机械工程控制基础知识点
●控制论的中心思想：它抓住一切通讯和控制系统所共有的特点，站在一个更概括的理论高度揭示了它们的共同本质，即通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。
机械工程控制论：是研究机械工程技术为对象的控制论问题。（研究系统及其输入输出三者的动态关系）。
机械控制工程主要研究并解决的问题：（1）当系统已定，并且输入知道时，求出系统的输出(响应)，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。（2）当系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要求，即系统的最佳控制。（3）当输入已知，且输出也是给定时，确定系统应使得输出金肯符合给定的最佳要求，此即●最优设计。（4）当系统的输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识。（5）当系统已定，输出已知时，以识别输入或输入中得有关信息，此即滤液与预测。
●信息：一切能表达一定含义的信号、密码、情报和消息。
信息传递/转换：是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递。
信息的反馈：是把一个系统的输出信号不断直接地或经过中间变换后全部或部分地返回，再输入到系统中去。如果反馈回去的讯号（或作用）与原系统的输入讯号（或作用）的方向相反（或相位相差180度）则称之为“负反馈”；如果方向或相位相同，则称之为“正反馈”。
●系统：是指完成一定任务的一些部件的组合。
控制系统：是指系统的输出，能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的。
开环系统：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的。闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用，或者说，系统中存在反馈的回路。
开环系统与闭环系统的区别：开环系统构造简单，不存在不稳定问题、输出量不用测量，开环系统对系统悟空制作用；闭环系统有反馈、控制精度高、结构复杂、设计时需要校核稳定性，对系统有控制作用。
线性系统：系统的数学模型表达式是线性的系统。
线性的定常系统：用线性常微分方程描述的系统。线性时变系统：描述系统的线性微分方程的系数为时间的函数。非线性系统：用非线性方程描述的系统。
线性系统与非线性系统的区别：线性系统可以运用叠加原理，而非线性系统不能运用叠加原理。系统的稳定性能主要取决于系统的型次和开环增益，而系统的瞬态性能主要取决于系统零点、极点分布。
●拉氏变换的线性性质：它是一个线性变换，若有常数KK，函数f(t1),f(t2),则
L[K1f1(t)+K2f2(t)]=K1L[f1(t)]+K2L[f2(t)]=K1F1(s)+K2F2(s)。
●终值定理的应用条件：若函数f（t）及其一阶导数都是可拉氏变换的，并且除在原点处唯一的极点外，sF（s）在包括含jw轴的右半s平面内是解析的，这就意味着当t趋近与无穷时f（t）趋于一个确定的值，则函数f（t）的终值为limf（t）=limF（s）。
求拉氏反变换的方法：（1）查表法；（2）有理函数法；（3）部分分式法。
在单输入—单输出系统的瞬态响应分析或频率响应分析中，采用的是传递函数标识的数学模型，另一方面，在现代控制理论中，数学模型则采用状态空间表达式。
●数学模型：是系统动态特性的数学表达式。建立数学模型是分析、研究一个动态特性的前提。一个合理的数学模型应以最简化的形式，准确地描述系统的动态特性。
建立系统的数学模型的方法：分析法和实验法。
●叠加原理：是系统在几个外加作用下所产生的响应，等于各个外加作用单独作用的响应之和。
●机械运动的三要素：质量、阻尼和弹簧。
直线运动的三要素：质量、弹簧和粘性阻尼。
●基尔霍夫电流定律：若电路有分支路，它就有节点，则汇聚到某节点的所有电流之代数和应等于零（即所有流出节点的电流之和等于所有流进节点的电流之和）。基尔霍夫电压定律：电网络的闭合回路中电势的代数和等于沿回路的电压降的代数和。
●传递函数：线性定常系统的传递函数，是初始条件为零时，系统输出的拉氏变换比输入的拉氏变换。
传递函数的主要特点：（1）传递函数反映系统本身的动态特性，只与系统本身的参数有关，与外界输入无关；（2）对于物理可实现系统，传递函数分母中s的阶次n必不少于分子中s 的阶次m，即n》m；（3）传递函数的量纲是根据输入量和输出量来决定。
传递函数相同可以是不同类型的系统的原因：传递函数不说明系统的物理结构，不同的物理结构系统，只要其动态特性类同，可以用同一类型的传递函数来描述。
传递函数的典型环节：（1）比例环节K；（2）积分环节1/s；（3）微分环节s；（4）惯性环节1/（Ts+1）；（5）一阶微分环节Ts+1；（6）振荡环节1/(T2s2+2ζTs+1)；（7）二阶微分环节T2s2+2ζTs+1；（8）延时环节e-τs。
●方块图：是系统中各环节的功能和信号流向的图解表示方法。
方块图的简化法则：（1）前向通道的传递函数保持不变；（2）各反馈回路的传递函数保持不变。
●响应时间响应：机械工程系统在外加作用激励下，其输出量随时间变化的函数关系称之为系统的时间响应，通过时间响应的分析可以揭示系统本事的动态特性。任一系统的时间响应都是由瞬态响应和稳态响应两部分组成。
瞬态响应：系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终状态的响应过程。
稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态。
频率响应：是系统对正弦输入的稳态响应。
系统时间响应的瞬态响应和稳态响应反映的性能：瞬态响应反映了系统的稳定性和响应的快速性等方面的性能，而稳态响应反映了系统响应的准确性。
定义系统瞬态响应（过渡过程）的性能指标的前提：（1）系统在单位阶跃信号作用下的瞬态响应；（2）初始条件为零。即在单位阶跃输入作用前，系统处于静止状态，输出量及其各阶跃导数均等于零。
一阶系统的单位阶跃响应曲线中的T指的是系统的输出由0上升到稳态值某百分数时所需的时间。
一阶系统的时间常数T是重要的特征参数，它表征了系统过渡过程的品质，T愈小，则系统响应愈快，即很快达到稳定值。
二阶系统的单位阶跃响应：（1）欠阻尼情况（0<ζ<1）；（2）临界阻尼情况（ζ=1）；（3）过阻尼情况（ζ>1）；无阻尼情况（ζ=0）。
典型二阶系统（当0<ζ<1, ζ=0, ζ>1或=1时）在单位阶跃输入信号作用下的输出响应的特性：0
●机械工程系统的性能要求：稳定性、准确性及灵敏性。
系统的性能指标：（1）时域性能指标，它包括瞬态性能指标（即延迟时间td、上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量Mp、调整时间ts）和稳态性能指标（即稳态误差ess）。（2）频域性能指标，它包括相位裕量γ、幅值裕量Kg、截止频率ωb及频宽（简称带宽）0~ωb、谐振频率ωr及谐振峰值Mr。参量ζ，ωn与各性能指标间的关系：（1）若保持ζ不变而增大ωn则不影响超调量Mp，但延迟时间td，峰值时间tp及调整时间ts均会减小。（2）若保
持ωn不变而改变ζ，减少ζ，虽然td，tr和tp均会减小，但超调量Mp和调整时间ts（在ζ<0.7范围内）却会增大，灵敏性好但相对稳定性差，ζ过于大，ζ>1，则tr，ts均会增大，系统不灵敏。（3）当ζ=0.7时，Mp，ts均小，这时Mp=4.6%，=0.7为最佳阻尼比。
二阶欠阻尼系数a，wn与性能指标Mp(超调量)、ts(调整时间)的关系：二阶欠阻尼系统若a 不变，增大或减小wn，则超调量Mp不变，调整时间ts减小（或增大）；若wn不变，增大（或减小）a，则超调量Mp减小（或增大），调整时间ts减小（增大）。
●系统的误差：即H（s）=1时，输入信号与输出信号之差，Eˊ（s）=R（s）—C（s）。
稳态误差：是误差信号的稳态分量，用ess表示。
影响系统稳态误差的因素：系统的类型λ、开环增益K和输入信号R（s）。
欲降低由输入和干扰信号引起的稳态误差，采用的措施有何不同：欲降低由输入信号引起的稳态误差，应提高系统开环放大倍数或在系统中增加积分环节（提高系统型次）；欲降低由于干扰信号引起的稳态误差，应在干扰信号作用点之前的前通道中增加放大倍数或增加积分环节。
●系统分析：当系统已定，并且输入知道时，求出系统的输出（响应），并且通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。
●机械系统的动柔度和动刚度：若机械系统的输入为力，输出为位移（变形），则机械系统的频率特性就是机械系统的动柔度；机械系统的频率特性的倒数就是机械系统的动刚度。
●频率特性的图形表示方法：（1）传递函数或称伯德图（2）极坐标图或称乃奎斯特图（3）对数幅-相图。
频率特性和传递函数的关系：若系统的传递函数为G（s），则相应系统的频率特性为G（jw），即将传递函数中得s用jw代替。
系统频率特性的截止频率：是指系统闭环频率特性的幅值下降到其零频率幅值以下3dB时的
频率。
控制系统开环频率特性的三个频段，各自反映系统的性能：一般将系统开环频率特性的复制穿越频率wc看成是频率响应的中心频率，把w《wc的频率范围称为低频段；把wc附近的频率范围称为中频段；把w》wc的频率范围称为高频段。开环频率特性的低频段反映了控制系统的稳态性能；中频段反映了控制系统的动态性能；高频段反映了控制系统的抗高频干扰性能和系统的复杂性。
●对数坐标图的主要优点：（1）可以将幅值相乘转化为幅值相加，便于绘制多个环节串联组成的系统的对数频率特性图。（2）可采用渐近线近似的作用方法绘制对数幅频图，简单方便，尤其是在控制系统设计、校正及系统辨识等方面，优点更为突出。（3）对数分度有效地扩展了频率范围，尤其是低频段的扩展，对工程系统设计具有重要意义。
●绘制系统的伯德图的一般步骤：（1）由传递函数求出频率特性并将其化为若干典型环节频率特性相乘的形式；（2）求出各典型环节的转角频率、阻尼比a等参数；（3）分别画出各典型环节的幅频曲线的渐近线和相频曲线；（4）将各环节的对数幅频曲线的渐近线进行叠加得到系统幅频曲线的渐近线并对其进行修正；（5）将各环节相频曲线叠加，得到系统的相频曲线。
●系统类型和对数幅频曲线之间的关系：在频域中，系统的类型确定了系统对数幅频曲线低频段的斜率，即静态误差系数描述了系统的低频性能。
●乃奎斯特图的特点：（1）当ω=0时，乃奎斯特图的起始点取决于系统的型次。（2）当ω=∞时，若n>m，乃奎斯特图以顺时针方向收敛于原点，即幅值为零，相位角与分母和分子的阶次之差有关。（3）当G（s）含有零点时，其频率特性G（jω）的相位将不随ω增大单调减，乃奎斯特图会产生“变形”或“弯曲”，具体画法与G（jω）各环节的时间常数有关。
●最小相位系统：传递函数G（s）的所有零点和极点均在S平面的左半平面上的系统。特
点：对于最小相位系统而言，当频率从零变化到无穷大时，相位角的变化范围最小，当ω=∞时，其相位角为—（n—m）×90°。
最小相位系统与非最小相位系统的对数频率特性的异同：最小相位与非最小相位系统的对数幅频特性相同，两者对数相频特性不同，非最小相位系统的相角变化绝对值比最小相位系统相角变化绝对值大。
●一个系统稳定的必要和充分条件是其特征方程的所有的根都必须为负实数或为具有负实部的负数。亦即稳定系统的全部根si均应在复平面的左半平面。
●判断定常系统是否稳定的方法：劳斯判据；胡尔维茨判据；乃奎斯特稳定性判据；根轨迹法。
●劳斯-胡尔维茨稳定性判据的根据：利用特征方程式的根与系统的代数关系，由特征方程中的已知系数间接判断出方程的根是否具有负实部，从而判断系统是否稳定。
●设系统的特征方程式为4s4+6s3+5s2+3s+6=0，试判断系统系统的稳定性。答：各项系数为正，且不为零，满足稳定的必要条件。列出劳斯数列：s4 4；s3 6 3；s2
3 6；s1 -25/3；s0 6。所以第一列有符号变化，该系统不稳定。
●劳斯稳定判据和乃奎斯特稳定判据的区别：（1）在使用方法上的区别：劳斯判据是利用系统闭环特征方程的系统做成劳斯表，根据劳斯表首列元素的符号来判断闭环系统的稳定性，是一种代数方法；而乃奎斯特判据则是利用系统开环频率特性，由开环频率特性图判断闭环系统的稳定性，属于频率特性分析方法。（2）在功能上的区别：劳斯判据只能判断闭环系统稳定与否，而乃奎斯特判据不仅能判断闭环系统的稳定性，还能给出系统稳定或不稳定的程度，揭示改善系统稳定性的途径。
●用乃奎斯特判别系统稳定性的必要和充分条件是z=p—N=0，其中z—闭环特征方程在s 右半平面的零点数；p—开环传递函数在s右半平面的极点数；N—当自变量s沿包含虚轴及
整个右半平面在内的极大的封闭曲线顺时针转一圈时，开环及乃奎斯特图绕（-1，j0）点逆时针转的圈数。
●相位裕量γ是指在乃奎斯特图上，从原点到乃奎斯特图与单位圆的交点连一直线，该直线与负实轴的夹角。
幅值裕量Kg是指在乃奎斯特图上，乃奎斯特图与负实轴交点处幅值的倒数。
●判定系统是否稳定：相位裕量和幅值裕量大于零，则系统是稳定的，若相位裕量和幅值裕量为零，则系统为临界稳定，其他为系统不稳定。
●校正（补偿）:是指在系统中增加新的环节或改变某些参数，以改善系统性能的方法。实现校正的方式：串联校正、并联校正和PID校正。
串联校正：指校政环节Gc（s）串联在原传递函数方框图的前进通道中。
并联校正按校正环节Gc（s）的并联方式分为反馈校正和顺馈校正。
PID校正器与串联校正、并联校正相比的特点：（1）对被控制对象的模型要求低，甚至在系统模型完全未知的情况下，也能进行校正。（2）校正方便。（3）适应范围较广。
串联超前校正环节的作用：串联超前校正环节的作用是：串联超前校正环节增大了相位裕量，加大了宽带，这就意味着提高了系统的相对稳定性，加快了系统的响应速度，使过度过程得到显著改善。但由于系统的增益和型次都未变化，所以稳态精度变化不大。
串联相位超前、相位滞后校正的优缺点：（1）相位超前校正：优点：加快系统响应速度；提高系统相对稳定性。缺点;问题精度变化不大。（2）相位滞后校正;优点：提高系统稳态精度；提高系统相对稳定性。缺点：降低系统响应速度。
超前校正装置和滞后校正装置的传递函数，：（1）超前校正装置：Gc(s)=1/a乘以
aTs+1/(Ts+1),a>1可增加相位裕量，调整频带宽度。（2）滞后校正装置：G(s)=Ts+1/9aTs+1)，提高系统的稳态精度。
试从控制的观点分析反馈校正的特点：反馈校正能有效地改变被包围环节的动态结构参数，甚至在一定条件下能用反馈校正完全取代包围环节，从而大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰给系统带来的不利影响。
顺馈校正的特点：在干扰引起误差之前就对它进行近似补偿，以便及时消除干扰的影响。
反馈校正比串联校正更有其突出的优点：利用反馈能有效地改变被包围环节的动态结构参数，甚至在一定条件下能用反馈校正完全取代包围环节，从而大大减弱这部分环节由于特性参数变化及各种干扰给系统带来的不利影响。
●调节器：能使系统的零点、极点分布按性能要求来配置的环节。
PID控制器的传递函数：GC(s)=KP+KDs+KI/s。
●设开环传递函数Gs=100/s+10s+50,试说明开环系统频率特性极坐标图的起点和终点。答：G（s）=0.2/（0.1s+1）（0.02s+1） G（jw）=0.2/(j0.1w+1)(j0.02w+1) G(jw)极坐标图起点：（0.2.j0） G(jw)极坐标图终点（0，j0）
●已知零初始条件下某系统的单位脉冲响应，能否求出该系统的闭环传递函数？若可以，如何求？答：可以。将零初始条件下单位脉冲响应求拉氏变换即为该系统的闭环传递函数。系统的稳定性：系统在受到外界扰动作用时，其被控制量yc（t）将偏离平衡位置，当这个扰动作用去除后，若系统在足够长的时间内能恢复到其原来的平衡状态或者趋于一个给定的新的平衡状态，则该系统是稳定的。
●系统有二个闭环特征根分布在s平面的右半面，劳斯表中第一列元素的符号改变几次？答：有二个右半s平面的特征根，说明劳斯表中第一列元素的符号改变二次。
机械工程控制基础（第六版）公式 1.典型时间函数的拉氏变换以及拉氏变换的性质 22222 1 111[1];[()]1;[];[]![sin ];[cos ];[]at n n L L t L t L e S S S a w S n L wt L wt L t S w S W S δ+= ===-===++ ①延迟性质：[()].()as L f t a e F S --= ②复数域的位移性质：[()]()at L e f t F S a -=+ ③相似定理：1[()]()S L f at F a a = ④微分性质：()12'(1)[()][](0)(0)(0)n n n n n L f t S F S S f S f f -+-+-+=---- 当初始条件为零时：()[()][]n n L f t S F S = ⑤积分性质：(1)()1[()](0)F S L f t dt f S S -+= +? 初始条件为零时：() [()]F S L f t dt S =? ⑥初值定理：0 (0)lim ()lim ()s t f f t SF S + + →+∞ →==;⑦终值定理：0 lim ()lim ()t s f t SF S →+∞ →= 2.传递函数的典型环节及公式 ①比例环节K ；②积分环节 1S ；③微分环节S ；④惯性环节11TS +；⑤一阶微分环节1TS + ⑥振荡环节 22 121 T S TS ζ++；⑦二阶微分环节2221T S TS ζ++；⑧延时环节S e τ- ⑨开环传递函数()()H S G S ； 其中G(S)为向前通道传递函数，()H S 为反馈传递函数 闭环传递函数() ()1()() G S G S H S G S = +闭 ⑩梅逊公式n n n t T ∑?= ? ； 1231i j k i j k L L L ?=-∑+∑-∑+ 其中：T ——总传递函数 n t ——第n 条前向通路得传递函数； ?——信号流图的特征式 3.系统的瞬态响应及误差分析 ①一阶系统传递函数的标准式()1 K G S TS = +， K 一般取1 ②二阶系统传递函数的标准式222 1 ().2n n n w G S k S w S w ζ=++; K 一般取1 ③2 1d n w w ζ=-；其中ζ为阻尼比，n w 为无阻尼自然频率，d w 为阻尼自然频率
1控制论的中心思想是什么？ 答：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。 2机械工程控制论的研究对象及任务是什么？ 答：对象：机械工程技术。任务：（1）当系统已定，并且输入知道时，求出系统的输出，并通过系统的输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析；（2）当系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入应使系统的输出尽可能符合给定的最佳要求，即系统的最优控制；（3）当输入已知，且输出也是给定时，确定系统应使输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计；（4）当输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此及系统识别或系统辨识；（5）当系统已定，输出已知时，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤液与预测。 3什么是信息与信息的传递？试举例说明。 答：一切能表达一定含义的信号、密码、情报和消息都是信息。例如机械系统中的应力、变形、温升、几何尺寸与精度等，表明了机械信号、密码、情报或消息。 所谓信息传递，指信息在系统传递过程中以某种关系动态地传递，或称转换。例如机械加工工艺系统，将工件尺寸做为信息，通过工艺过程的转换，加工前后工件尺寸分布有所变化，这样，研究机床加工精度问题，可以通过运用信息处理和理论和方法来进行。 4什么是反馈与反馈控制？试举例说明。 答：所谓信息的反馈，就是把一个系统的输出信号不断直接地或经过中间变换后全部或部分地返回，再输入到系统中去。如果反馈回去的讯号与原系统的输入讯号的方向相反（或相位差180度）则称之为“负反馈”；如果方向与相位相同，则称之为“正反馈”。例如人类最简单的活动，如走路或取物都利用了反馈的原理以保持正常的动作。人抬起腿每走一步路，腿的位置和速度的信息不断通过人眼及腿部皮肤及神经感觉反馈到大脑，从而保持正常的步法；人手取物时，手的位置与速度信息不断反馈到人脑以保持准确而适当地抓住待取之物。5日常生活中的许多闭环系统与开环系统，试举例说明。 答：开环系统：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路。例如洗衣机，它按洗衣、清水、去水、干衣的顺序进行工作，无需对输出信号即衣服的清洁程度进行测量； 闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路。例如液面调节器和以工作台的位置做为系统输出，通过检测装置进行测量，并将该信号反馈，进行控制工作台运动位置的CNC机床的进给系统。 6何谓控制系统？按是否存在反馈分哪些？ 答：控制系统指系统的输出，能按照要求的参考输出或控制输入进行调节。按是否存在反馈分为2种，即开环控制系统和闭环控制系统。 7拉氏变换的定义是什么？ 答：拉氏变换是分析研究线性动态系统的有力工具，将时域的微分方程变换为复数域的代数方程。 8什么是数学模型？ 答：数学模型是系统动态特性的数学表达式。建立数学模型是分析、研究一个动态特性的前提。 9传递函数的定义及特点是什么？ 答：定义：线性定常系统的传递函数，是初始条件为零，系统输出的拉氏变换比输入的拉氏变换。 特点：1）传递函数反应系统本身的动态特性，只与系统本身的参数有关，与外界输入无关；2）对于物理可实现系统，传递函数分母中的s的阶次n必不小于分子中的s的阶次m，即n大于等于m，因为实现的物理系统总是存在惯性，输出不会超前于输入；3
全国2002年10月自学考试机械工程控制基础试卷 一、单项选择题(在每小题的四个备选答案中选出一个正确答案，并将其号码填在题干的括号内。每小题1.5分，共30分) 1.控制工程主要研究并解决的问题之一是( ) A.系统已定，输入不确定，求系统的输出 B.系统已定，输入已知，求系统的输出(响应) C.系统已定，规定系统的输入 D.系统不定，输入已知，求出系统的输出(响应) 2.f(t)如图所示 则L ［f(t)］为( ) A.s 1e -2t B. s 2e -2s C. s 1e -2s D. s 1 e -ts 3.已知F(s)=1) s(s 1 ，则L -1 ［F(s)］为( )
4.已知F(s)=L ［f(t)］，若F(s)= 1 2s s 1 2++,则f(t)|t ∞→=?( ) A.21 B.1 C.3 1 D.0 5.下列系统中为线性系统的微分模型为：( ) A.dt ) t (dx )t (x )dt )t (dx ( 12dt )t (x d 16 i 020202=++ B.)t (x )t (x 24dt ) t (dx 12 dt )t (x d 16i 002 02=++ C.)t (x )t (x 24dt ) t (dx 12 )dt )t (x d ( 16i 0022 02=++ D.)t (x )t (x )t ln(24dt ) t (dx 12 e dt )t (x d 16 i 00t 2 02=?+?+ 6.对于定常控制系统来说，( ) A.表达系统的微分方程各项系数不随时间改变 B.微分方程的各阶微分项的幂为1 C.不能用微分方程表示 D.系统总是稳定的 7.系统方框图如图所示，则系统的闭环传递函数为( ) A. G(S)H(S) 1 G(S)H(S)+ B. G(S) -1 H(S)G(S)?
《机械工程控制基础》习题答案 （1）生活中常见开环控制系统与闭环控制系统综合性能分析：如汽车空调的温度控制与冷库温度控制综合性能分析。 答：开环系统是指系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响。其特点是结构简单，比较经济，但系统静特性差，控制精度不高，抗干扰能力差。 闭环控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。其特点是结构复杂，但是控制精度高，动态性能好，抗干扰能力强。 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。 生活中闭环和开环控制的例子很多，比如汽车空调的温度控制，低端用手动开环控制，这种控制精度不高，而好一点的都用自动闭环控制，闭环控制更加节省能源，精度高，增加用户的舒适度（通过调节温度风门实现）。又比如冷库温度控制，一般都是闭环PID，也比较容易实现，温度控制比较稳定，也就是制冷机组的控制，电加热器功率调节，如用开环控制则很明显温度调节不准，标定移植都不便。 （2）简单机械数学模型的建立，传递函数的推导：如建立脚踏自行车或电动自行车数学的模型。 答：工程中常用的数学模型有微分方程、传递函数、动态结构图和信号流图等。微分方程是指系统中输入量和输出量以及它们各阶导数关系的数学表达式，传递函数是指在零初始条件下，具有线性特征的系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。 下面推导一下动力滑台铣平面的数学模型。 a）动力滑台铣平面b）系统力学模型 系统输出量为)(t x，输入量为) f，根据力学相关规律推导出系统微分方程 (t
XX年自考机械工程控制基础模拟试题及参考答案 ? 1. (2分) ? ? 2. (2分) ? ? ? 3.下列判不系统稳固性的方法中，哪一个是在频域里判不系统稳固性的判据 () (2分) o A：劳斯判据B：胡尔维茨判据 o C：乃奎斯特判据D：以上选项都不正确 ? 4. (2分) ? ? 5.传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关 () (2分) A：输入信号B：初始条件 o o ? 6. (2分)
? ?7. (2分) ? ?8. (2分) ? ?9. (2分) ? ?10. (2分) ? ?11.串联相位滞后校正通常用于 () (2分) ? A：提高系统的快速性 o
o B：提高系统的稳态精度 C：减少系统的阻尼 o o D：减少系统的自然频率 ?12.下列关于反馈校正的讲法，错误的是 () (2分) ? A：能够改变系统的型次 o o B：能够改变系统的时刻常数 C：能够增大系统的阻尼比 o o D：对系统的结构和参数不产生阻碍 ?13. (2分) ? ?14.主导极点是指() (2分) ? o A：距离实轴最近的极点 o B：距离虚轴最近的极点 o C：距离虚轴最远的极点 o D：距离实轴最远的极点 ?15. (2分)
? ? 1.通过拉氏变换将时域的微分方程变换为域的代数方程，如此运算方便，使系统的分析大为简化。 (1分) ? 2.稳态误差与开环传递函数的结构和的形式有关。 (1分) ? 3.与时域分析不同，频域特点分析是通过分析不同谐波输入时系统的来表示系统的动态特性。 (1分) ? 4.极坐标图上的负实轴对应于伯德图上的。 (1分) ? 5.关于物理可实现系统，传递函数分母中s的阶次n和分子中的阶次m的关系是。 (1分) ? 6.PID校正器中P代表。 (1分) ?7.复数s=1+j的三角表示形式为。 (1分) ?8.若线性定常系统输入端作用一个正弦波，通过充分长的时刻后，则系统的输出为。 (1分) ?9. (1分) ? ?10.系统辨识确实是研究如何用的方法来建立系统数学模型的一门科学。 (1分) 三、简答题(本大题共5小题,每小题5分,共25分) ? 1.机械操纵工程要紧研究并解决的咨询题是什么？ (5分)
机械工程控制基础知识点 ●控制论的中心思想：它抓住一切通讯和控制系统所共有的特点，站在一个更概括的理论高度揭示了它们的共同本质，即通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。 机械工程控制论：是研究机械工程技术为对象的控制论问题。（研究系统及其输入输出三者的动态关系）。 机械控制工程主要研究并解决的问题：（1）当系统已定，并且输入知道时，求出系统的输出(响应)，并通过输出来研究系统本身的有关问题，即系统分析。（2）当系统已定，且系统的输出也已给定，要确定系统的输入应使输出尽可能符合给定的最佳要求，即系统的最佳控制。（3）当输入已知，且输出也是给定时，确定系统应使得输出金肯符合给定的最佳要求，此即●最优设计。（4）当系统的输入与输出均已知时，求出系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此即系统识别或系统辨识。（5）当系统已定，输出已知时，以识别输入或输入中得有关信息，此即滤液与预测。 ●信息：一切能表达一定含义的信号、密码、情报和消息。 信息传递/转换：是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递。 信息的反馈：是把一个系统的输出信号不断直接地或经过中间变换后全部或部分地返回，再输入到系统中去。如果反馈回去的讯号（或作用）与原系统的输入讯号（或作用）的方向相反（或相位相差180度）则称之为“负反馈”；如果方向或相位相同，则称之为“正反馈”。 ●系统：是指完成一定任务的一些部件的组合。 控制系统：是指系统的输出，能按照要求的参考输入或控制输入进行调节的。 开环系统：系统的输出量对系统无控制作用，或者说系统中无反馈回路的。闭环系统：系统的输出量对系统有控制作用，或者说，系统中存在反馈的回路。
一. 填空题(每小题2.5分，共25分) 1． 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、 和 。 2． 按系统有无反馈，通常可将控制系统分为 和 。 3． 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有 、 等。 4． 反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统 的程度。 5． 一阶系统 1 1 Ts 的单位阶跃响应的表达是 。 6． 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和 。 7． 频率响应是线性定常系统对 输入的稳态响应。 8． 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与 的类型有关。 9． 脉冲信号可以用来反映系统的 。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 。 二． 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分） 炉温控制系统 图1 炉温控制结构图 试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。 三、如图2为电路。求输入电压i u 与输出电压0u 之间的微分方程， 并求该电路的传递函数（10分） 图2 R u 0 u i L C u 0 u i (a) (b) (c)
四、求拉氏变换与反变换(10分) 1．求[0.5]t te - l（5分） 2．求1 3 [] (1)(2) s s s - ++ l（5分） 五、化简图3所示的框图，并求出闭环传递函数（10分）
图3
六、图4示机械系统由质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度K 和外力)(t f 组成的机械动力系统。图4(a)中)(t x o 是输出位移。当外力)(t f 施加3牛顿阶跃力后(恒速信号)，记录仪上记录质量m 物体的时间响应曲线如图4（b ）所示。试求： 1）该系统的微分方程数学模型和传递函数；(5分) 2）该系统的自由频率n ω、阻尼比ξ；(2分) 3）该系统的弹簧刚度质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度k ；（3分） 4）时间响应性能指标：上升时间s t 、调整时间r t 、稳态误差ss e （5分）。 1.0 x 0 图4(a) 机械系统 图4（b ）响应曲线 图4
一、填空题（20分） 1、系统的稳态误差与输入信号的形式及系统的结构和参数或系统的开环传递函数有关。 2、对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、快速性和精确或准确性。 3、传递函数的定义是对于线性定常系统,在初始条件为零的条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 4、传递函数的组成与输入、输出信号无关，仅仅决定于系统本身的结构和参数，并且只适于零初始条件下的线性定常系统。 5、判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为负实根或负实部的复数根，即系统的特征根必须全部在复平面的左半平面是系统稳定的充要条件。 6、频率响应是系统对正弦输入稳态响应，频率特性包括幅频和相频两种特性。 7、系统的性能指标按其类型可分为时域性能指标，频域性能指标，综合性能指标。 8、用频率法研究控制系统时，采用的图示法分为极坐标图示法和对数坐标_图示法。 9、系统稳定的充要条件是：系统的全部特征根都具有负实部。 10、对广义系统，按反馈情况可分为开环系统、闭环系统。
选择题（20分） 1、拉氏变换将时间函数变换成 （ D ） A ．正弦函数 B ．单位阶跃函数 C ．单位脉冲函数 D ．复变函数 2、微分环节的频率特性相位移θ(ω)= ( A ) A. 90° B. -90° C. 0° D. -180° 3、设系统的传递函数为G(s)=25 525 2 ++s s ，则系统的阻尼比为 （ C ） A.25 B. 5 C. 2 1 D. 1 4、正弦函数sin t ω的拉氏变换是 （ B ） A. ω+s 1 B.2 2s ω+ω C.22s s ω+ D. 2 2s 1ω + 5、比例环节的频率特性相位移θ(ω)= ( C ) A.90° B.-90° C.0° D.-180° 6、一阶系统的阶跃响应， ( D ) A.当时间常数T 较大时有振荡 B.当时间常数T 较小时有振荡 C.有振荡 D.无振荡 7、系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的 ( C ) A.充分条件 B.必要条件 C.充分必要条件 D.以上都不是 8、时域分析法研究自动控制系统时最常用的典型输入信号是 （ D ） A ．脉冲函数 B ．斜坡函数 C ．抛物线函数 D ．阶跃函数 9、令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的 ( B ) A ．代数方程 B ．特征方程 C ．差分方程 D ．状态方程 10、线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下 （ D ） A ．系统输出信号与输入信号之比 B ．系统输入信号与输出信号之比 C ．系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比 D ．系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比
目录 1引言……………………………………………… 2 工作原理………………………………………… 3 主控制部分…………………………………… 4 测量部分………………………………………… 5 温度控制及超温和超温警报单元……………… 6 温度控制器件电路………………………………… 7 温度测试单元……………………………………… 8 七段数码管显示单元……………………………… 9 计算分析部分………………………………… 10 电源输入单元…………………………………… 11 程序结构分析………………………………… 12 主程序…………………………………………… 13 测设分析…………………………………………结论…………………………………………………
空调温度控制与冷库温度控制综合性能分析 1 引言 温度控制与系统广泛应用于社会生活的各个领域 ,如家电、汽车、材料、电力电子等 ,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同 , 在工业企业中,如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大,滞后现象严重,存在很多不确定的因素,难以建立精确的数学模型,从而导致控制系统性能不佳,甚至出现控制不稳定、失控现象。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行范围的温度检测。 2 设计要求 设计基于空调与冷库温度控制器，用于控制温度。具体要求如下: 1. 温度连续可调，范围为0℃-40℃ 2. 超调量σ%≤20% 3. 温度误差≤±0.5℃ 4. 人-机对话方便
机械工程控制基础课程教学大纲 一、课程名称 机械工程控制基础Cybernetics Foundation for Mechanical Engineering 学时：40 二、授课对象 机械类各专业 三、先修课程 复变函数、积分变换 四、课程的性质、目标与任务 本课程侧重原理，其内容密切结合工程实际，是一门专业基础课。它是控制论为理论基础，以机械工程系统为研究对象的广义系统动力学；同时，它又是一种方法论。学习本课程的目的在于使学生能以动力学的观点而不是静态观点去看待一个机械工程系统；从整体的而不是分离的角度，从整个系统中的信息之传递、转换和反馈等角度来分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论中的基本概念和基本方法来分析、研究和解决其中的问题。这包括两个方面：①对机电系统中存在的问题能够以控制论的观点和思维方法进行科学分析，以找出问题的本质和有效的解决方法；②如何控制一个机电系统，使之按预定的规律运动，以达到预定的技术经济指标，为实现最佳控制打下基础。 五、课程的基本要求 1．对于建立机电系统的数学模型，有关数学工具（如Laplace变换等）的应用，传递函数与方框图的求取、简化与演算等，应有清楚的基本概念并能熟练掌握。 2．对于典型系统的时域和频域特性，应有清楚的基本概念并能熟练掌握。 3．掌握判别线性系统稳定性的基本概念和常用判据。 4．对于线性系统的性能指标有较全面的认识，了解并掌握系统的综合与校正的常用方法。 5．了解线性离散系统和非线性系统的基本概念和基本的分析方法。 6．对系统辩识问题应建立基本概念。 六、教学内容与学时分配 授课学时为40学时，实验8学时；复习、做习题、写实验报告等课外学时为50学时以上。
Mavis [“了解时控甜岳抚的建申要求. 二、本章重点 门》学台茁峙息论的魂贞分崭：恳蛭帕动蕊特ft,洁息克》理聯倩J&庚槪的含止最幷件用. 律）草1815制泵規的赴本槪忠、基專虫呈.慕半如城特工怖厲理1迪制控钢系筑戶框擠》三，忒拿难点 ri^W.M^Jg.&^.SUMSESf 方if 團的检谢. M I I麼也娱木卷如l￡H讯h 1, B JJW示.旳了砾特搭申的jS!f .由戏控开衆苗週迪斷开唯加聽！S的电BL住隹川疾水耐*水報屮我岀緘水井帶克律水、.试说鹏该杀境工作原現非程出杲炕的力雀Hi. M 在电奧木理募貌中，水黠内的朮ifl需晏捋 欝?即木艳为矮桂对聚.水的耳薛S9UW 或用:为乐 蛻的監出址，股为丁‘*「（?" 辑人“.rtf P希斓的注 蘆i給定価、“扳为7/C）r±f 卑品因甫惶水繪内*迫下泮fit肖號康垛的丄！！丁 扰, 屿于」9） = 7\〔亡｝砒.壮轴的实环水迫境滞迫 元伴惟楷，舁捋实聒比ill轴牝感相康的it 慣号，与S1 艳开吴代先議定的倩号港行比牧而谒刖的債弄为#, 此时电加無胃不工作，忒轲中茁朮悅煤舟11需！^的退揮J jf!f使用热水井注人冷术廿，朮曲下斤，此肘^■JCKT.C C），*! 慎24*內平面旅事揑开柴工什.于用电SF.|t：?，电抑热器厅的农水珂内的4（进打加姑”使朮迅上札直科7*.CVV-7V CKOJ1E. IUR倒I, I.to所示. I. l.Lf % ft * ft .fi ff ra 瞬Id ffiiftj.s.fl）为--恒沮辅的曬度控髀累itit分析盘牛杲烧的自动iSjS过軽井说明应牛系城的第出（L战人赴、挣制扯和扰动it各是什么：扰）作用下.从系荒的-?定的创蜡狀崔出址，折變历的山兀内部的国肯忡性（即由泉配的结构与寥數肝决宦的特性）所撩定的整冲动态万职;研究更一系紀盘其输「输出二若之司的靳态英系* 从系乳■輪人.输出三淆之阿省关系雷崔，根惬已込茱杵与*辟问题休不同.机城工程挖制论的ft务可CI好为观下五方面： H）已胸杀姣、埔人‘点系竦的曲出，即系JE井忻问便； S）巳知.長纹和系境的理想域％.谕廿嵐4即嚴优控叙间題； （3）e^?人和理恕箱出”设计第槪,即总忧设itHSi 训[瑜出己知，确定乐就"欣识刖卷人战箱人中肿有关信总■，此即注曲可横泗问題匸 （5）系址的爭人和输出已知，求系貌的塔种弓毒數，即亲號脚识局题， 12卄么拦内反章？为卄么说内反愤是便肌戦薬軌纷鷲夏杂的三要原因？ M内反tfl是猶在乘St内厅布曾的蓉E自耕琏应的辰I乱它.王要由叢址内部务彷元累之向的相互縞舍顾形庇.内戈槪辰険斤址円邨备晏教之间的内住联凤其的ijit昭址的厨态特性有菲常敏战的勒咱，断机檢蕃址存崔的内反協情况千差乃肚错熄丑亲,因此使挣杠悴系SE尊鬣夏夷* 13试分析JD田（题1.1.a）^示系.统的内反愷侑况. fflf?t-?.nJ I.3.M K分别对电?阿进甘曼力旁祈.井列耳算动力学方程 flixij i A J 控制基础 填空题(每空1分，共20分) 1. 线性控制系统最重要的特性是可以应用___叠加__原理，而非线性控制系统则不能。 2．反馈控制系统是根据输入量和__反馈量__的偏差进行调节的控制系统。 3．在单位斜坡输入信号作用下，0型系统的稳态误差e ss =__∞___。 4．当且仅当闭环控制系统特征方程的所有根的实部都是__负数__时，系统是稳定的。 5.方框图中环节的基本连接方式有串联连接、并联连接和__反馈 _连接。 6．线性定常系统的传递函数，是在_ 初始条件为零___时，系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换的比。 7．函数te -at 的拉氏变换为2)(1 a s +。 8．线性定常系统在正弦信号输入时，稳态输出与输入的相位移随频率而变化的函数关系称为__相频特性__。 9．积分环节的对数幅频特性曲线是一条直线，直线的斜率为__－20__dB ／dec 。 10．二阶系统的阻尼比ξ为 _ 0_ 时，响应曲线为等幅振荡。 11．在单位斜坡输入信号作用下，Ⅱ型系统的稳态误差e ss =__0__。 12．0型系统对数幅频特性低频段渐近线的斜率为___0___dB/dec ，高度为20lgKp 。 13．单位斜坡函数t 的拉氏变换为 21 s 。 14. 根据系统输入量变化的规律，控制系统可分为__恒值__控制系统、 ___随动___ 控制系统和程序控制系统。 15. 对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、 __快速性__和准确性。 16. 系统的传递函数完全由系统的结构和参数决定，与__输入量、扰 动量__的形式无关。 17. 决定二阶系统动态性能的两个重要参数是阻尼系数ξ和_无阻尼 自然振荡频率w n 。 18. 设系统的频率特性Ｇ(j ω)=R(ω)+jI(ω),则幅频特性|G(j ω)|=)()(22w I w R +。 19. 分析稳态误差时，将系统分为0型系统、I 型系统、II 型系统…， 这是按开环传递函数的__积分__环节数来分类的。 20. 线性系统稳定的充分必要条件是它的特征方程式的所有根均在复平面的___左___部分。 21．ω从0变化到+∞时，惯性环节的频率特性极坐标图在____第四 ____象限，形状为___半___圆。 22. 用频域法分析控制系统时，最常用的典型输入信号是_正弦函数_。 23．二阶衰减振荡系统的阻尼比ξ的范围为10<<ξ。 24．G(s)=1 +Ts K 的环节称为___惯性__环节。 25．系统输出量的实际值与_输出量的希望值__之间的偏差称为误差。 26．线性控制系统其输出量与输入量间的关系可以用___线性微分__ 一、 填空题(每空1分，共20分) 1. 传递函数的定义是对于线性定常系统,在初始条件为零的条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 2. 瞬态响应是系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终或稳定状态的响应过程。 3. 判别系统稳定性的出发点是系统特征程的根必须为负实根或负实部的复数根，即系统的特征根必须全部在复平面的左半平面是系统稳定的充要条件。 4. I 型系统G s K s s ()() = +2在单位阶跃输入下，稳态误差为 0 ，在单位加速度 输入下，稳态误差为 ∞ 。 5. 频率响应是系统对正弦输入稳态响应，频率特性包括幅频和相频两种特性。 6. 如果系统受扰动后偏离了原工作状态，扰动消失后，系统能自动恢复到原来的工作状态，这样的系统是(渐进)稳定的系统。 7. 传递函数的组成与输入、输出信号无关，仅仅决定于系统本身的结构和参数，并且只适于零初始条件下的线性定常系统。 8. 系统的稳态误差与输入信号的形式及系统的结构和参数或系统的开环传递函数有关。 9. 如果在系统中只有离散信号而没有连续信号，则称此系统为离散(数字)控制系统，其输入、输出关系常用差分程来描述。 10. 反馈控制系统开环对数幅频特性三频段的划分是以ωc （截止频率）附近的区段为中频段，该段着重反映系统阶跃响应的稳定性和快速性；而低频段主要表明系统的稳 1． 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、快速性 和准确性。 2． 按系统有无反馈，通常可将控制系统分为 开环控制系统 和 闭环控制系统 。 3． 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有微分程 、传递函数等。 4． 稳态误差反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统控制精度的程度。 5． 一阶系统 1 1 Ts +的单位阶跃响应的表达是/1t T e --。 6． 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和频域性能指标。 7． 频率响应是线性定常系统对正弦输入的稳态响应。 8． 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与输入信号的类型有关。 9． 脉冲信号可以用来反映系统的抗冲击能力。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 1/s 。 二．如图2为电路。求输入电压i u 与输出电压0u 之间的微分程，并求出该电路的传递函数。（10分） 图2 解答：跟据电压定律得 R u 0 u i L C u 0 u i (a) (b) (c) 00220022 1 1()i i u dt u u RC d u du d u dt RC dt dt RCs G s +=+== ? 第一章绪论 1、控制论的中心思想、三要素和研究对象。 中心思想：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。 三要素：信息、反馈与控制。 研究对象：研究控制系统及其输入、输出三者之间的动态关系。 2、反馈、偏差及反馈控制原理。 反馈：系统的输出信号部分或全部地返回到输入端并共同作用于系统的过程称为反馈。 偏差：输出信号与反馈信号之差。 反馈控制原理：检测偏差，并纠正偏差的原理。 3、反馈控制系统的基本组成。 控制部分：给定环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、反馈（测量）环节 被控对象 基本变量：被控制量、给定量（希望值）、控制量、扰动量（干扰） 4、控制系统的分类 1）按反馈的情况分类 a、开环控制系统：当系统的输出量对系统没有控制作用，即系统没有反馈回路时，该系 统称开环控制系统。 特点：结构简单，不存在稳定性问题，抗干扰性能差，控制精度低。 b、闭环控制系统：当系统的输出量对系统有控制作用时，即系统存在反馈回路时，该系 统称闭环控制系统。 特点：抗干扰性能强，控制精度高，存在稳定性问题，设计和构建较困难，成本高。 2）按输出的变化规律分类 自动调节系统 随动系统 程序控制系统 3）其他分类 线性控制系统连续控制系统 非线性控制系统离散控制系统 5、对控制系统的基本要求 1）系统的稳定性：首要条件 是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。 2）系统响应的快速性 是指当系统输出量与给定的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的能力。 3）系统响应的准确性（静态精度） 是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差大小。 第二章系统的数学模型 1、系统的数学模型：描述系统、输入、输出三者之间动态关系的数学表达式。 时域的数学模型：微分方程；时域描述输入、输出之间的关系。→单位脉冲响应函数复数域的数学模型：传递函数；复数域描述输入、输出之间的关系。 频域的数学模型：频率特性；频域描述输入、输出之间的关系。 2、线性系统与非线性系统 线性系统：可以用线性方程描述的系统。 重要特性是具有叠加原理。 3、系统微分方程的列写 4、非线性系统的线性化 5、传递函数的概念： 1）定义：初始状态为零时，输出的拉式变换与输入的拉氏变换之比。即 G(s) =Y(s)/X(s) 2）特点： （a）传递函数反映系统固有特性，与外界无关。 （b）传递函数的量纲取决于输入输出的性质，同性质的物理量无量纲；不同性质的物理量有量纲，为两者的比值。 （c）不同的物理系统可以有相似的传递函数，传递函数不反映系统的真实的物理结构。（d）传递函数的分母为系统的特征多项式，令分母等于零为系统的特征方程，其解为特征根。 （e）传递函数与单位脉冲响应函数互为拉氏变换与拉氏反变换的关系。 机械控制工程基础 一、填空题 1. 线性控制系统最重要的特性是可以应用 叠加 原理，而非线性控制系统则不能。 2．反馈控制系统是根据输入量和 反馈量 的偏差进行调节的控制系统。 3. 根据自动控制系统是否设有反馈环节来分类，控制系统可分为__开环_控制系统、_闭环__控制系统。 4. 根据系统输入量变化的规律，控制系统可分为 恒值 控制系统、 随动 控制系统和 程序控制系统。 5. 如果在系统中只有离散信号而没有连续信号，则称此系统为离散(数字)控制系统，其输入、输出关系常用差分方程来描述。 6. 根据控制系统元件的特性，控制系统可分为__线性__ 控制系统、 非线性_控制系统。 7. 线性控制系统其输出量与输入量间的关系可以用 线性微分 方程来描述。 8. 对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、 快速性 和准确性。 9. 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有微分方程 、传递函数等。 10. 传递函数的定义是对于线性定常系统,在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 11. 传递函数的组成与输入、输出信号无关，仅仅决定于 系统本身的结构和参数 ，并且只适于零初始条件下的 线性定常 系统。 12. 瞬态响应是系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终稳定状态的响应过程。 13. 脉冲信号可以用来反映系统的抗冲击能力。 14. 单位斜坡函数t 的拉氏变换为 2 1 s 。 15. 单位阶跃信号的拉氏变换是 1/s 。 16．在单位斜坡输入信号作用下，0型系统的稳态误差e ss = ∞ 。 17. I 型系统G s K s s ()() =+2在单位阶跃输入下，稳态误差为 0 ，在单位加速度输入下，稳态 误差为 ∞ 。 18. 一阶系统11 Ts +的单位阶跃响应的表达是T t e --1。 2018年l0月高等教育自学考试全国统一命题考试 机械工程控制基础试卷 (课程代码02240) 本试卷共3页，满分l00分，考试时间l50分钟。 考生答题注意事项： 1．本卷所有试题必须在答题卡上作答。答在试卷上无效，试卷空白处和背面均可作草稿纸。2．第一部分为选择题。必须对应试卷上的题号使用2B铅笔将“答题卡”的相应代码涂黑。3．第二部分为非选择题。必须注明大、小题号，使用0．5毫米黑色字迹签字笔作答。 4．合理安排答题空间，超出答题区域无效。 第一部分选择题 一、单项选择题：本大题共l0小题，每小题2分，共20分。在每小题列出的备选项中只有一项是最符合题目要求的。请将其选出。 1．系统的输出量对系统无控制作用，则该控制系统称为 A．开环控制系统 B．闭环控制系统 C．定常系统 D．线性系统 2．函数F(t)：3(1-cos2t)(t≥O)的拉氏变换式为 4一上升时间，延迟时间和峰值时间表征了控制系统的灵敏性，即响应的 A．稳定性 B．准确性 C．快速性D．可靠性 5．频率响应是指控制系统对 A．正弦输入的瞬态响应 B.正弦输入的稳态响应 C．正切输入的稳态响应 D．正切输入的瞬态响应 6．稳定系统的全部特征根Si均应在复平面的 A．上半平面 B．下半平面 C．左半平面 D．右半平面 7．采耀相位超前校正，相位超前越多，对于被校正系统来说 A．频宽减小 B．相位裕量减小 C．相位裕量不变 D.相位裕量增大 8．正反馈是指反馈回去的信号与原系统的输入信号相位相差 A．0° B．30° C.90° D．180° 9．当典型的二阶系统含有零点时，系统的瞬态响应 A．仅与二阶系统的极点分布有关 《机械工程控制基础》试卷（A 卷） 一、填空题（每空1分，共20分） 1、对控制系统的基本要求是 系统的稳定性 、 响应的快速性 、 响应的准确性 。 2、已知f(t)=t+1,对其进行拉氏变换L[f(t)]= 1/s 2+1/s 或者（1+s ）/s 2 。 3、二阶系统的极点分别为s 1=?0.5,s 2=?4，系统增益为2，则其传递函数G(S)= 2/(s+0.5)(s+_4) 4、零频幅值A(0)表示当频率ω接近于零时，闭 环系统输出的幅值与输入幅值之比。 5、工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统的动力学问题，机械工程控制就是研究系统、输入、输出三者之间的动态关系。 6、系统的频率特性求取有三种方法：根据系统响应求取、用试验方法求取和将传递函数中的s 换为 jw 来求取。 8、微分环节的控制作用主要有 使输出提前 、 增加系统的阻尼 、 强化噪声 。 9、二阶系统的传递函数为2 22 2)(n n n s s s G ωξωω++=，其中n ω为系统的 无阻尼固有频率 ，当10<<ξ时为 欠阻尼 系统。在阻尼比ξ<0.707时，幅频特性出现峰值，称谐振峰值，此时 的频率称谐振频率ωr ＝221ξω-n 。 10、一般称能够用相同形式的数学模型来描述的物理系统成为相似系统。 11、对自动控制系统按照输出变化规律分为自动调节系统、随动系统、程序控制系统。 12、对积分环节而言，其相频特性∠G(jw)=-900。 二、名词解释（每个4分，共20分） 1、闭环系统：当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。 2、系统稳定性：指系统在干扰作用下偏离平衡位置，当干扰撤除后，系统自动回到平衡位置的能力。 3、频率特性：对于线性定常系统，若输入为谐波信号，那么稳态输出一定是同频率的谐波信号，输出输入的幅值之比及输出输入相位之差统称为频率特性。 4、传递函数：在外界作用系统前，输入、输出的初始条件为零时，线性定常系统、环节或元件的输出x 0(t)的Laplace 变换X 0(S)与输入x i (t)的Laplace 变换X i (S)之比，称为该系统、环节或元件的传递函数G(S) 5、系统：由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定运动规律的一个整体，称为系统。 三、 分析题（每题6分，共12分） 1、分析人骑自行车的过程中，如何利用信息的传输，并利用信息的反馈，以达到自行车平衡的。（要求绘出原理方框图） 分析人骑自行车的过程中，如何利用信息的传输，并利用信息的反馈，以达到自行车平衡的。 解：人骑自行车时，总是希望具有一定的理想状态（比如速度、方向、安全等），人脑根据这个理想状态指挥四肢动作，使自行车按预定的状态运动，此时，路面的状况等因素会对自行车的实际状态产生影响，使自行车偏离理想状态，人的感觉器官感觉自行车的状态，并将此信息返回到大脑，大脑根据实际状态与理想状态的偏差调整四肢动作，如此循环往复。其信息流动与反馈过程可用下图表示。 2、 C(S),Y(S)为输出的闭环传递函数；(2)以N(S)为输入,当R(S)＝0时,分别以C(S),Y(S)为输出的闭环传递函数；(3)比较以上各传递函数的分母,从中可以得出什么结论。 (1)以R(S)为输入,当N(S)＝0时,C(S) ,Y(S)为输出的闭环传递函数； (2)以N(S)为输入,当R(S)＝0时,以C(S)为输出的闭环传递函数； 从上可知：对于同一个闭环系统，当输入的取法不同时，前向通道的传递函数不同，反馈回路的传递函数不同，系统的传递函数也不同，但系统的传递函数分母不变，这是因为分母反映了系统固有特性，而与外界无关。 四、计算题（每题10分，共30分） 1、求图所示两系统的传递函数,其中x i (t)、u i 为输入，x o (t)、u o 为输出 。(写出具体过程) 专业班级： 姓名： 学号： …………………………密………………………………封………………………………线………………………… )()()(1) ()()()()(2121s H s G s G s G s G s R s C s G C +==) ()()(1)()()()(211s H s G s G s G s R s Y s G Y +==)()()(1)()()()(212s H s G s G s G s N s C s G C +==)()()(1)()()()()()(2121s H s G s G s H s G s G s N s Y s G Y +-==机械工程控制基础考试题完整版(1)
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(完整版)2018年10月自考02240机械工程控制基础试题及答案含评分标准
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