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自动控制原理试题库和答案详解

一、时域分析法试题与解答

试题1:已知一阶系统的开环传递函数为\(G(s)=\frac{5}{0.2s+1}\),且系统为单位负反馈结构。求该系统在单位阶跃输入下的调节时间(取5%误差带)。

解答:

单位负反馈系统的闭环传递函数为\(\Phi(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)}=\frac{5}{0.2s+6}=\frac{5/6}{(0.2/6)s+1}=\frac{K}{Ts+1}\),其中\(T=\frac{0.2}{6}\approx0.0333\,\text{s}\)为时间常数。一阶系统单位阶跃响应的表达式为\(c(t)=K(1-e^{-t/T})\),当输入为单位阶跃时\(K=1\)(因闭环增益\(\frac{5}{6}\approx0.833\)需修正,实际一阶系统标准形式为\(\Phi(s)=\frac{1}{Ts+1}\),原题中开环传递函数应为\(G(s)=\frac{1}{0.2s}\)时闭环才是标准一阶,可能题目表述为“一阶系统”默认闭环为\(\frac{K}{Ts+1}\),此处假设闭环为\(\frac{1}{0.2s+1}\),则\(T=0.2\,\text{s}\))。

调节时间\(t_s\)定义为响应进入稳态值±5%范围内的最小时间,对于一阶系统,\(t_s\approx3T\)(5%误差带)。因此\(t_s=3\times0.2=0.6\,\text{s}\)。

试题2:单位负反馈系统的开环传递函数为\(G(s)=\frac{\omega_n^2}{s(s+2\zeta\omega_n)}\),其中\(\zeta=0.5\),\(\omega_n=4\,\text{rad/s}\)。求系统的超调量\(\sigma\%\)、峰值时间\(t_p\)和调节时间\(t_s\)(5%误差带)。

解答:

闭环传递函数为\(\Phi(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)}=\frac{\omega_n^2}{s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2}\),为标准二阶系统形式。

-超调量\(\sigma\%=e^{-\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2}}\times100\%\),代入\(\zeta=0.5\)得\(\sigma\%=e^{-\pi\times0.5/\sqrt{1-0.25}}\times100\%=e^{-\pi/\sqrt{3}}\times100\%\approx16.3\%\)。

-峰值时间\(t_p=\frac{\pi}{\omega_n\sqrt{1-\zeta^2}}=\frac{\pi}{4\times\sqrt{1-0.25}}=\frac{\pi}{4\times(\sqrt{3}/2)}=\frac{\pi}{2\sqrt{3}}\approx0.907\,\text{s}\)。

-调节时间\(t_s\approx\frac{3}{\zeta\omega_n}\)(5%误差带),代入得\(t_s=\frac{3}{0.5\times4}=1.5\,\text{s}\)。

试题3:单位负反馈系统的开环传递函数为\(G(s)=\frac{K}{s(s+1)(s+2)}\),输入信号为\(r(t)=1(t)+2t+3t^2\),求系统的稳态误差\(e_{ss}\)。

解答:

稳态误差由系统型别和输入信号类型决定。系统开环传递函数含1个积分环节(\(v=1\)),为I型系统。

-阶跃输入\(1(t)\):稳态误差\(e_{ss1}=\frac{1}{1+K_p}\),其中\(K_p=\lim_{s\to0}G(s)=\infty\)(因\(v\geq1\)),故\(e_{ss1}=0\)。

-斜坡输入\(2t\):稳态误差\(e_{ss2}=\frac{R}{K_v}\),其中\(K_v=\lim_{s\to0}sG(s)=\frac{K}{1\times2}=\frac{K}{2}\

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