机械工程控制基础第五章.docx

1、机械工程控制基础 第五章 第五章简介：本章介绍了单输入单输出控制系统稳定性的定义及其判定依据。对于不同的系统，稳定性的定义不同。系统的稳定性指标是控制系统设计过程中需要考虑的众多性能指标中最重要的指标，不稳定的系统是无法使用的。主要包括赫尔维茨判据、劳斯判据、幅角原理、奈奎斯特稳定性判据等概念。重点是赫尔维茨稳定性判据和劳斯稳定性判据及其在系统分析中的应用。难点是应用复变函数的幅角原理推导奈奎斯特稳定性判据和对稳定裕度的理解。随堂测试：一、知识点名称1：控制系统稳定性的基本概念1. 是保证控制系统正常工作的先决条件。（）A稳定性 B快速性 C准确性 D连续性正确答案：A解析：不稳定的系统是无法

2、使用的。2. 是控制系统最重要的性能指标。（）A稳定性 B快速性 C准确性 D连续性正确答案：A解析：稳定性是控制系统最重要的性能指标知识点名称2：单输入单输出控制系统稳定的条件1.单输入单输出控制系统稳定的条件为（）A 特征方程根具有副实部 B特征方程根具有副实部 C极点位于复平面的右半部 D极点位于虚轴上正确答案：A解析：单输入单输出控制系统稳定的充分必要条件为特征方程根全部具有副实部2.某单位反馈系统的开环传递函数为,则该系统稳定的K值范围为（）A.K0 B.K1 C. 0K-1正确答案：A解析：其特征方程为，根据二阶螺丝准则和朱里准则，该系统稳定条件为；所以的K的取值范围为K0知识点名

3、称3：赫尔维茨稳定性判据 1.赫尔维茨矩阵的各项主子式行列式的值全部为正，是线性系统稳定的 条件。 （）A.充分 B 必要C充要 D 即不充分也不必要正确答案：C解析：线性系统稳定的充要条件赫尔维茨矩阵的各项主子式行列式的值全部为正.2.如果满足主子式 前提下，若所有 次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正，则所有 次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正。 （）A B C D 正确答案：B解析：如果满足条件，若所有奇次顺序赫尔维茨矩阵的主子式为正，则所有偶次顺序赫尔维茨矩阵的主子式必为正；反之亦然。知识点名称4：劳斯稳定性判1.将线性定常单输入单输出方程写成所有系数均为实数。则方程各项系数的符号一致与方程各项

4、系数非0是这个方程的根没有正实部的 条件。A.充分 B 必要C充要 D 即不充分也不必要正确答案：B解析：这个方程的根没有正实部的必要(但非充分)条件为：方程各项系数的符号一致 方程各项系数非02.劳斯判据只适用于特征方程是 的代数方程。A.实系数 B 虚系数C 正数 D 负数正确答案：A解析：赫尔维茨和劳斯判据均只适用于特征方程是实系数的代数方程。知识点名称5：幅角原理1. 是奈奎斯特稳定判据的数学基础。 （）A 幅角原理 B赫尔维茨定理C 劳斯判据 D 幅频特性正确答案：A解析：幅角原理是奈奎斯特稳定判据的数学基础。2.两个复数积的幅角等于它们的幅角 。 （）A 和 B差C 积 D商正确答

5、案：A解析：两个复数积的幅角等于它们的幅角和。知识点名称6：根据奈奎斯特图判断系统稳定性1. 下列判别系统稳定性的方法中，哪一个是在频域里判别系统稳定性的判据（ ）。A.劳斯判据 B.赫尔维茨判据C.奈奎斯特判据 D.根轨迹法正确答案：C解析：在频率中，奈奎斯特判据用来判断系统的稳定性。2.利用奈奎斯特稳定性判据判断系统稳定性时，Z=P-N中Z表示的意义为（）A开环传递函数零点在S左半平面的个数B开环传递函数零点在S右半平面的个数C闭环传递函数零点在S右半平面的个数D闭环特征方程的根在S右半平面的个数正确答案：D解析：在奈奎斯特稳定性判据中，Z表示闭环特征方程的根在S右半平面的个数知识点名称7

6、：根据伯德图判断系统的稳定性1.Bode图的低频段特性完全由系统开环传递函数中的积分环节数和 决定。 （A）A 微分环节 B比例环节C 振荡环节 D比例积分环节正确答案：A解析：Bode图的低频段特性完全由系统开环传递函数中的积分环节数和微分环节决定2.伯德图中的高频段反映了系统的（ ）。A稳态性能 B动态性能 C抗干扰能力 D以上都不是正确答案：A解析：Bode图的低频段特性完全由系统开环传递函数中的积分环节数和微分环节决定知识点名称8：系统的相对稳定性1.可以用 确定系统的相对稳定性。 （）A 相位裕度 B幅值裕度C幅频特性 D 相位裕度和幅值裕度正确答案：D解析：为了确定系统的相对稳定性

7、，相位裕度和幅值裕度必须同时给出2.对于最小相位系统，只有 时系统才是稳定的。 ( )A相位裕度为正 B 幅值裕度为正C相位裕度为负 D 相位裕度与幅值裕度均为正正确答案：D解析:只有相位裕度与幅值裕度均为正时，最小相位系统才是稳定的。负的稳定裕度时，系统是不稳定的。单元测试：一、单选（共40分，每题5分）1.劳斯判据应用于控制系统稳定性判断时是针对于（）A闭环系统的传递函数 B开环系统的传递函数C闭环系统中开环传递函数的特征方程 D闭环系统的特征方程正确答案：A解析: 劳斯判据应用的条件是闭环系统的传递函数2. 关于劳斯胡尔维茨稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据，以下叙述中正确的是（ ）A.劳斯

8、胡尔维茨判据属于代数判据，是用来判断开环系统稳定性的B.奈奎斯特判据属与几何判据，是用来判断闭环系统稳定性的C.奈奎斯特判据是用来判断开环系统稳定性的D.以上叙述均不正确正确答案：B解析: 奈奎斯特判据属于几何稳定性判据，是用来判断闭环系统稳定性的。3.一个单位反馈系统的开环传递函数为，当K增大时，对系统性能能的影响是（ ） A.稳定性降低 B.频宽降低 C.阶跃输入误差增大 D.阶跃输入误差减小正确答案：A解析:4.设计控制系统时，稳定性是 。（）A 不必判断 B绝对必要C 有时是必须的 D有时是必要的，根据系统而定正确答案：C解析:5.控制系统的稳定性与 有关。（）A系统的结构参数 B初始

9、条件C 干扰 D外部条件正确答案：A解析:稳定性是系统的一种固有属性，只与本身的结构参数有关6.单位负反馈系统的开环传递函数为，则闭环系统稳定的K值范围为（ ）A K-1 B K-2 C K-1；，则K-1;综上：K-17. 是评价系统稳定程度的指标。 （）A 稳定裕度 B 相位裕度C 幅值裕度 D相对稳定裕度正确答案：A解析: 稳定裕度是评价系统稳定程度的指标。8.值为 时，开环传递函数为的单位负反馈系统，气象为相位稳定裕度为。 （）A 0.84 B 0.85C 0.74 D 0.93正确答案：A解析: 因为 所以 =0.84二、多选（共40分，每题8分）1.关于系统稳定的说法正确的是（）A

10、线性系统稳定性与输入无关B线性系统稳定性与系统初始状态无关C非线性系统稳定性与系统初始状态无关D非线性系统稳定性与系统初始状态有关正确答案：A、B、D解析: 线性系统稳定性与输入无关；非线性系统稳定性与系统初始状态有关。2. 一个线性系统稳定与否不取决于（）A系统的结构和参数B系统的输入C系统的干扰D系统的初始状态正确答案：B、C、D解析:线性系统稳定与否只取决于系统本身的结构和参数。3.利用赫尔维茨判据，则系统稳定的充要条件不正确为：特征方程的各项系数均为 ；各阶子行列式都 。（）A 正、大于0 B 正、小于0C 负、大于0 D 负、小于0正确答案：B、C、D解析: 利用赫尔维茨判据，则系统

11、稳定的充要条件为：特征方程的各项系数均为正；各阶子行列式都大于零。4.下列哪项是不正确（）A赫尔维茨判据、劳斯判据又称为代数稳定性判据B奈奎斯特判据、劳斯判据又称为代数稳定性判据C赫尔维茨判据、奈奎斯特代数稳定性判据D赫尔维茨判据、奈奎斯特代数稳定几何性判据正确答案：B、C、D解析: 赫尔维茨判据、劳斯判据又称为代数稳定性判据5.下列说法不正确的有（）A 系统的稳定决定于特征方程的解B系统的稳定决定于微分方程的解C系统的稳定决定于积分方程的解D系统的稳定决定于微积分方程的解正确答案：B、C、D解析: 系统的稳定仅取决于特征方程的解。三、判断题（共20分，每题2分）、1.开环传递函数为的单位负反

12、馈系统是稳定的。（）正确答案：对解析：由赫尔维茨判定定理可以得出其满足稳定性条件。2.特征方程为的系统稳定时，K值取为K2.183. 劳斯阵列第一列元素符号改变次数就是特征方程中所包含的左根数目。 （）正确答案：错解析：劳斯阵列第一列元素符号改变次数就是特征方程中所包含的右根数目。4. 正半次穿越是对数相频特性曲线始于-180o向下。 （）正确答案：错解析：正半次穿越是对数相频特性曲线始于-180o向上。5. 最小相位系统，必须同时具有正幅值裕度和正幅值裕度，闭环系统稳定。 （）正确答案：对解析：由书上知识可知。6.奈奎斯特判据属于代数稳定性判据。（）正确答案：错解析：奈奎斯特判据属于几何稳定

13、性判据。7. 劳斯判据系统稳定性的充要条件是特征方程系数所组成的阵列第二列元素符号一致。正确答案：错解析：劳斯判据系统稳定性的充要条件是特征方程系数所组成的阵列第一列元素符号一致。8. 正穿越是相频特性由下而上穿过线。（）正确答案：错解析：正穿越是相频特性由下而上穿过线9.系统稳定时，只需要相位裕度为正即可。（）正确答案：错解析：系统稳定时，相位裕度和幅值裕度都必须为正。10. 系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定。 （）正确答案：对。解析：由书上知识可知。单元作业：1.系统稳定性的定义是什么？一个系统稳定的充分和必要条件又是什么？答：系统的稳定性是指系统在初始状态的作用下，由它引起的系统

14、的时间响应随时间的推移，逐渐衰减并趋向与零的能力。若随时间的推移，系统能回到平衡位置，则系统是稳定的；若随时间的推移，系统偏离平衡位置愈来愈远，则系统是不稳定的。系统稳定的充要条件是系统所有的特征根的实部区不小于零，或系统传递函数的所有极点金分布在S平面的左半平面内。2.奈奎斯特稳定判据的主要内容为什么？答：奈奎斯特判据：控制系统稳定的充要条件是奈奎斯特曲线逆时针包围（1，j0）点的圈数等于开环传递函数中右半S平面的极点数P，即N=P；否则闭环系统不稳定。3.什么是系统稳定裕度？答：稳定裕度是衡量系统稳定程度的指标。单元讨论试着梳理本章脉络和稳定性的概念及判定本章这是结构图 图1.知识结构图定

15、义数学定义判定特性备注系统在干扰作用下偏离平衡位置，当干扰撤除时，系统自动恢复到平衡位置的能力设线性系统在领初始条件下输入一个理想脉冲函数，相当于受到一个脉冲扰动。系统输出为单位脉冲响应函数。若，系统稳定；若，系统不稳定系统稳定的充要条件是系统的特征根全部落在S平面的左半部分（所有特征根均具有负实部）它是系统去掉扰动后本身自由运动性质，是系统的一种固有特性。对于线性系统，这种固有特性只取决于系统 的结构参数，而与初始条件及干扰作用无关若有部分闭环极点位于虚轴上，其余极点均位于S平面左半部，则零输入响应趋于幅振荡或恒定值，系统临界稳定，实不可取的，很容易因为系统的结构或参数细微变化转化成不稳定的系统