自動控制原理復(fù)習(xí)資料

1、自動控制原理復(fù)習(xí)提綱（電氣工程和自動化11級）第1章基本概念1. 什么是自動控制？控制器？被控對象？自動控制系統(tǒng)？答：自動控制：在沒有人的直接參與的情況下，利用控制裝置使某種設(shè)備、工 作機(jī)械或生產(chǎn)過程的某些物理量或工作狀態(tài)能自動地按照預(yù)定 的規(guī)律或數(shù)值運(yùn)行或變化?？刂破鳎和ǔ０芽刂频难b置稱為控制器。被控對象：被控制的設(shè)備或工作機(jī)械。自動控制系統(tǒng)：控制器和被控對象的總體。2什么是開環(huán)、閉環(huán)、復(fù)合控制？答：開環(huán)控制：指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間不存在反饋回路，或者說系統(tǒng)的輸 出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何作用的控制過程。閉環(huán)控制：指系統(tǒng)輸出端與輸入端之間存在反饋回路，或者說系統(tǒng)輸出量 直接或間接地參與了系

2、統(tǒng)的控制。復(fù)合控制：指開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式，它是在閉環(huán)控制基 礎(chǔ)上再引入一條給定輸入信號或擾動作用所構(gòu)成的順饋通路。3閉環(huán)控制是按什么原理，按什么進(jìn)行控制的？答：閉環(huán)控制實(shí)際上是根據(jù)負(fù)反饋原理，按偏差量進(jìn)行控制的。4. 對控制系統(tǒng)的基本要求是什么？答：（1）穩(wěn)定性；（2）動態(tài)特性（快速）；（3）穩(wěn)態(tài)特性（準(zhǔn)確）5. 控制系統(tǒng)的分類。答：一，按使用的數(shù)學(xué)模型分：（1）線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；（2）連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)；二，按給定輸入信號特征分：（1）恒值系統(tǒng)；（2）隨動系統(tǒng)；（3）程序控制 系統(tǒng)第2章數(shù)學(xué)模型1列寫簡單電路的微分方程。例 2-1,例2-4。2. 什么是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？有

3、什么特點(diǎn)？答：在初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換（象函數(shù)）之比，稱為系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)。特點(diǎn)：（1）傳遞函數(shù)是一種數(shù)學(xué)模型，與系統(tǒng)的微分方程相對應(yīng)。（2）是系統(tǒng)本身的一種屬性，與輸入量的大小和性質(zhì)無關(guān)。（3）只適用于線性定常系統(tǒng)。（4）傳遞函數(shù)是單變量系統(tǒng)描述，外部描述。（5）傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，不能反映在非零初始條件下系統(tǒng)的運(yùn)動情況。（6）一般為復(fù)變量S的有理分式，即n三m。且所有的系數(shù)均為實(shí) 數(shù)。（7）如果傳遞函數(shù)已知，則可針對各種不同形式的輸入量研究系統(tǒng)的 輸出或響應(yīng)。（8）如果傳遞函數(shù)未知，則可通過引入已知輸入量并研究系統(tǒng)輸出量 的實(shí)驗(yàn)

4、方法，確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。（9）傳遞函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)一一對應(yīng)，脈沖響應(yīng)函數(shù)是指系統(tǒng)在單 位脈沖輸入量作用下的輸出。3. 求電網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。圖 2-12、2-14、2-15，習(xí)題2-1。4. 有哪幾種典型環(huán)節(jié)？答：（1）比例環(huán)節(jié)；（2）慣性環(huán)節(jié)；（3）積分環(huán)節(jié)；（4）振蕩環(huán)節(jié)；（5）微分 環(huán)節(jié)；（6）延遲環(huán)節(jié)5掌握簡單電網(wǎng)絡(luò)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的建立、簡化與變換法則。答：建立步驟：（1）從系統(tǒng)輸入端開始，把系統(tǒng)分為若干個(gè)基本環(huán)節(jié)，建立各基本環(huán)節(jié)的微分方程；（2）對各基本環(huán)節(jié)的微分方程進(jìn)行拉氏 變換，求出相應(yīng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，按繪制結(jié)構(gòu)圖的要素要求， 建立各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖；（3）按照系統(tǒng)中的信號的傳遞順序，

5、依 次用信號線將各基本環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖連接起來。變換結(jié)構(gòu)圖的原則：變換前后變量數(shù)學(xué)關(guān)系保持不變。一般方法：先通過移動“分支點(diǎn)”或“比較點(diǎn)”，將結(jié)構(gòu)圖變換為串聯(lián)，并 聯(lián)和反饋三種基本連接方式。變換規(guī)則：詳參考書本P34.6. 例 2-14，例 2-15，習(xí)題 2-7,2-11。7. 什么是開環(huán)傳遞函數(shù)？閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)。答：開環(huán)傳遞函數(shù)：主反饋信號拉氏變換式B （s）與偏差信號拉氏變換式E （s） 之比，或者說是前向通道傳遞函數(shù)與反饋通道傳遞函數(shù)的乘 積。閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)詳參考課本 P36 P38。第3章時(shí)域分析1. 典型輸入信號。答：（1）階躍函數(shù)；（2）斜坡函數(shù)；

6、（3）拋物線函數(shù)；（4）脈沖函數(shù)；（5）正 弦函數(shù)。（詳見課本P49 P50）2. 典型時(shí)間響應(yīng)。答：（1）單位階躍響應(yīng)；（2）單位斜坡響應(yīng)；（3）單位拋物線響應(yīng)；（4）單位 脈沖響應(yīng)。（詳見課本P52 P54）3. 控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的定義。答：（1） 上升時(shí)間t?響應(yīng)曲線從零至第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間；（2）峰值時(shí)間t?響應(yīng)曲線從零至第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；（3）調(diào)節(jié)時(shí)間t?響應(yīng)曲線從零至到達(dá)并停留在穩(wěn)態(tài)值的正負(fù) 5%或正負(fù)2%誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間；（4）超調(diào)量（%在系統(tǒng)響應(yīng)過程中，輸出量的最大值超過穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)。4. 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。答：用穩(wěn)態(tài)誤差e?描述。穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)控制精度或抗干

7、擾能力的一種度量。5階系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)。答：典型結(jié)構(gòu)：詳見課本 P52； 性能指標(biāo)：動態(tài)性能指標(biāo)4八當(dāng)A-2%時(shí)上升時(shí)間tt. = 2,201調(diào)節(jié)時(shí)間-節(jié)3八當(dāng)5%時(shí)J和（7%不存在:*穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)efi=l-c（x）=M=06. 例 3-1，習(xí)題 3-9。7. 二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型。性能指標(biāo)。例 3-2，例3-3,習(xí)題3-1，習(xí)題3-2。答:典型結(jié)構(gòu)：詳見課本P55；性能指標(biāo)：1. 上升時(shí)間：上升時(shí)間是響應(yīng)曲線由零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。根據(jù)定義，當(dāng)t = tr時(shí)，C（）=locosojtj. + , sin qt; = 0所以，上升時(shí)間為：r2. 峰值時(shí)間巾過渡過程曲線達(dá)到第一個(gè)峰值

8、所需的時(shí)間。=0=該（越一 + 0）=垢卩（偽-=0,兀,2龍,3龍,-）由于峰值時(shí)間tp杲過渡過程曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間,故取網(wǎng)卩=71即 tp= = P 3d 心-百23. 最大超調(diào)量刀，最大超調(diào)量為；丐=叫欄10必C（oc）=-etp（cosoJ 十 f Q , sig”p） 1OC% y=-小叫（costt十,: sin t）100%=rn 巧之 W -100%式中，C（）為過渡過程曲線第一次達(dá)到的最大喻岀值；H）為過渡過程的穩(wěn)態(tài)值（弘0）=1）。4. 過渡過程時(shí)間ts；在過渡過程的穩(wěn)態(tài)線上，莊穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)A （通常取A =5%或A =2%） 作一個(gè)允許誤差范圍，進(jìn)入允許誤差范

9、圍所對應(yīng)的時(shí)間叫。c(t) = 1 _ -；sin(Q/ + arctg-一一二)Vi根扌居過渡過程時(shí)間的走義.可近似認(rèn) 天就是包絡(luò)線袁減到區(qū)域所需的吋間. 剛有=召111若取厶=5翳，幷恕略1 口1門一孑若舉A=2%幷忽略In 8. 提高二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的兩種方法。答：（1）比例一微分（PD）串聯(lián)校正；（2）輸出量微分負(fù)反饋的并聯(lián)校正。9. 什么是主導(dǎo)極點(diǎn)？答：指在系統(tǒng)所有的閉環(huán)極點(diǎn)中，對動態(tài)響應(yīng)起主導(dǎo)作用。10. 線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件。勞斯穩(wěn)定判據(jù)。例3-7,例3-8,例 3-9,例 3-10。答：充要條件：系統(tǒng)特征方程式所有的根，即閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，全部為負(fù) 實(shí)數(shù)或具有負(fù)實(shí)部

10、的共軛復(fù)數(shù)。 換句話說，所有的根必須分布于 S平面虛軸的左半邊。勞斯穩(wěn)定判據(jù)：（1）各項(xiàng)系數(shù)均為正；（2）勞斯表的第一列系數(shù)均為正。 勞斯表詳見課本P6711. 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算。終值定理。誤差系數(shù)法。例3-11，例3-12，例3-13。習(xí)題 3-13，習(xí)題 3-14。答：穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算：詳見課本 P71 P78 終值定理：pj終值筆理：菴/(介o號 一 /(0)且 伽(才存在dtI*則 皿 f (/) = 6/wj sF (j)fTa& “JCl說明：* 獨(dú)心在在條件等價(jià)于隈制g) 的標(biāo)點(diǎn)在S左爭平面 內(nèi)和原點(diǎn)4又有 單階點(diǎn).12. 減少穩(wěn)態(tài)誤差的三種方法。答：(1)提高系統(tǒng)開環(huán)增益即放大系數(shù)

11、；(2)增加開環(huán)系統(tǒng)中積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)；(3) 復(fù)合控制結(jié)構(gòu)(抗干擾補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制和按給定輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制結(jié) 構(gòu))第4章 控制系統(tǒng)的根軌跡的分析1. 什么是根軌跡？答：根軌跡是開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變化到無窮大時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)特征根在s平面上變化的軌跡。2. 根軌跡的幅值條件和相位條件，繪制根軌跡的主要法則。答：第一種形式：可以為到IK條件和酬糾：恤曲店1如)作)=師他+1)g叫如第二種形式:k冇k-可 | 或= 1 母 K嚴(yán) 巾芹一卅 .ft核7/=i2 Z（j _ 勺）一 Z（JT _ pj = （2q +1）180q = 0 丄 2十，y=i1=4主要法則：（1）根軌跡的連續(xù)性；（2）根軌跡的

12、對稱性；（3）根軌跡的條數(shù)（分 支數(shù)）;（4）根軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)；（5）實(shí)軸上的根軌跡；（6）分離 點(diǎn)和匯合點(diǎn)；（7）根軌跡的漸進(jìn)線；（8）根軌跡與虛軸的交點(diǎn)；（9） 根軌跡的出射角與入射角；（10）根軌跡的走向。（詳細(xì)參考書本P84P88）3. 增加開環(huán)零、極點(diǎn)對根軌跡的影響。答：增加開環(huán)零點(diǎn)對根軌跡的影響：（1）改變了根軌跡在實(shí)軸上的分布；（2） 改變了根軌跡漸近線的條數(shù)、 傾角及截距；（3）若增加的開環(huán)零點(diǎn)和某 個(gè)極點(diǎn)重合或距離很近，構(gòu)成開環(huán)偶極子，則兩者相互抵消。因此，可 加入一個(gè)零點(diǎn)來抵消有損于系統(tǒng)性能的極點(diǎn)；（4）根軌跡曲線將向左移， 有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且，所加的零點(diǎn)越靠

13、近虛軸，影響越大。增加開環(huán)極點(diǎn)對根軌跡的影響：（1）改變了根軌跡在實(shí)軸上的分布；（2）改 變了根軌跡漸近線的條數(shù)、傾角及截距；（3）改變了根軌跡的分支數(shù)；（4）根軌跡曲線將向右移，不利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，而且，所加 的極點(diǎn)越靠近虛軸，影響越大。第5章 控制系統(tǒng)的頻域特性分析1. 什么是頻率響應(yīng)？頻率特性？答：頻率響應(yīng)：穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)，其對正弦函數(shù)輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)； 頻率特性：幅頻特性及相頻特性，或者說，在正弦輸入下，線性定常系統(tǒng)或 環(huán)節(jié)，其輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復(fù)數(shù)比。2. 典型環(huán)節(jié)的bode圖表示。（詳見課本P100-P108）3. 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的bode圖和幅相特性圖即奈氏圖的近似

14、繪制。（詳見課本P108 P113）4. 奈氏穩(wěn)定判據(jù)。對數(shù)頻率特性的奈氏穩(wěn)定判據(jù)。答：奈氏穩(wěn)定判據(jù)：（1）開環(huán)幅頻特性相頻特性曲線 Gk （jw），當(dāng)w從亠到+%時(shí)，逆時(shí)針包圍臨界點(diǎn)（-1, j0）的圈數(shù)N等于開環(huán)傳遞函數(shù)在右半 S平面的極點(diǎn)數(shù)P; (2)當(dāng)開環(huán)傳遞函數(shù)沒有右半 S平面上的極點(diǎn)時(shí)，即 P=0 (或稱當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定時(shí))，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻率特性曲線Gk (jw),當(dāng)w從亠到時(shí)，不包圍臨界點(diǎn)(-1, j0),即N=0.對數(shù)頻率特性的奈氏穩(wěn)定判據(jù)：(1)如果系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)有 P個(gè)極點(diǎn)在右半S 平面，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，在對數(shù)幅頻特性為正的所有頻段

15、內(nèi)， 對數(shù)相頻特性與-180相位線的正穿越和負(fù)穿越次數(shù)之差為P/2.若開環(huán)傳遞函數(shù)的全部極點(diǎn)在左半 S平面，即P=0,在對數(shù)幅頻特性為正的所有頻段 內(nèi)，對數(shù)相頻特性與-180相位線的正穿越和負(fù)穿越次數(shù)之差為 0,貝則閉環(huán) 系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則不穩(wěn)定。5由最小相位系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性求G(s)。由實(shí)驗(yàn)曲線反求傳遞函數(shù)(詳見課本P121 P122)6.四個(gè)開環(huán)頻域性能指標(biāo)。答：(1)截止頻率 Wc :開環(huán)對數(shù)幅頻特性等于零分貝的頻率值L (Wc) =20lgA (Wc) =20lg |Gk (jwc) | =0 (dB)(2) 相位裕量丫( Wc):在對數(shù)頻率特性中相頻特性曲線在 w=Wc時(shí)的相角值？

16、( Wc)與-180。之差丫( Wc) =? ( Wc) +180(3) 增益裕量G.M.:又稱為幅值裕量，指相角為-180這一頻率值 wg所對應(yīng)的幅值倒數(shù)的分貝數(shù)。G.M.=-20 lg |Gk (jwg) | =-20lgA (Wg)(4) 中頻寬度h :開環(huán)對數(shù)幅頻特性以斜率為-20dB/dec過橫軸的線段寬度hh=w2/w17. P132 習(xí)題 5-1 , 5-2,5-3 (1) (2) , 5-5 (1) (2) (3) , 5-6,5-7,5-8(1)、(2)。8. 開環(huán)頻率特性的三頻段的概念，與系統(tǒng)性能的關(guān)系氐頻段：通常扌旨= 2()的漸逬線在第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率以前的頻段，這一段特性

17、覚全由積分環(huán)節(jié) 和開環(huán)放大倍數(shù)決定.+ 丫氐頻段對越丈幅頻特性= 20lg AT 20plg co低頻段的位翌愈高，對應(yīng)系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的數(shù)目愈多(系 統(tǒng)空號愈高)*開環(huán)枚大倍幟K愈大，則在閉環(huán)系統(tǒng)穗定的 條件下，其穩(wěn)態(tài)玦援愈小】動態(tài)響應(yīng)的踉躊#青度愈高。中頻半殳中頻段是指開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線在開環(huán)截止頻率3。附近（0菱貝附近）的區(qū)段，這段特性集中反映閉 環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的平穩(wěn)性和快送性廿域響應(yīng)的動態(tài)特性主要取決于中頻段的形狀反映中頻段形狀的三個(gè)參數(shù)為：開環(huán)截止頻率36 中頻段的斜率、中頻段轉(zhuǎn)寬度為了使系統(tǒng)穩(wěn)定-且有足夠的穩(wěn)定裕度.一般希望開 環(huán)對數(shù)幅頻特性斜舉為-20dB/dec的線段上予 且中頻

18、段 要冇足夠的寬度；或位于幵環(huán)對數(shù)幅頻特性斜率為 - 40dB/dec的線段上，且中頻段較窄高莎頁段扌旨丹環(huán)對塔丈逢傾與尹雀在中頻段“共后臺勺域 段，高碩段的 彩 狀主姜影葉域昭應(yīng)的起出臺段 在分析時(shí)，習(xí)尋禹頻段倔1近彳以址理，即把夢個(gè)小 中處性環(huán)節(jié)等效為4 d、才貫*fci環(huán)節(jié)去七替，等效 小*貫陸環(huán)節(jié)右勺時(shí)間帑數(shù)1等于被代替的多個(gè)小潰 ”怪環(huán)節(jié)白勺時(shí)問希數(shù)乏和*條統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特d生在高頻段釣幅值，直挨 反Hfe 了系統(tǒng)對高頻干擾彳言號呂勺才甲佈氐力“高頗 部分的幅值趁氐, 系統(tǒng)轉(zhuǎn)抗干擾育豈力愈弓雖”9. 已知脈沖響應(yīng)函數(shù)，求傳遞函數(shù)。第6章頻率法校正1. 頻率法校正的實(shí)質(zhì)是什么？答：頻率校正的實(shí)質(zhì)：就是引入校正裝置的特性去改變原系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)幅頻特 性的形狀，使其滿足給出的性能指標(biāo)。2. 串聯(lián)超前、滯后校正的作用是什么？答：串聯(lián)超前校正的作用：（1）使校正后系統(tǒng)的截止頻率增大，通頻帶變寬， 提高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；（2）使校正后系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度增大，提 高了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。串聯(lián)滯后校正的作用：（1）使新截止頻率附近系統(tǒng)的相角裕度增大，提高 了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性；（2）沒有改變原系統(tǒng)最低頻段的特性， 不會影響 系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。3.什么是PID控制器?答：PID 控制器（Proportion Integration Di