吉林大学20年9月课程考试《机械工程控制基础》离线考核大作业

吉林大学网络教育学院2019-2020学年第二学期期末考试机械工程控制基础大作业学生姓名 专业 层次年级 学号 学习中心 成绩 年 月 日作业要求：大作业要求学生手写完成，提供手写文档的清晰扫描图片，并将图片添加到word文档内，最终wod文档上传平台，不允许学生提交其他格式文件（如JPG，RAR等非word文档格式），如有雷同、抄袭成绩按不及格处理。一 名词解释题 (共10题 ， 总分值30分 )1. 函数框图 （3 分）答：形象直观的描述系统中各元件间的相互关系及其功能以及信号在系统中的传递、变换过程。2. 前向通路 （3 分）答：就是指在一个系统中属于信号流前级的部分，它包括信号的感知、放大、调理、频谱变换等多个内容。在一个系统中处于最前端的就是对外界进行感知的传感器，它是人们感官的延伸。在一个系统中传感器的功能、精度、稳定性直接决定整个系统，传感器有着举足轻重的作用。3. 结构框图 （3 分）答：特定的结构符号加上说明，表示算法的图，称为流程图或框图。4. 系统的幅频特性 （3 分）答：幅频特性是指在电子技术实践中所遇到的信号往往不是单一频率的， 而是在某一段频率范围内，在放大电路、滤波电路及谐振电路等几乎所有的电子电路和设备中都含有电抗性元件， 由于它们在各种频率下的电抗值是不相同的，因而电信号在通过这些电子电路和设备的过程中，其幅度和相位发生了变化，亦即是使电信号在传输过程中发生了失真。电信号传输前后输入信号与输出信号的幅度之比称为系统的幅频特性。5. 连续系统 （3 分）答：连续系统是系统状态随时间作平滑连续变化的动态系统。包括由于数据采集是在离散时间点上进行而导致的非连续变化。连续系统可用一组微分方程来描述。当微分方程的系数为常数时称为定常系统，当系数随时间而变化时则称为时变系统。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等）、离散时间模型（差分方程等）及连续-离散混合模型。6. 闭环系统的开环传递函数 （3 分）答：是指一个开环系统(如滤波器)的输出与输入之比与频率的函数关系，即系统的频率域特性。常用其振幅频率特性和相位频率特性(函数)表示。传递函数表达了系统的本身特性而与输入量无关。7. 程序控制系统 （3 分）答：这种系统的给定量是按照一定的时间函数变化的，如程序控制机床的程序控制系统的输出量应与给定量的变化规律相同8. 稳态响应 （3 分）答：是指当足够长的时间之后，系统对于固定的输入，有了一个较为稳定的输出。在某一输入信号的作用后，时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态。9. 开环控制系统 （3 分）答：开环控制系统是指一个输出只受系统输入控制的没有反馈回路的系统。在开环控制系统中，不把关于被控量的值的信息用来在控制过程中构成控制作用。其特点是施控装置指挥执行机构动作，改变被控对象的工作状态，被控量相应地发生变化，而这种变化并不再次构成施控装置动作的原因，即控制信号和被控量之间没有反馈回路。10. 偏差信号（或偏差） （3 分）答：偏差信号是1990年公布的自动化科学技术名词二 计算题 (共3题 ，总分值30分 )11. 设系统特征方程为2s3+4s2+6s=0,试用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别该系统的稳定性。 （10 分）答：由系统特征方程知各项系数分别为 a 0 =1，a 1 =5，a 2 =6，a 3 =10 系统的充分必要条件为 D 1 =a 1 -50，S 1 =a 1 a 2 -a 0 a 3 =56-110=200 S 2 =5610-110 2 =2000 由于各阶古尔维茨行列式均大于零，故系统稳定。12. 设系统特征方程为s4+6s3+12s2+10s+3=0,试用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别该系统的稳定性。 （10 分）答：由系统特征方程知各项系数分别为 a 0 =1，a 1 =5，a 2 =6，a 3 =10 系统的充分必要条件为 D 1 =a 1 -50，S 1 =a 1 a 2 -a 0 a 3 =56-110=200 S 2 =5610-110 2 =2000 由于各阶古尔维茨行列式均大于零，故系统稳定。13. 设系统特征方程为s4+5s3+2s2+4s+3=0,试用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别该系统的稳定性。 （10 分）答：由系统特征方程知各项系数分别为 a 0 =2，a 1 =1，a 2 =3，a 3 =5，a 4 =10 系统的充分必要条件为 D 1 =a 1 -10，=a 1 a 2 -a 0 a 3 =13-25=-70 由于D 2 0，因此不满足古尔维茨行列式全部为正的条件，系统不稳定，D 3 、D 4 不必再进行计算。 利用古尔维茨判据，不解微分方程，根据特征方程的各项系数，直接判断其根是否在S平面的左半平面，就能间接判断系统是否稳定。但是，当特征方程的阶次较高时，其计算量较大，因此用林纳德-奇帕特判据(简称林-奇判据)。三 简答题 (共8题 ，总分值40分 )14. 请写出超前校正装置的传递函数，如果将它用于串联校正，可以改善系统什么性能？ （5 分）答案：(1)降低截止频率， (2)中频段提高相位裕度， (3)避免了单独采用超前校正或单独采用滞后校正的不足。15. 什么是反馈？为什么要进行反馈控制？ （5 分）答：反馈是指人们为了达到一定的目的，有意加入的反馈。闭环控制系统的工作是基于系统的实际输出与参考输入间的偏差之上的。在系统存在扰动的情况下，这种偏差就会出现。进行适当的反馈控制正好能检测出这种偏差，并力图减小这种偏差，而最终使得偏差为零。事实上，反馈控制仅仅需为无法预计的扰动而设计，因为对可以预知的扰动，总可以在系统中加以校正。16. 反馈校正与串联校正相比，所具有的优点是哪些？ （5 分）答：（1）超前校正是利用超前网络的相角超前特性，而迟后校正则是利用迟后网络的高频幅值衰减特性。 （2）为了满足严格的稳态性能要求，当采用无源校正网络时，超前校正要求一定的附加增益，而迟后校正一般不需要附加增益； （3）对于同一系统，采用超前校正的系统带宽大于迟后校正的带宽。从提高系统的响应角度来看，希望系统的带宽越大越好；与此同时，带宽越大则系统越容易受噪声干扰的影响，因此如果系统输入端噪声水平较高，一般不宜选用超前校正。17. 在系统校正中，常用的性能指标有哪些？ （5 分）答：在系统校正中，常用的性能指标按其类型可分为： (1)时域性能指标，它包括瞬态性能指标(即延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间等)和稳态性能指标(即稳态误差)。 (2)频域性能指标，它包括相位裕度y、幅值裕度K g 、零频值A(0)、复现频率 M 与复现带宽0 M 、谐振频率 r 及相对谐振峰值M、截止频率 b 和截止带宽0 b 等。 (3)综合性能指标，它包括误差积分性能指标和误差平方积分性能指标及广义误差平方积分性能指标等。18. 稳态误差和哪些因素有关？计算稳态误差的方法有哪几种？ （5 分）答：给定值稳态误差;扰动值稳态误差;输入端定义的稳态误差;输出端定义的稳态误差19. 简述串联相位超前、相位滞后校正的优缺点。 （5 分）答：相位超前校正主要用于稳态精度已满足要求，噪声信号较小，但动态性能不能满足要求的系统。这是由于超前校正环节增大了相位裕量和带宽，而带宽的增大意味着调整时间的减少，响应速度的加快，但使系统对噪声信号更加敏感。 相位滞后校正主要用于提高系统的稳态精度。这是由于滞后校正环节高频段衰减快，即带宽减小，从而改善系统稳态精度。 相位滞后-超前校正主要用于既要提高系统的稳态精度，又要改善系统的动态性能的系统。20. 简述波特图的绘制步骤。 （5 分）答：采用自顶向下逐层分解的方法，先绘制顶层图，随后再逐层分解。21. 系统时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能？而稳态响应反映哪方面的性能？ （5 分）答：瞬态响应反映了系统的稳定性和响应的快速性两方面的性能；稳态响应反映了系统响应的准确性。