考研851 自动控制原理
题库 · 简答题库 · p.32

考虑因素:截止频率,相角裕度;

19、简述奈奎斯特稳定判据

奈奎斯特稳定判据:若奈奎斯特曲线不穿过\((-1,j0)\),且逆时针包围临界点\((-1,j0)\)的圈数\(R\)等于开环传递函数的正实部极点数\(P\),此时系统闭环稳定,否则不稳定。

20、一控制系统结构如图,说明该闭环系统的超调量、峰值时间、带宽与 K,T 间的关系。

图:第20题系统结构图(SVG,按解析反推重建)

图注:此图按解析文字反推重建,非原卷扫描图。 原卷此处的方框图未被扫入。重建依据:解析明确写出开环传递函数 \(G(s)=\dfrac{K/T}{s(s+1/T)}=\dfrac{K}{s(Ts+1)}\),并直接按标准二阶闭环形式取 \(2\zeta\omega_n=\dfrac1T\)\(\omega_n^2=\dfrac KT\)——这只在单位负反馈下成立,故拓扑被唯一确定。若原图实含非单位反馈环节,本图不适用。

结构图(方框图,文字还原): 输入 \(R(s)\) 进入比较点的正输入端;比较点输出误差 \(E(s)\)\(E(s)\) 送入前向通道唯一环节 \(\dfrac{K}{s(Ts+1)}\)(一个积分环节串一个惯性环节);该环节输出即 \(C(s)\)\(C(s)\) 由引出点直接(增益为 1,无环节)反馈到比较点的负输入端。即:单位负反馈的典型二阶系统。

解析:由图可知传递函数为:

\[G(s)=\dfrac{\dfrac{K}{T}}{s\left(s+\dfrac{1}{T}\right)}\]

故:

\[2\zeta\omega_n=\dfrac{1}{T},\ \omega_n^2=\dfrac{K}{T}\]

解得:

\[\omega_n=\sqrt{\dfrac{K}{T}},\ \zeta=\dfrac{1}{2\sqrt{KT}}\]

超调量:

\[\sigma\%=e^{-\dfrac{\xi\pi}{\sqrt{1-\xi^2}}}\times100\%=e^{-\dfrac{\pi}{\sqrt{4KT-1}}}\times100\%\]

又:

\[\omega_d=\omega_n\sqrt{1-\xi^2}=\dfrac{\sqrt{4KT-1}}{2T}\]

所以峰值时间:

\[t_p=\dfrac{\pi}{\omega_d}=\dfrac{2\pi T}{\sqrt{4KT-1}}\]

带宽公式:\(w_b=w_n\left((1-2\varepsilon^2)+\sqrt{(1-2\varepsilon^2)^2+1}\right)^{\frac{1}{2}}\),代入\(\omega_n=\sqrt{\dfrac{K}{T}},\ \zeta=\dfrac{1}{2\sqrt{KT}}\)即可。

Ps:二阶系统带宽公式见胡寿松第七版 P233,公式复杂且过于冷门,一般没有考生会刻意去记。

21、在工程实际中,常用输入-输出的实际方法判断系统是否为线性系统,说明系统在正弦输入信号作用下,如何判别该系统为线性系统还是非线性系统?

解析:施加正弦输入,测量输出的频率,若输出频率不变,则为线性系统;若输出频率发生畸变,则为非线性。

22、用 Bode 图说明系统延迟环节 \(e^{-\tau s}\) 对系统产生的影响。

解析:举例:

\[G(s)=\dfrac{10}{s(s+1)}\]

绘制 bode 图如下: