元件 c .放大元件 d .执行元件 2. 在直流电动机的电枢回路中，以电流为输入，电压为输出，两者之 间的传递函数是[a ] a .比例环节b.积分环节 c .惯性环节 d .微分环节 3. 如果系统不稳定，则系统[a ] a.不能工作 b .可以工作，但稳态误差很大 c .可以工作，但过渡过程时间很长 d .可以正常工作 4. 在转速、电流双闭环调速系统中，速度调节器通常采用[B ] 调节器。 a .比例b.比例积分 c .比例微分d.比例积分微分 5.单位阶跃函数1(t)的拉氏变换式L[1(t)]为[B ] a. S b.1 c. 2 d. S 2 S S2 6. 在直流电动机的电枢回路中，以电流为输出，电压为输入，两者之间
的传递函数是[A ] A .比例环节 B .积分环节 C .惯性环节D.微分环节 7. 如果系统不稳定，则系统[A ] C .可以工作，但过渡过程时间很长 D .可以正常工作 8. 已知串联校正网络（最小相位环节）的渐近对数幅频特性如下图所示。试判断该环节的相位特性是[A ]: A. 相位超前 B.相位滞后 C.相位滞后-超前 D.相位超前-滞后 I" OdB/dec -Zin +20dB/dec 丨 ? ■'H H = |i ------------------- 1---- - ---------- 1 -------------------- ■ I I / ■ 0dB/dec 9. 在转速、电流双闭环调速系统中，速度调节器通常采用[B ] 调节器。 A .比例 B .比例积分 C .比例微分 D .比例积分微分 10. 已知某环节的幅相频率特性曲线如下图所示，试判定它是何种环节[惯性环节]:
◎闭环控制系统主要由给定环节、比较环节、运算放大环节、执行环节、被控对象、检测环节（反馈环节）组成 ◎开环控制反馈及其类型：内反馈、外反馈、正反馈、负反馈。 ◎1、从数学角度来看，拉氏变换方法是求解常系数线性微分方程的工具。可以分别将“微分”与“积分”运算转换成“乘法”和“除法”运算，即把微分、积分方程转换为代数方程。对于指数函数、超越函数以及某些非周期性的具有不连续点的函数，用古典方法求解比较烦琐，经拉氏变换可转换为简单的初等函数，就很简便。 2、当求解控制系统输入输出微分方程时，求解的过程得到简化，可以同时获得控制系统的瞬态分量和稳态分量。 3、拉氏变换可把时域中的两个函数的卷积运算转换为复频域中两函数的乘法运算。在此基础上，建立了控制系统传递函数的概念，这一重要概念的应用为研究控制系统的传输问题提供了许多方便。 ◎描述系统的输入输出变量以及系统内部各变量之间的数学表达式 称为系统的数学模型，各变量间的关系通常用微分方程等数学表达式来描述。 ◎建立控制系统数学模型的方法主要有分析法（解析法）、实验法 ◎建立微分方程的基本步骤：1、确定系统或各元件的输入输出，找出各物理量之间的关系 2、按照信号在系统中的传递顺序，从系统输入端开始列出动态微分方程 3、按照系统的工作条件，忽略次要元素，对微分方程进行简化 4、消除中间变量 5整理微分方程，降幂排序，标准化。 ◎传递函数具有以下特点：1、传递函数分母的阶次与各项系数只取决于系统本身的固有特性，而与外界输入无关。 2、当系统在初始状态为0时，对于给定的输入，系统输出的拉氏逆变换完全取决于系统的传递函数。 x0(t)=L^-1[X0(s)]=L^-1[G(s)Xi(s)] 3、传递函数分母中s 的阶次n 不小于分子中s 的阶次m ，即n ≥m 。这是由于实际系统或元件总是具有惯性的 ◎方框图的结构要素：1、传递函数方框。2、相加点。3、分支点。 ◎时间响应及其组成：瞬态响应：系统在某一输入信号作用下，其输出量从初始状态到稳定状态的响应过程，也称动态响应，反映了控制系统的稳定性和快速性。 稳态响应：当某一信号输入时，系统在时间t 趋于无穷时的输出状态，也称静态响应，反映了系统的准确性。 ◎二阶系统的微分方程和传递函数： ◎系统稳态误差0lim (s)H(s)p s K G →=0 lim (s)H(s)v s K sG →=2 0lim (s)H(s)a s K s G →= ◎二阶系统响应的性能指标：1、上升时间r t ，响应曲线从原始工作状态出发，第一次达到稳态值所需要的时间定义为上升时间。对于过阻尼系统，上升时间定义为响应曲线从稳态值得10%上升到90%所需要的时间。2、峰值时间p t ，响应曲线达到第一个峰值所需要 的时间定义为峰值时间。3、最大超调量p M ，超调量是描述系统 相对稳定性的一个动态指标。一般用下式定义系统的最大超调量。 4、调整时间 s t 。5、振荡次数N ，在调整时间s t 内，0(t)x 穿越其稳定值0()x ∞次数的一半定义为振荡次数。（振荡次数与n ω无关，ξ 越大N 越小） ◎由此可见，系续稳定的充分必要条件是：系统特征方程的根全部具有负实部。系统的特征根就是系统闭环传递函数的极点，因此，系统稳定的充分必要条件还可以表述为系统闭环传递函数的极点全部位于［S ］平面的左半平面 线性定常系统对正弦输入的稳态响应被称为频率响应，该响应的频率与输入信号的频率相同，幅值和相位相对于输入信号随频率w 的变化而变化，反映这种变化特性的表达式0()i X X ω和-arctanTw 称系统的频率特性，它与系统传递函数的关系将G(S)中的S 用jw 歹取代，G(jw)即为系统的频率特性。
一、填空题：（每空1分，共20分） 1．对控制系统的基本要求一般可归结为_________稳定性，准确性，快速性____、____________、___________。 2．自动控制系统对输入信号的响应，一般都包含两个分量，即一个是瞬态响应分量，另一个是____________响应分量。 3．在闭环控制系统中，通过检测元件将输出量转变成与给定信号进行比较的信号，这个信号称为_________________。 4．若前向通道的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则闭环传递函数为__________________ 。 5 函数f(t)=t e 63-的拉氏变换式是_________________ 。 6 开环对数频率特性的低频段﹑ 中频段﹑ 高频段分别表征了系统的 稳定性，动态特性，抗干扰能力 ﹑ ﹑ 。 7．Bode 图中对数相频特性图上的－180°线对应于奈奎斯特图中的___________。 8．已知单位反馈系统的开环传递函数为：20 ()(0.51)(0.041) G s s s =++求出系统在单位 阶跃输入时的稳态误差为 。 9．闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点均位于s 平面的______半平面。 10．设单位反馈控制系统的开环传递函数为10 ()1 G s s =+，当系统作用有x i (t ) = 2cos(2t - 45 )输入信号时，求系统的稳态输出为_____________________。 11．已知传递函数为2 ()k G s s = ，则其对数幅频特性L （）在零分贝点处的频率数值为_________ 。 12 在系统开环对数频率特性曲线上，低频段部分主要由 环节和 决定。 13．惯性环节的传递函数 1 1 +Ts ，它的幅频特性的数学式是__________,它的相频特性的数学式是____________________。 14．已知系统的单位阶跃响应为()1t t o x t te e --=+-，则系统的脉冲脉冲响应为 __________。
一、不定项选择题 1. 控制系统的基本要求可归结为 D. 稳定性；准确性和快速性。 2. 反馈控制系统一般是指什么反馈？ B. 负反馈 3. 以下控制系统按结构分类正确的是 A. 开环控制系统、闭环控制系 统和复合控制系统？ 4. 以下不属于随动系统的是 D. 恒温控制系统。 5. 自动控制技术可以实现以下 A. 极大地提高劳动生产率B. 提高产品 的质量C. 减轻人们的劳动强度，使人们从繁重的劳动中解放出来D. 原子能生产，深水作业以及火箭或导弹的制导。 6. 自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使 A. 生产过程 B. 被控对象的某一物理量准确地按照给定的规律运行或变化。 7. 反馈结果有利于加强输入信号的作用时叫 C. 正反馈 8. 系统输出全部或部分地返回到输入端，此类系统是 A. 反馈控制系统 B. 闭环控制系统 9. 自动控制系统一般由 A. 控制装置和被控制对象组成。 10. 对于一般的控制系统，当给定量或扰动量突然增加某一给定值时，输出量 的暂态过程可能出现以下A. 单调过程B. 衰减振荡过程C. 持续振荡过程D. 发散振荡过程 11. 单位斜坡函数的拉氏变换结果是( D. )。 12. 以下属于一阶系统的阶跃响应特点的是 D. 没有超调量？ 13. 阶跃响应从终值的10％上升到终值的90％所需的时间叫 A. 上升时间 14. 劳斯稳定判据能判断什么系统的稳定性？D. 线性定常系统
15. 已知系统闭环传递函数为：则系统的ωn为 C. 2 16. 已知系统闭环传递函数为：则系统的超调σ％为 D. 0.043 17. 二阶系统的临界阻尼比是B. 1 18. 单位阶跃函数的拉普拉斯变换结果是( A. ) 19. 峰值超出终值的百分比叫 B. 超调量 20. 已知系统闭环传递函数为：则系统的ts（5％）是C. 2.1s 21. 在欠阻尼的情况下，二阶系统的单位阶跃响应为 A. 振幅按指数规律衰 减的简谐振荡 22. 阶跃响应到达并保持在终值％误差带内所需的最短时间；有时也用 终值的％误差带来定义叫 D. 调节时间 23. 阶跃响应第一次达到终值的50％所需的时间叫B. 延迟时间 24. 以下为二阶系统阻尼比，其中一定不稳定的是D. ζ≤0 25. 某二阶系统的特征根为两个互不相等的实数，则该系统的单位阶跃响应曲 线有什么特点？A. 单调上升 26. 已知系统闭环传递函数为：则系统的阻尼比ξ为 B. 0.707 27. 阶跃响应越过稳态值达到第一个峰值所需的时间叫C. 峰值时间 28. 时间t满足什么条件时（系统的时间常数为T），一阶系统的阶跃响应值与 稳态值之间的当误差为5%～2%。 A. 3T< t<4T