自动控制原理例题详解-线性离散控制系统的分析与设计考试题及答案

----------2007--------------------一、(22分)求解下列问题： 1. (3分)简述采样定理。

解：当采样频率s ω大于信号最高有效频率h ω的2倍时，能够从采样信号)(*t e 中 完满地恢复原信号)(t e 。

（要点：h s ωω2>）。

2．(3分)简述什么是最少拍系统。

解：在典型输入作用下，能以有限拍结束瞬态响应过程，拍数最少，且在采样时刻上无稳态误差的随动系统。

3．(3分)简述线性定常离散系统稳定性的定义及充要条件。

解：若系统在初始扰动的影响下，其输出动态分量随时间推移逐渐衰减并趋于零，则称系统稳定。

稳定的充要条件是：所有特征值均分布在Z 平面的单位圆内。

4．（3分）已知X(z)如下，试用终值定理计算x (∞)。

)5.0)(1()(2+--=z z z zz X解： 经过验证(1)X()z z -满足终值定理使用的条件，因此，211x()lim(1)X()lim20.5z z zz z z z →→∞=-==-+。

5．(5分)已知采样周期T =1秒，计算G (z ) = Z [G h (s )G 0(s ) ]。

)2)(1(1e 1)()()(0++-==-s s s s G s G s G Ts h解：111121111(1)(1e )()(1)Z[](1)()s s 11e (1e )e z z z G z z z z z z z --------=--=--=+---++6．(5分) 已知系统差分方程、初始状态如下：)k (1)(8)1(6)2(=++-+k c k c k c ，c(0)=c(1)=0。

试用Z 变换法计算输出序列c (k )，k ≥ 0。

解：22()6()8()()()(1)(68)3(1)2(2)6(4)1(){2324},06k k z C z C z C z R z z z z zC z z z z z z z c k k -+===-+--+---=-⨯+≥ 二、（10分）已知计算机控制系统如图1所示，采用数字比例控制()D z K =，其中K >0。

设采样周期T =1s ，368.0e 1=-。

注意，这里的数字控制器D (z )就是上课时的()c G z 。

(i X s )z 图11．（5分）试求系统的闭环脉冲传递函数()()o i X z X z ； 2．（5分）试判断系统稳定的K 值范围。

解：1.101111111()(1)(1)11(1)1(1)()1e 11e 1e G G z z Z s s z Z s s z z z z z z z e z -------⎡⎤=-⎢⎥+⎣⎦⎡⎤=--⎢⎥+⎣⎦=-----=---=-1101011111111e ()()e 1e ()1()1e (1e )(e )(1e )(1e )e e oi K X z KG G z z X z KG G z K z K z K K z K K ------------==-++--=-+--=-+- 2．（5分）特征方程为 11e e0z K K ---+-=特征根为11e e z K K --=-+ 欲使系统稳定，需满足条件 11e e 1z K K --=-+<则使系统稳定的K 值范围为0 2.16K <<三、(8分)设数字控制系统的框图如下已知)0067.01)(6065.01)(1()5355.01)(4815.11(7385.0)(111111---------++=z z z z z z z G ，T = 0.5秒，设计响应单位阶跃输入信号时的最少拍系统(要求给出Gc (z )及C (z )、E (z) )。

解：选取11()(1)(1b )e z z z Φ--=-+、11()(11.4815)z az z Φ--=+；(z)1()0.403,0.597e z a b ΦΦ=-⇒== （4分）1111()0.5457(10.6065)(10.0067)()()()(10.597)(10.05355)c e z z z G z G z z z z ΦΦ------==++； 1111()()()0.403(11.4815)1C z z R z z z z Φ---==+-； 1111()()()(1)(10.597)1e Ez z R z z z zΦ---==-+- （4分） R (z C (z )2007补考一、求解下列问题：1．(3分) 简述离散系统与连续系统的主要区别。

解：连续系统中，所有信号均为时间的连续函数；离散系统含有时间离散信号。

2．(3分) 简述线性定常离散系统的脉冲传递函数的定义。

解：在系统输入端具有采样开关，初始条件为零时，系统输出信号的Z 变换与输入信号的Z 变换之比。

3．(3分) 简述判断线性定常离散系统稳定性的充要条件。

解：稳定的充要条件是：所有特征值均分布在Z 平面的单位圆内。

4．(5分) 设开环离散系统如图所示，试求开环脉冲传递函数)(z G 。

解： 22522510252510()[][]25e e (e e )eT T T T Tz z z G z Z Z s s z z z z -----=⨯==++---++ 5．(5分) 已知系统差分方程、初始状态如下：0)(2)1(3)2(=++++k c k c k c ，c(0)=0，c(1)=1。

试用Z 变换法计算输出序列c (k )，k ≥ 0。

解：221112()3()2()()32()(1)(2),021k k kkz z zz C z zC z C z z C z z z z z z z c k k z z --=-=-++=⇒=++=+=---≥++二、（10分）已知系统结构如下图所示采样周期T = 0.25秒，0.5e ()s K G s s -=，1e ()Tsh G s s--=， r (t )=t 。

1．（5分）试求系统的闭环脉冲传递函数；2．（5分）试判断系统稳定的K 值范围。

解： 2.52 2.5 2.52(1e )0.393()(1e )e 1.6070.607T T T K z K zG z z z z z ----==-++-+； 闭环脉冲传递函数为： ()()1()G z z G z Φ=+；闭环特征方程为：0607.0)607.1393.0(2=+-+z K z ；)稳定条件：D (1) = 0.393 K > 0；(-1)2D (-1) =3.214 - 0.393K > 0； 得到0 < K < 8.178。

三、(8分)设数字控制系统的框图如下:已知)6.01)(1()53.01(47.0)(1111------+=z z z z z G ，T = 0.5秒，设计响应斜坡输入信号r (t ) = t 时的最少拍系统(要求给出Gc (z )及C (z )、E (z) )。

解：选取12()(1)e z z Φ-=-、12()2z z z Φ--=-；211)1/()(---=z z z R1111()2(10.6)(1-0.5)()()()0.74(10.53)(1)c e z z z G z G z z z z ΦΦ-----==+-； 21122(10.5)()()()(1)z z C z z R z z Φ----==-； 1()()()e E z z R z z Φ-==——————————————2008——————————————一、2．(3分) 写出脉冲序列*()x t 及其Z 变换X (z )的表达式。

解：*00()()()()()n nn x t x nT t nT X z x nT z δ∞=∞-==-=∑∑3．(3分) 写出离散系统稳态位置误差、速度误差、加速度误差系数表达式。

解：1lim[1()]p z K G z →=+ (1分)1lim(1)()v z K z G z →=- (1分)21lim(1)()a z K z G z →=- (1分)4．(3分) 写出输出采样信号的Z 变换C (z )。

解：()()1()G z C z R z HG z =+() (3分)R (z C (z )7．(5分) 已知)(t x 的拉氏变换为)()(a s s as X +=, 求)(t x 的Z 变换。

解：11()11(1e )()[][]1e (1)(e )aTaT aT X s s s az z z X z Z Z s s a z z z z ---=-+-=-=-=+---- (5分) 8．(5分) 已知差分方程、初始状态及输入，试用Z 变换法计算输出序列c (k )。

(2)5(1)6()()c k c k c k r k +-++=；(0)(1)0c c ==；()1(),0r k k k =>。

解：2()5()6()()z C z zC z C z R z -+=，()1zR z z =- 2()(1)(56)(1)(2)(3)2(1)(2)2(3)11()23022k k z z z z zC z z z z z z z z z z c k k ===-+--+------=-+⋅≥ (5分)二．（9分）设离散系统的方框图如下图所示，设采样周期T =0.1s ，368.0e 1=-。

⊗()R s T-1．（5分）试求系统的闭环脉冲传递函数； 2．（4分）试判断系统稳定的K 值范围。

1.系统的开环传递函数为101010221011()(10.1)(10)10(1e )1e (1)(e )0.6321.3680.368()0.632()1()(0.632 1.368)0.368T T TK G z Z KZ K s s s s s s z z Kz K z z z z Kz z z G z Kzz G z z K z Φ---⎡⎤⎡⎤⎡⎤===-⎢⎥⎢⎥⎢⎥+++⎣⎦⎣⎦⎣⎦-⎡⎤=-=⎢⎥----⎣⎦=-+==++-+ 2．闭环系统的特征方程为：2()(0.632 1.368)0.3680D z z K z =+-+= （1分） 方法一：11w z w +=-，w 域特征方程为： 20.632 1.264(2.7360.632)0Kw w K ++-=列出劳斯表：2100.632 2.7360.6321.2642.7360.632w K Kw w K--欲使系统稳定K 需满足：0.63200 4.332.7360.6320K K K >⎧⇒<<⎨->⎩（3分）方法二：利用朱利稳定判据判断：0.3681(1)0.63200 4.33(1) 2.7360.6320D K K D K ⎧<⎪=>⇒<<⎨⎪-=->⎩ （3分）三．(8分) 设数字控制系统的框图如下⊗()R z -已知1111110.761(10.046)(1 1.134)()(1)(10.135)(10.183)z z z G z z z z ------++=---，T = 1秒， 设计()1()r t t =时的最少拍系统（要求给出数字控制器()c G z 及相应的C (z )、E (z ) )。