自控原理题目

一. 填空题

1. 自动控制系统分类方法很多，其中的部分划分为：恒值调节系统和随动系统、 线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统、连续系统和离散系统、 开环系统和闭环系统。

2. 一般自动控制系统包括：给定元件、检测元件、比较元件、放大元件、执行元件、控制对象、反馈元件。

3. 对于一个单输入单输出的线性定常连续系统，其时域数学模型通常用 微分方程描述，频域模型用传递函数描述。

4． 斯判据通过劳斯阵（Routh阵） 判断系统稳定与否，并可以指出特征方程在复平面右半部上根的个数，它等于劳斯阵第一列元素符号改变的次数。 5．系统的时域响应有两部分构成：动态响应和静态响应。（瞬态响应、稳态响应） 6．控制系统的瞬态响应的主要性能指标有：上升时间、峰值时间、超调量、调节时间和振荡次数。

7．通常按照控制系统是否设有反馈环节来进行分类；设有反馈环节的，闭环控制系统；不设反馈环节的，则称为开环控制系统。

8．经典控制理论中，常用的数学模型为微分方程、传递函数和系统框图。它们反映了系统输出量、输入量和内部各变量之间的关系，也反映了系统的内在特性。 9．线性定常系统稳定的充分必要条件是特征方程的根全部

3. 设单位反馈系统的开环传递函数为：

G0(s)?K

s(0.1s?1)(0.01s?1)试设计一校正装置，使系统期望特性满足如下指标： （1）静态速度误差系数Kv≥250/s；

（2）截止频率?c≥30rad/s； （3）相角裕度?≥45?。 要求：①确定采用何种校正装置。仿真校正前系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

②将校正前性能指标与期望指标进行比较，确定串联校正网络Gc(s)的传递函数，仿真出校正网络的开环频率特性曲线图。仿真校正后整个系统的开环对数频率特性图以及系统的根轨迹图。

③当输入r(t)＝1（t）时，仿真出校正前、后系统的单位阶跃响应曲线h(t)。分

析校正前后的单位阶跃响应曲线，得出结果分析结论。

三、课程设计的基本要求

1、 学习掌握MATLAB语言的基本命令、基本操作和程序设计；掌握MATLAB语言在自动

控制原理中的应用；掌握SIMULINK的基本操作，使用SIMULINK工具建立系统模型进行仿真。

2、 应用MATLAB/Simulink进行控制系统分析、设计。通过建立数学模型，在MATLAB

环境下对模型进行仿真，使理论与实际得到最优结合。

3、 撰写自动控制原理课程设计报告。

按内容完成设计任

B

副教授：钱慧芳

自控原理教案

教案

第一章 自动控制的一般概念（２H）

1. 2. 3. 4. 5. 1. 2. 3. 4. 自动控制基本概念 自动控制技术的应用及自动控制理论的发展 基本控制方式 控制系统分类 对控制系统的基本要求 了解自动控制的基本概念：被控对象、控制器； 正确理解和掌握负反馈控制原理； 了解控制系统的组成与分类； 能确定控制系统的被控对象、被控量和给定量；能根据控制系统工作原理图绘制方块图。 基本内容 基本要求 重点 负反馈控制原理 难点 根据控制系统工作原理图绘制方块图 课后作业 1-1 1-5 备注

第二章 控制系统的数学模型（4H）

基本内容 2-1 控制系统的时域数学模型（1H） 2-2 控制系统的复数域数学模型(1H) 2-3 控制系统的结构图(2H) 1、了解建立系统微分方程的一般方法； 2、掌握运用拉氏变换解微分方程的方法； 3、牢固掌握传递函数的概念、定义和性质； 4、明确传递函数与微分方程之间的关系； 5、能熟练地进行结构图等效变换； 6、明确结构图与信号流图之间的关系； 7、熟练运用梅逊公式求系统的传递函数； 8、掌握从不同途径求传递函数的方法。 基本要求 重点 传递函数的

自控课程设计

连续定常系统的频率法超前校正

1. 问题描述

当控制系统的开环增益增大到满足其稳态性能所要求的数值时，系统有可能为不稳定，后者即使稳定，其稳态性能却不能满足要求。在这种情况下，需要系统的前向通道中加一个超前校正装置，以实现在开环增益不变的前提下，系统的动态性能能满足设计的要求，超前校正有基于根轨迹法和频率法两种。用频率法对系统进行校正，是利用超前校正网络的相位超前特性来增大系统的相位裕量，从而提高系统的稳定性，致使闭环系统的频带扩展，以达到改善系统暂态响应的目的。但系统频带的加宽也会带来一定的噪声干扰，为了系统具有满意的动态性能，高频段要求幅值迅速衰减，以减少噪声影响。

2. 设计过程和步骤

一、设计题目：

G(s)?100

s(0.1s?1)(0.01s?1)设计超前校正装置，使校正后系统满足：

K??100s?1,?c?50s?1,?%?30%

二、设计过程：

（1）根据稳态误差的要求，确定系统的开环增益K。

- 1 -

自控课程设计

Kv?limsG(s)?limss?0s?0K?100s(0.1s?1)(0.01s?1)

得k?100

（2）由于开环增益k?100,在MATLAB中输入以下命令： z=[ ] ; p=[

实验五 线性系统的频域响应分析

1. 实验目的

(1)掌握BODE图的绘制方法和由BODE图确定系统开环传递函数方法。

(2)掌握利用BODE图分析系统性能和校正的方法。 2. 实验原理和内容

(1) 根据下列方框图作出BODE图。

? 开环传递函数：G(s)?10.1s(0.1s?1)

? 闭环传递函数： W(s)?G1?G?100s2?10s?100（?n?10??0.5）

? 系统的BODE图

1

(2) 利用BODE图进行超前串联校正设计的验证。 给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)选择校正器的传递函数为：Gc(s)?验证：

? 若在斜坡信号作用下，要求稳态误差ess?0.001. K0=? ? 在BODE图上求出校正前后的稳定余量。并验证系统校正后

的相角余量在：40????50? 。 ? 画出系统校正后的阶跃响应曲线并求出其性能指标。 (3)BODE图的滞后校正设计的验证

给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)要求对系统进行滞后串联校正，验证：

2

0.01796s?1

0.001796s?1

? 取K0=30s-1，在

控制系统的模拟试验与MATLAB仿真

1 MATLAB简介

（略）

2 MATLAB基本操作命令

本节简单介绍与本书内容相关的一些基本知识和操作命令。

（1）简单矩阵的输入

MATLAB是一种专门为矩阵运算设计的语言，所以在MATLAB中处理的所有变量都是矩阵。这就是说，MATLAB只有一种数据形式，那就是矩阵，或者数的矩形阵列。标量可看作为1×1的矩阵，向量可看作为n×1或1×n的矩阵。这就是说，MATLAB语言对矩阵的维数及类型没有限制，即用户无需定义变量的类型和维数，MATLAB会自动获取所需的存储空间。

输入矩阵最便捷的方式为直接输入矩阵的元素，其定义如下： （1） 元素之间用空格或逗号间隔；

（2） 用中括号（[]）把所有元素括起来； （3） 用分号（；）指定行结束。

例如，在MATLAB的工作空间中，输入：

5　　6　　9] >> a?[2 3 4；　则输出结果为：

a?234

569矩阵a被一直保存在工作空间中，以供后面使用，直至修改它。

MATLAB的矩阵输入方式很灵活，大矩阵可以分成n行输入，用回车符代替分号或用续行符号（?）将元素续写到下一行。例如：

a?[1，　2，　3；　4，　5，

《自动控制原理》

实验指导书

戴 波 盛 沙

北京石油化工学院信息工程学院

2005年8月

目 录

实验一《控制系统装置实验》 ........................................................................... 1 实验二《典型环节的阶跃响应实验》 ......................................................... 4 实验三《MATLAB软件控制系统分析实验》 ........................................... 6 实验四《典型控制系统研究与分析》 ......................................................... 8 实验四《典型控制系统研究与分析》（选做二） ............................ 12 附录一 球杆系统使用说明................................................................................... 15 附录二 直线倒立摆系

第一批次，第一考场，地点：科技楼205，时间：17周周六8：30-10：00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1061120118 1100810102 1100810239 1100850112 1100850123 1100850125 1200810115 1200810123 1200810124 1200810125 1200810136 1200810138 1200810139 1200810141 1200810142 1200810143 1200810206 1200810212 1200810239 1200810241 1200810244 1200850104 1200850111 1200850116 蒋子豪 王萍莉 周相龙 黄超益 孙华琪 王逸萌 何超 黄宗印 康朝威 李敏航 王千安 韦伟男 吴文聪 薛继杨 杨昔荣 殷浩庭 宾明成 邓福双 吴壮坚 严南 周乔送 周顺华 黎春 刘钊

第一批次，第二考场，地点：科技楼203，时间：17周周六8：30-10：00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

控制系统的模拟试验与MATLAB仿真

1 MATLAB简介

（略）

2 MATLAB基本操作命令

本节简单介绍与本书内容相关的一些基本知识和操作命令。

（1）简单矩阵的输入

MATLAB是一种专门为矩阵运算设计的语言，所以在MATLAB中处理的所有变量都是矩阵。这就是说，MATLAB只有一种数据形式，那就是矩阵，或者数的矩形阵列。标量可看作为1×1的矩阵，向量可看作为n×1或1×n的矩阵。这就是说，MATLAB语言对矩阵的维数及类型没有限制，即用户无需定义变量的类型和维数，MATLAB会自动获取所需的存储空间。

输入矩阵最便捷的方式为直接输入矩阵的元素，其定义如下： （1） 元素之间用空格或逗号间隔；

（2） 用中括号（[]）把所有元素括起来； （3） 用分号（；）指定行结束。

例如，在MATLAB的工作空间中，输入：

5　　6　　9] >> a?[2 3 4；　则输出结果为：

a?234

569矩阵a被一直保存在工作空间中，以供后面使用，直至修改它。

MATLAB的矩阵输入方式很灵活，大矩阵可以分成n行输入，用回车符代替分号或用续行符号（?）将元素续写到下一行。例如：

a?[1，　2，　3；　4，　5，

第1章习题答案

1-1 解：自动控制系统：被控对象和控制装置的总体；被控对象：要求实现自动控制的机器、设备和生产过程；扰动：除给定值之外，引起被控制量变化的各种外界因素；给定值：作用于控制系统输入端，并作为控制依据的物理量；反馈：将输出量直接或间接的送到输入端，并与之相比较，使系统按其差值进行调节，使偏差减小或消除。

1-2 解：开环控制有洗衣机的洗衣过程，闭环控制有抽水马桶的蓄水控制、电冰箱制冷系统等。

1-3 解：

1-4 解：a与d相连，b与c相连即可；系统原理框图如下所示：

1-5 解：系统原理框图如下所示：

1-6 解：对控制系统的基本要求是稳定性、准确性和快速性：稳定性是系统正常工作的前提条件；准确性反映控制系统的控制精度，要求过渡过程结束后，系统的稳态误差越小越好；快速性是要求系统的响应速度快，过渡过程时间短，超调量小。

1-7 解：该系统的任务是使工作机械（被控对象）的转角θc（被控量）自动跟踪手柄给定角度θr（给定量）的变化。该系统的工作原理是：检测电位计与给定电位计的电气特性相同，工作机械的转角θc经检测电位计转换成电压uc，手柄给定角度θr经给定电位计转换成给定电压ur，uc与ur接入放大器前端的电桥。当工