西北工业大学自动控制原理 (23)

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《自动控制原理》（卢京潮，西北工业大学）第二章习题及答案

∴
G ( s) =
4 ⎤ ⎡ −1 k (t ) = L−1 [G ( s )] = L−1 ⎢ + = 4e − 2 t − e − t ⎥ s + 1 s + 2 ⎣ ⎦
- 16 -2-10 Nhomakorabea已知系统传递函数
C ( s) 2 &(0) = 0 ，，且初始条件为 c(0) = −1 ，c = 2 R ( s ) s + 3s + 2
(1) (3) 原式＝
−1 1 3 1 1 + − + + 3 2 2( s + 2) 4( s + 2) 8( s + 2) 24s 3( s + 3)
− t 2 − 2 t t − 2 t 3 − 2 t 1 −3t 1 ∴ x（t）＝ e + e − e + e + 4 4 8 3 24
1 s 1 1 s +1 1 1 1 2 − 2 = − ⋅ + ⋅ (4) 原式＝ 2 2 s s + 2 s + 2 2 s 2 ( s + 1) + 1 2 ( s + 1) 2 + 1
化，试推导 id = f (ud ) 的线性化方程。解解得将 i d = 10 −14 (e 将 i (0) = 2.19 × 10 A 代入 i d = 10 −14 (e
−3
ud
u d / 0.026
− 1)
ud 0 = 0.679V
u d / 0.026
− 1) 在( u d 0 ， i0 )处展开为泰勒级数，
∴ X (s) = ∴ X ( s) =
e− s 1 e −3s 1 ( s ) − 2 (2 s + ) + 2 s 2 s 2

西北工业大学—自动控制原理

ur
u u a m up
l
消去中间变量得：
Tm l l k 1 k 2 k 3 k 4 k m l k 1k 2 k 3 k m u a ─二阶线性定常微分方程
即： l
1 k1k 2 k 3k 4 k m kk kk l l 1 2 3 m ua Tm Tm Tm
R 1 1 uc uc ur L LC LC
── 2 阶线性定常微分方程
（2）弹簧—阻尼器机械位移系统分析 A、B 点受力情况
A x 0 ) k2x0 k1 (x i x A ) f(x
A
B
由 k 1 ( x i x A ) k1 x A 解出 x A x i
第一章：自动控制理论的一般概念 §1.1 引言 §1.2 自动控制理论发展概述发展过程： 19 世纪
呼应与西方工业革命发展相
时域复域频域
20 世纪 60 年代初
古典控制理论（单入/出）
与航天技术发展相呼应
现（近）代控制理论（多入 / 出）
2．
闭环（信号有反向作用）特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
3．
复合（前向联系、反向作用）特点：性能要求高时用之。例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。
闭环控制工作原理：
给定量：使c跟踪r 外部作用：干扰量：使c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。负反馈原理——构成闭环控制系统的核心

0
at e
t 0 t 0
L[f ( t )] e at e st dt e sa t dt
0 0

西北工业大学—自动控制原理

联系并准备
实验二：典型环节模拟实验三：二阶系统特征参数对性能的影响
联系地点：实验大楼 12 楼
联系人：杨建华 (实验中心主任)
§3.5
线性系统的稳定性分析
§3.5.1 稳定性的概念 lim k(t) 0 t
§3.5.2 稳定的充要条件
系统闭环特征方程的所有根都具有负的实部或所有闭环特征根均位于左半s平面
自动控制原理
西北工业大学自动化学院
自动控制原理教学组
自动控制原理
本次课程作业(9)
3 — 8, 9, 10
自动控制原理
（第 9 讲） §3 线性系统的时域分析与校正
§3.1 概述 §3.2 一阶系统的时间响应及动态性能 §3.3 二阶系统的时间响应及动态性能 §3.4 高阶系统的阶跃响应及动态性能 §3.5 线性系统的稳定性分析 §3.6 线性系统的稳态误差 §3.7 线性系统时域校正
§3.5
线性系统的稳定性分析（2）
§3.5.2 稳定的充要条件
根据系统稳定的定义，若 lim k(t) 0 ,则系统是稳定的。
t
必要性： (s) M (s) bm (s z1 ) (s z2 ) (s zm ) D(s) an(s 1 ) (s 2 ) (s n )
充分性：
C(s) (s)
解. 列劳斯表
s5 1
0
s4 2
0
s3 80
00
s2 e0
-2
s1 16 /e
0
s0 -2
-1
-2
列辅助方程： 2s4 2 0
d 2s4 2 8s3 0
ds
第一列元素变号一次，有一个正根，系统不稳定
§3.5

西北工业大学自动控制原理考试试题汇总

装订线注：2. 命题教师和审题教师姓名应在试卷存档时填写。

共4页第1页学号：姓名：自动控制原理试题A (56学时)答案及评分标准一、答案：A C B B A D C D C B评分标准：每小题2分二、1、答案：()12314()12314123141C S R S G G G G G G G G G G H G G H G +++--＝评分标准：15分（按步骤给分）2、答案：%16.3 1.4s σ=s ＝％ t 评分标准：10分，每一问5分3、答案：（1）*13K ω=-==12a d ＝ d 3K （2） 13<<15评分标准：15分第一问10分，第二问5分4、答案：（1）（2） K=80K <<评分标准： 15分第一问8分，第二问7分 5、答案：（1） ()(1)(11020K G s s ss ++＝)033.4γ=- K=100(2) 3.1251()1001c s G s s ++＝(3) 0100(3.1251)()(1)(1)(10011020'57.7c s GG s s s s s γ+⎧⎪⎪+++⎨⎪=⎪⎩＝) 评分标准：25分第一问10分，第二问5分，第三问10分装订线注：2. 命题教师和审题教师姓名应在试卷存档时填写。

共4页第1页学号：姓名：自动控制原理试题B (56学时)答案及评分标准一、答案：C D B A B C A D C B评分标准：每小题2分二、1、答案：%16.3 1.4s σ=s ＝％ t评分标准：10分，每一问5分2、答案：（1）*13K ω=-==12a d ＝ d 3K （2） 13<<评分标准：15分第一问10分，第二问5分 3、答案：()12314()12314123141C S R S G G G G G G G G G G H G G H G +++--＝评分标准：15分（按步骤给分） 4、答案：（1） ()(1)(11020K G s s s s )++＝ K=10033.4γ=-(2) 3.12511001c S G S ++＝(3) 0100(3.1251)()(1)(1)(1001)1020'57.7c s GG s s s s s γ+⎧⎪⎪+++⎨⎪=⎪⎩＝评分标准：25分第一问10分，第二问5分，第三问10分5、答案：（1）（2） K=80K <<15评分标准： 15分第一问8分，第二问7分诚信保证本人知晓我校考场规则和违纪处分条例的有关规定，保证遵守考场规则，诚实做人。

《自动控制原理》卢京潮主编课后习题答案西北工业大学出版社

第五章线性系统的频域分析与校正习题与解答5-1 试求题5-75图(a)、(b)网络的频率特性。

(a) (b)图5-75 R-C 网络解（a)依图：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+==+=++=++=2121111212111111221)1(11)()(R R C R R T C R RR R K s T s K sC R sC R R R s U s U r c ττ (b)依图：⎩⎨⎧+==++=+++=C R R T CR s T s sCR R sC R s U s U r c)(1111)()(2122222212ττ 5-2 某系统结构图如题5-76图所示，试根据频率特性的物理意义，求下列输入信号作用时，系统的稳态输出)(t c s 和稳态误差)(t e s（1） t t r 2sin )(=（2） )452cos(2)30sin()(︒--︒+=t t t r 解系统闭环传递函数为: 21)(+=Φs s 图5-76 系统结构图频率特性: 2244221)(ωωωωω+-++=+=Φj j j 幅频特性: 241)(ωω+=Φj相频特性: )2arctan()(ωωϕ-=系统误差传递函数: ,21)(11)(++=+=Φs s s G s e 则 )2arctan(arctan )(,41)(22ωωωϕωωω-=++=Φj j e e（1）当t t r 2sin )(=时, 2=ω，r m =1 则 ,35.081)(2==Φ=ωωj ο45)22arctan()2(-=-=j ϕ（2）当 )452cos(2)30sin()(︒--︒+=t t t r 时: ⎩⎨⎧====2,21,12211m m r r ωω5-3 若系统单位阶跃响应试求系统频率特性。

解 ss R s s s s s ss C 1)(,)9)(4(3698.048.11)(=++=+++-= 则 )9)(4(36)()()(++=Φ=s s s s R s C 频率特性为 )9)(4(36)(++=Φωωωj j j5-4 绘制下列传递函数的幅相曲线：解 ()()()12G j K j K e j ==-+ωωπ幅频特性如图解5-4(a)。

821西北工业大学自动控制原理考试大纲

题号：821
《自动控制原理》
考试大纲
考试内容
正确理解自动控制原理课程中的有关概念。

掌握结构图等效变换方法和梅森公式。

能根据结构图熟练求取系统的传递函数。

掌握代数稳定判据及其应用；掌握系统稳态误差的分析和计算方法；掌握一、二阶系统典型响应的特点以及模型参数与动态性能之间的关系，并能熟练分析与计算系统的动态性能，了解附加闭环零、极点对系统动态性能的影响。

能熟练绘制系统根轨迹（包括广义根轨迹）并分析系统性能随参数的变化规律，掌握有关的计算方法。

掌握频率响应与频率特性的概念；掌握典型环节的频率特性，能熟练绘制系统的开环频率特性；掌握由频率特性确定传递函数的方法；掌握频域稳定判据；理解三频段的意义，掌握稳定裕度计算和系统性能估算的方法；正确理解闭环频率特性及相应的特征量。

掌握频域串联校正方法；掌握反馈校正和复合校正方法。

掌握差分方程，能熟练推导离散系统的脉冲传递函数；熟练掌握离散系统的稳定性分析方法和稳态误差计算方法。

了解非线性系统运动的特点，重点掌握运用描述函数法进行非线性系统稳定性及自振分析的方法。

一般掌握相平面法。

注重各章概念的融会贯通以及解题方法的综合运用。

西北工业大学《自动控制原理》习题解答

《自动控制原理》习题解答西北工业大学自动化教研室第一章习题及答案1-3图1-3 (a)，(b)所示均为调速系统。

(1) 分别画出图1-24(a)、图(b)所示系统的方框图。

给出图1-24(a) 所示系统正确的反馈连线方式。

(2) 指出在恒值输入条件下，图1-24(a)，(b) 所示系统中哪个是有差系统，哪个是无差系统，说明其道理。

图1-3 调速系统工作原理图解图1-3 (a)正确的反馈连接方式如图1-3 (a)中虚线所示。

(1) 系统方框图如图解1-10所示。

(2) 图1-3 (a) 所示的系统是有差系统，图1-3 (b) 所示的系统是无差系统。

图1-3 (a)中，当给定恒值电压信号，系统运行达到稳态时，电动机转速的恒定是以发电机提供恒定电压为条件，对应发电机激磁绕组中电流一定是恒定值。

这意味着放大器前端电压是非零的常值。

因此，常值偏差电压存在是系统稳定工作的前提，故系统有差。

图1-3 (b)中，给定恒定电压，电动机达到稳定转速时，对应发电机激磁绕组中的励磁电流恒定，这意味着执行电动机处于停转状态，放大器前端电压必然为0，故系统无差。

1-4图1-4 (a)，(b)所示的系统均为电压调节系统。

假设空载时两系统发电机端电压均为110V，试问带上负载后，图1-4(a)，(b)中哪个能保持110V不变，哪个电压会低于110V？为什么?图1-4 电压调节系统工作原理图解带上负载后，开始由于负载的影响，图1-4(a)与(b)系统的端电压都要下降，但图(a)中所示系统能恢复到110V，而图(b) 所示系统却不能。

理由如下：图(a)系统，当u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K放大后，驱动电机D转动，经I增大，发电机的输出电压会升高，从而使偏差电减速器带动电刷，使发电机F的激磁电流j压减小，直至偏差电压为零时，电机才停止转动。

因此，图(a)系统能保持110V不变。

图(b)系统，当u低于给定电压时，其偏差电压经放大器K后，直接使发电机激磁电流增大，提高发电机的端电压，使发电机G 的端电压回升，偏差电压减小，但不可能等于零，因i=0，发电机就不能工作。

自动控制原理西北工业大学课件

Routh s3 s2 s1
s0
2
1+0.6K
3
K
3(1+0.6K)-2K 0 3
K
3-0.2K>0 K<15 K>0
10 < K <15
§3.6.4
动态误差系数法(1)
动态误差系数法
用静态误差系数法只能求出稳态误差
值
ess
lim
t
e(t )
；而稳态误差随时间变化的
规律无法表达。
用动态误差系数法可以研究动态误差 es (t )
(((32GKK2K))()K(Ktttss)ttG)GKKKD2(2((ttt(,sss,s22ss)))02()::s.1007.K1140时s1s时0K0ss121710tK(10212K201s40t0t0K,0t110st0101)0K00010Kt00tt)tst0s0s000K30vn00.Kv50.t14t5s10Ks9100021t50101Kn0K30,0n0t00.t51K02nt
1
0
G2(s) s
线性系统的时域分析与校正
第三章小结
时域分析法小结（1）
自动控制原理1～3章测验题
一. 单项选择题 ( 在每小题的四个备选答案中，选出一
个正确的答案，将其题号写入题干的○内，每小题
1分，共分 ) 1．适合于应用传递函数描述的系统是
○
A．非线性定常系统； B．线性时变系统； C．线性定常系统； D．非线性时变系统。
i0
E(s) Φ e (s).R(s)
C0 R(s) C1sR(s) C2s2 R(s) Ci si R(s)
es (t ) C0 r(t ) C1r(t ) C2r(t ) Cir (i) (t ) Cir (i) (t ) i0

西北工业大学—自动控制原理

2．
闭环（信号有反向作用）特点：复杂、抗干扰能力强、精度高、有稳定性问题。
3．
复合（前向联系、反向作用）特点：性能要求高时用之。例如：炉温系统可以采用开环或闭环的。
闭环控制工作原理：
给定量：使c跟踪r 外部作用：干扰量：使c偏离r
控制目的：排除干扰因素、影响、使被控量随给定量变化。负反馈原理——构成闭环控制系统的核心
2、
线性系统特性──满足齐次性、可加性
线性系统便于分析研究。在实际工程问题中，应尽量将问题化到线性系统范围内研究。非线性元部件微分方程的线性化。例：某元件输入输出关系如下，导出在工作点 0 处的线性化增量方程
y E 0 cos
解：在 0 处线性化展开，只取线性项：
0 0 -st st e f t f t de 0 0 st 0-f 0 s f t e dt

sF s f 0 右
0
n n-1 n-2 n 进一步：L f t s F s s f 0 s f 0
y y 0 E 0 sin 0 0
令 y y - y 0
0
得 y E 0 sin 0 3、用拉氏变换解微分方程（初条件为 0）
2 s
l 2l 2l 2u a
把系统的输出信号引回输入端，与输入信号相比较，利用所得的偏差信号进行控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。负反馈控制系统的特点——按偏差控制的具有负反馈的闭环系统 1）、有反馈，信号流动构成闭回路。 2）、按偏差进行控制。
§1.4 控制系统的组成组成（以 X-Y 记录仪为例）

西北工业大学自动控制原理2001-2010

. .
西北工业大学 2003 年硕士研究生入学考试试题
试题名称：自动控制原理说明：所有试题一律写在答题纸上试题编号： 427 第 1 页共 3 页
1．本题 20 分系统结构图如图 1 所示
（1）确定使系统稳定的 a 值范围；（2）在 r (t ) 1(t ) 作用下，要求系统的稳态误差 e ss 0 ，确定相应的 a 值；（3）在满足（2）的条件下，求系统的截止频率 c 和相角裕度。
2
（2）使系统稳定且为欠阻尼状态时的 K D 范围；（3）系统具有最佳阻尼比（ 0.707 ）的 K D 值及此时的系统闭环传递函数。
3．（此题 15 分）
已知单位反馈的最小相角系统，其开环对数幅频特性如图 2 所示，试确定（1）系统闭环传递函数；；（2）系统的超调量％，调节时间 t S （ 5 ％）。（3）概略绘出系统开环幅相特性曲线（要求给出 0 时的渐近线）
2．（25 分）系统结构图如图 2 所示（1）绘制当 K 0 0 变化时的系统根轨迹（求出渐近线，分离点，与虚轴交点），确定使系统稳定的开环增益 K 的取值范围；（2）若已知闭环系统的一个极点为 1 1 ，试确定系统的闭环传递函数。
西北工业大学 2004 年硕士研究生入学考试试题
Gc ( s )
0.05s 1 0.005s 1
试验证校正后系统是否满足要求。
西北工业大学 2004 年硕士研究生入学考试试题
试题名称：自动控制原理（A 卷）说明：所有答题一律写在答题纸上试题编号： 427 第 3 页共 3 页
Gc ( s )
*
(2 s 1)( s 1) (20 s 1)(0.01s 1)

《自动控制原理》西北工业大学参考题整理

《自动控制原理》西北工业大学参考题整理西北工业大学《自动控制原理》参考习题1-3、1-4；2-1(c)&(d)、2-6、2-8、2-10、2-11、2-12、2-133-1、3-3、3-4、3-6、3-7、3-9、3-11、3-13、3-15、3-16、3-17、3-21、3-22、3-23、3-24、3-28（1）、3-38、3-394-2、4-3（1）&（3）5-1、5-2（1）、5-3、5-6、5-9（1）&（2）&（3）、5-11（1）、5-13（1）~（4）6-2、6-3、6-4、6-5（1）、6-6、6-7、6-8、6-10（1）、6-12、6-13、6-16第一章习题及答案1-3、1-41-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。

分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。

题1-3图炉温自动控制系统原理图解加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。

炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。

f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。

在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。

此时，0f r e u u u ，故01a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。

这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。

当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程：控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。

西工大、西交大自动控制原理答案

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第一章
湿度测量装置
输入谷物浓度输出谷物浓度
调节器
给定湿度
阀门
传送装置
湿度测量装置
LOGO

第一章
▪ 1-10：
▪ 提示：以叠加性和均匀性来判定是否是线性系
统：以系数是否与自变量有关判定是否定常系
统。
▪
解：1：
阻、电容、电感。流过这三种阻抗元件的电
流i与电压u的关系是
▪ 电阻： u Ri ；
▪ 电容： du 1 i ；
▪
dt C
▪ 电感：u L di
。
dt
LOGO

▪
对以上各等式两边作拉氏变换（零初始
条件），得：
▪
电阻：
▪
U(s)=RI(s)
▪ 可见电阻R的复阻抗仍为R。
动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同
时，和大门连在一起的电刷也向上移动，使得偏差电压
逐渐减小，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转
动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电
动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开
闭自动控制。系统方框图如所示。
LOGO

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第一章
解：被控对象：仓库大门。被控量：大门的实际位置。给定量：开关位置。比较元件：电桥电路。放大元件：放大器。执行元件：伺服电动机。
▪ 系统工作原理：
当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际
位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱
第二章
▪ 2-11： ▪ 解:对（1）式取拉氏变换得：
G
s
C E
s s

[西北工业大学]自动控制理论(202104)

自动控制理论（202104）
一、单选题
1.对于一阶、二阶系统来说，系统特征方程的系数都是正数是系统稳定的()。

A.充分条件
B.必要条件
C.充要条件
D.以上都不是
答案：B
2.积分环节的幅频特性，其幅值与频率成()。

A.指数关系
B.正比关系
C.反比关系
D.不定关系
答案：C
3.伯德图的中频段反映系统的()。

A.动态性能
B.抗高频干扰能力
C.稳态性能
D.以上都不是
答案：A
4.传递函数只适合于()。

A.线性定常系统
B.线性系统
C.线性时变系统
D.非线性系统
答案：A
5.伯德图的低频段反映了系统的()。

A.动态性能
B.稳态性能
C.抗高频干扰能力
D.以上都不是
答案：B
6.根轨迹终止于()。

A.闭环零点
B.开环零点
C.闭环极点
D.开环极点
答案：C
7.常用的比例、积分与微分控制规律的另一种表示方法是()。

A.PI
B.PD
C.PID。