2010江苏大学硕士研究生入学考试 自动控制理论(附答案)一、(20分)系统由下列微分方程组描述:[]1132331223(()()dx k r t x dtdr t x dtdx T x x x dt dc t k x dtβτ==+=+=)-c(t)-式中,()r t 是输入量,()c t 是输出量,x 1、x 2、x 3为中间变量,τ、β、k 1、k 2为常数。
试画出系统的结构图,并求出传递函数()()s R s C 。
二、(15分)图(a)所示系统的单位阶跃响应曲线如图(b )所示,试确定系统参数k 1、k 2和a 。
(a)0.1(b)三、(20分)系统结构图如图所示,要求当()r t t =时稳态误差0.5ss e <,且具有1σ=的稳定裕度(所有闭环极点的实部均小于1-),试确定k 的取值范围。
四、(20分)(含现代部分专业的考生不做,其它专业考生做)控制系统结构如图所示,试绘制以τ为参变量的根轨迹(0τ=→∞),并讨论τ逐渐增大对系统动态过程的影响。
五、(15分)系统结构如图(a),1(G s )的频率特性曲线如图(b),试确定下列情况下为使闭环系统稳定,比例环节的比例系数k1的取值范围。
(1)1(G s )在右半s 平面上没有极点; (2)1(G s )在右半s 平面上有一个极点; (3)1(G s )在右半s 平面上有二个极点。
(a)六、(20分)某单位反馈系统的开环传递函数为k(G s )=s(s+1),若要求系统的开环截止频率 4.4/c rad s ω≥,相角裕度45oγ'≥,系统在单位斜坡信号作用下的稳态误差0.1ss e =,试确定校正方式,并写出校正装置的传递函数。
七、(20分)(含现代部分专业的考生不做,其它专业考生做)一非线性系统如下,输入单位阶跃信号 (1)在e e -平面上大致画出相轨迹; (2)判断系统的稳定性;(3) 确定系统的稳态误差()e ∞。
八、(20分)采样系统结构如图所示,试分别讨论当2k =、3k =时系统的稳定性。
2211,(1)aTz Tz Z Z s a z e s z -⎡⎤⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎢⎥+--⎝⎭⎝⎭⎣⎦九、(10分)(含现代部分专业的考生做,其它专业考生不做)系统的状态转移矩阵为22223233()4443t tt t ttt te e e e t e ee e --------⎡⎤--Φ=⎢⎥--⎣⎦,试求1()t -Φ及系统矩阵A 。
十、(12分)(含现代部分专业的考生做,其它专业考生不做) 线性定常离散系统在零输入下的状态方程为01(1)()10X k X k ⎡⎤+=⎢⎥-⎣⎦,0e X =是其平衡状态,试确定平衡状态的稳定性。
十一、(18分)(含现代部分专业的考生做,其它专业考生不做)线性定常系统的传递函数为(10(s)(1)(2)Y s U s s s =++),今采用状态反馈使系统极点配置在12s =-,21s j =-+,31s j =--,试确定状态反馈矩阵K ,并画出闭环系统的结构图参考答案一、113231223()[()()()]()()1()[()()](1)()()K X R s C s X s sX sR s X X s X s Ts KC s X s s βτ=--==++=s s sR(221232112()()K s K KC sR s Ts s K s K Kτβ+=+++二、由(b)图知2() 3 3C K∞=∴=2143%100%100%33.3%0.3230.133.121096.6 221.2p nn netK aσξωωξω-=⨯=⨯=→===→=====三、110,0.5,2010vvKK ess KK K===<>又系统特征方程为:210(4)(5)KS S S+=++即:3292020S S S K+++=令1s z=-得:32652120z z z K+++-=必须212056212KK->⎧⎨⨯>-⎩即:621K<<∴满足题意要求的K值范围为:2021K<<四、系统的特征方程为:2210100S S sτ+++=可变换为:21100210SS Sτ+=++等效的:()10(13)(13)KsG ss j s jτ'=+++-在参数τ下,系统的开环零点为:10z-=开环极点为:1,213P j-=-±根轨迹的分离点:由()()()()0N s D s D s N s''-=得2100s-=1 3.16S ==-此时0.432τ=2S =(不合,舍)出射角:1180108.490198.4p θ-=+-= 相应根轨迹如右图(1) 0τ=时,系统的阻尼系数较小(0.316ξ=)振荡比较剧烈。
(2) 00.432z <<时,随着τ的增大,闭环极点逐渐向实轴移动,系统阻尼增大,振荡逐渐减小。
(3) 0.432τ≤<∞闭环极点为负实数0.432τ=系统处于临界阻尼状态(1ξ=)阶跃响应无振荡,若τ值进一步增大,系统的阻尼系数1ξ>,阶跃响应过程越来越迟缓。
五、(1) 这时应使N=0则应有:11111117532K K -<<<<及 (2) 这时应使N=-1则应有:1117K <-(3) 这时应使N=-2则应有:11111532K K <<>及六、10.1,10ssv B e K K K====原系统伯德图为:1ω=时()20lg 20L K dB ω==40lg20 3.161cc ωω=∴≈1180(90 3.16)17.5645tg γγ-'=+--=<= 需校正(L ω0而 4.4c cωω'<≥故不能用滞后校正 现采用串联超前校正,取 4.4cω'=, 则 4.4()40lg 5.75()3.16cL dB ω'=-=- 10lg () 5.75() 3.76ca L dB a ω'=-=→=又4.40.117m c T ωω'===→== 检验:1111180()18090 4.4sin 48.2451cm a tg a γϕωϕ---'=++=--+=>+ ∴校正装置的传递函数为:110.44()110.117c aTS sG s TS s++==++ 七、当0.50.12e m e ≤=时0.54,,c c m e r c c r e '''+==-=-有0.50.480.5e e r r ''''''++=+当()1(), 0 (0)z t t r r t '''===>时:20.960e e e '''∴++=有0.5280e ee e '''>++=当时有:根据0,00,e e e '''===得奇点都在原点但1,20.820.5, 1.22e S -⎧-±≤==⎨-⎩时特征根 奇点为稳定节点 1,220.5,12e S ->==-±时特征根 奇点为稳定焦点(1) 可大致画出相轨迹如下: (2) 系统是稳定的 (3) ()0e ∞=e八、由图得系统的开环脉冲传递函数为:2221112112111111()(1)11(1)1(12)0.370.26(1) 1.370.37K z z G z K Z K Z z s s z s s s z zz z K z z z e z e z e z K Kz e z e z z -----⎡⎤--⎛⎫⎛⎫⎡⎤==++ ⎪ ⎪⎢⎥⎢⎥++⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎡⎤-⎛⎫=+- ⎪⎢⎥---⎝⎭⎣⎦+-+==-++-+系统特征方程为:1()0K G z +=即:2(1.370.37)0.370.260z z K K --++=当K=2时,求得其根为:1,20.3150.889z j =±它们均位于单位园内,故系统是稳定的。
当K=3时,求得其根为:1,20.31 1.064z j =±它们均位于单位园外,故系统已经不稳定的。
九、221223233()()4443t tt t t tt t e e e e t t e ee e φφ-⎡⎤--=-=⎢⎥--⎣⎦22220343613(0)424846t tt t t tt t t e e e e A e ee e φ--------=⎡⎤-+-+⎡⎤===⎢⎥⎢⎥-+-+⎣⎦⎣⎦ 十、根据1001TG PG P Q Q ⎡⎤-=-=-⎢⎥⎣⎦取 1112111212221222221112121122010110101001210201p p p p p p p p p p p p p p --⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤-=--⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦---⎡⎤⎡⎤=---⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦12112222112011p p p p p =⎧⎪-=⎨⎪-=⎩ 无解∴平衡状态不是渐近稳定的 (在经典控制理论中,这种情况属于不稳定)十一、原系统的传递函数没有原极点对消,说明系统是能控的,可用状态反馈任意配置系统的极点。
原系统的特征多项式为:32()(1)(2)32f s s s s s s s =++=++期望特征多项式为: 32()(2)(1)(1)464f s s s j s j s s s *=++++-=+++ 若按能控规范型实现,则反馈阵为[][]406243441K =---=相应结构图如下:r1s(注:可编辑下载,若有不当之处,请指正,谢谢!)。