机械工程控制基础复习资料

1.机械工程控制基础：是研究一机械工程技术为对象的控制论问题；是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。

2.系统分析：当系统已定，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。

3.最优控制：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。

4.最优设计：当输入已知，且输出也是给定时，确定系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求。

5. 系统识别或系统的辨识：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。

6.信息传递：是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递，或称转换。

7.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。

8.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。

9.按系统是否存在反馈，将系统分为开环系统和闭环系统。

10.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。

11.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。

12.数学模型：是系统动态特性的数学表达式。

13.分析法：是依据系统本省所遵循的有关定律列写数学表达式。

14.实验法：是根据系统对某些典型输入信号的响应或其它实验数据建立数学模型。

15.线性系统：系统的数学模型表达式是线性。

16.非线性系统的最重要特性，是不能运用叠加原理。

17. 传递函数：线性定常系统的传递函数，是初始条件为零时，系统输出地拉氏变换比输入的拉氏变换。

18. 传递函数：是通过输入与输出之间信息的传递关系，来描述系统本省的动态

19.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。

20.串联：各个环节传递函数一个个顺序连接。

21.并联：凡是几个环节的输入相同，输出相加或想减的连接形式。

22.反馈：是将系统或某一环节的输出量，全部或部分地通过传递函数回输到输入端，又重新输入到系统中去。

23.整个闭环传递函数是由前向传递函数和开环传递函数构成。

24.数学模型：包括微分方程和传递函数。

25.时间响应：由瞬态响应和稳态响应。

26.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。

27.稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态。

28.主导极点：是指在系统的所有闭环极点中，距离虚轴最近且周围没有闭环零点的极点，而其它极点都远离虚轴。

29.主导极点对系统响应起主导作用，其它极点的影响在近似分析中则可忽略不计。

30.闭环主导极点通常总是以共轭复数极点的形式出现。

31.机械工程系统有三方面的性能要求：即稳定性、准确性及灵敏性。

32.系统的瞬态响应反映了系统本身的动态性能。

33.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，输出量及其各阶导数均等于零。

34.超调量Mp只与系统的阻尼比ζ有关。

35.当系统加入负反馈时，相当于增大了系统的阻尼比ζ，改善了系统的相对稳定性，即减小了Mp，但并没有改变系统的无阻尼自然频率Wn。

36.稳态误差与开环传递函数的结构和输入信号的形式有关。

37.系统在扰动作用下的误差，反映可系统抗干扰的能力。

38.若系统同时受到输入信号和扰动信号的作用，系统的总误差等于输入信号和扰动信号分别作用时的稳态误差的代数和。

39.频率响应时系统处于正弦输入的稳态响应；也就是给线性系统输入某一频率的正弦波，经过充分长的时间后，系统的输出响应仍是同频率的正弦波。

40.频率特性：当不断改变输入正弦波的频率（由0变化到∞）时，该幅值比和相位差的变化情况。

41.幅频特性：B/A-│G（jw）│；相频特性：φ=

42.频率特性分析是通过分析不同谐波输入时系统的稳态响应来表示系统的动态特性。

43g（t）是在时域中描述系统的动态性能，G（jw）则是在频域中描述系统的动态性能，它仅与系统本身的参数有关。

44.对数坐标图的横坐标是按频率w的以10为底的对数分度。

45.二阶微分环节与振荡环节的对数幅频曲线对称于零分贝线，对数相频曲线对称于0°线。

46.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另外系统的低频性能。

47.采用极坐标图的主要优点是能在一张图上表示出整个频域中系统的频率特性。

48.延时环节的极坐标图为一单位圆。

49.最小相位系统：若系统传递函数G（s）的所有零点和极点均在S平面的左半平面。

50.频域性能指标是根据闭环控制系统的性能要求制定的。

51.截止频率w b：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。

52.系统辨识：是研究如何用实验分析的方法来建立系统数学模型的一门学科。

53.系统辨识是在输入输出的基础上，从一类系统中确定一个与所观测系统等价的系统。

54.0型系统：对数幅频曲线低频部分是一条水平线，增益K满足20lgK=20lg│G（jw）│（w<<1）。

55. Ⅰ型系统：对数幅频曲线低频部分是斜率为-20dB/dec的直线，增益等于该渐近线（或其延长线）与零分贝线交点处的频率，即K=w。

56.Ⅱ型系统：对数幅频曲线低频部分是斜率为-40dB/dec的直线，增益的平方根等于该渐近线（或其延长线）与零分贝线交点处的频率，即K=w。

57.稳定性：系统在受到外界扰动作用时，其被控制量y c（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。

58.只有稳定的系统才能正常工作，在设计一个系统时，首先要保证其稳定；在分析一个已有系统时，也首先要判定其是否稳定。

59.线性系统是否稳定，是系统本身的一个特性，而与系统的输入量或扰动无关。

60.判别系统稳定性的问题可归结为对系统特征方程根的判别。

61.一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复数。

62.稳定系统的全部根s i均应在复平面的左半平面。

63.闭环特征方程的极点与开环传递函数的极点完全相同。

64.z=p-N=0（z-闭环特征方程在s右半平面的零点数）。

65.相位裕量：γ=180°+φ（wc）。

66.幅值裕量Kg：在乃奎斯特图上，乃奎斯特图与负实轴交点处幅值的倒数。

67.Kg一般取8～20（dB）。

68.当γ>0，Kg> 0,系统是稳定的。

69.在系统结构和参数已知的情况下分析和评定系统的稳定性、快速性和准确性。

70.校正（或称补偿），就是只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。

71.串联校正：按校正环节Gc（s）的性能可分为：增益调整、相位超前校正、相位滞后校正、相位超前-滞后校正。

72.并联校正：分为反馈校正和顺馈校正。

73.稳态精度由系统的开环增益K决定，而相对稳定性由相位裕量和幅值裕量来决定。

74.超前校正网络相当于一个高通滤波器，它能使系统的瞬态响应得到显著改善。

75.滞后校正网络相当于一个低通滤波器，它能使系统的稳态精度得到显著提高。

76.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。

77.比列控制：当调节器输出信号与输入信号之间是一个简单的比列常数关系时

的控制作用。

78.PD调节器：可以有效地改善系统的瞬态性能，但对稳态性能的改善却很有限。

79.PI调节器：可以维持原有满意的瞬态性能的同时，有效地提高系统的稳态性能。

80.模拟仿真：用模拟计算机进行仿真。

81.数字仿真：用数字计算机进行仿真。

82. 一阶系统的过度过程与时间常数T有关，T越大，过度时间t越大。

83. 对于一阶系统，当w由0→∞时，矢量D（jw）顺时针方向旋转π/2，则系统是稳定的；否则系统不稳定。

84. 如果典型二阶系统的单位阶跃响应为单调变化曲线，则其阻尼比应≥1.

85. .典型二阶系统中，当参数ζ=0时，系统受到单位阶跃信号激励，其输出为1-coswnt。

二、简答

何为机械控制系统，开环系统与闭环系统有哪些区别？

答：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。开环系统的构造简单、不存在不稳定问题、输出量不用测量；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。

什么叫相位裕量？什么叫幅值裕量？

答：相位裕量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。

什么叫校正（或补偿）？

答：所谓校正（或称补偿）就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。

请简述顺馈校正的特点。

答：顺馈校正的特点是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。

传递函数的主要特点有哪些？

答：a传递函数反映系统本身的动态特性，只与本省参数和结构有关，与外界输

入无关；b对于物理可实现系统，传递函数分母中s的阶数必不小于分子中s的阶数；c传递函数不说明系统的物理结构，不同的物理结构系统，只要他们的动态特性相同，其传递函数相同。

在系统校正中，常用的性能指标有哪些？

答：a.时域性能指标，它包括瞬态性能指标（即上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间等）和稳态性能指标（即稳态误差）。b.频域性能指标，它包括相位裕量、幅值裕量、频宽等。

求拉氏反变换的方法有哪些？

答：a.查表法；b.有理函数法；c.部分分式法。

简述二阶欠阻尼系数ζ，w n与性能指标M p（超调量）、t s（调整时间）的关系。答：二阶欠阻尼系统若ζ不变，增大（或减小）w n，则超调量M p不变，调整t s 减小（或增大）；若w n不变，增大（或减小）ζ，则超调量M p减小（或增大），调整t s减小（或增大）。

a.增大w n有利；

b. ζ<0.4严重超调，ζ>0.8较为迟钝；

c. ζ=0.7为最佳阻尼比。简述串联超前校正环节的作用。

答;串联校正环节增大了相位裕量，加大了带宽，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，使过渡过程得到显著改善。但由于系统的增益和型次都为变化，所以稳定精度变化不大。

传递函数的典型环节主要有哪几种？

答;a.比列环节K；b.积分环节1/s；c.微分环节s，d.惯性环节1/（Ts+1）；e.一阶微分环节Ts+1；f.振荡环节；g.二阶微分环节；h.延时环节e-ss。

什么叫系统分析？

答：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。

对数坐标图的主要优点有哪些？

答：a.可以将幅值相乘转化为幅值相加；b.可采用渐近线近似的作图方法绘制对数幅频图；c.对数分度有效地扩展了频率范围。

简述拉氏反变换中部分分式法的步骤。

答：部分分式法是通过代数运算，先将一个复杂的象函数化为数个简单的部分分式之和，再分别求出各个分式的原函数，总的原函数即可求得。

影响系统稳态误差的因素有哪些？

答：有系统的类型、开环增益和输入信号。

什么叫机械系统的动柔度和动刚度？

答：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。

对控制系统的基本要求是什么？

答：基本要求有：机械系统的稳定性、响应的快速性和响应的准确性等。其中系统的稳定性是控制系统工作的首要条件。在参数已知的情况下分析和评定系统的稳定性、快速性和准确性。

什么是数学模型？

答：数学模型是系统的动态特性的数学表达式。建立数学模型是分析、研究一个动态系统特性的前提。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。

线性系统的主要特征是什么？

答：若系统的数学模型表达式是线性的，则这种系统就是线性系统。

线性系统最重要的特征是可以运用叠加原理。

所谓叠加原理，就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。

简述系统时间响应的概念。

答：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身的动态特性。

在频率特性的图形表示方法中，常用的方法有哪几种？

答：a.对数坐标图或称伯德图；b.极坐标图或称乃奎斯特图；c.对数-幅相图。

判断定常系统是否稳定的方法有哪几种？

答：劳斯判据；胡尔维茨判据；乃奎斯特稳定性判据；根轨迹法。

什么是反馈（包括正反馈和负反馈）？

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（或作用）与原系统的输入讯号（或作用）的方向相反（或相位差180°）则称之为“负反馈”；如果方向或相位相同，则称之为“正反馈”。

劳斯-胡尔维茨稳定性判定的根据是什么？

答：利用特征方程式的根与系数的代数关系，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，从而判定系统是否稳定。

采用何种方式可以同时减少或消除控制输入和干扰作用下的稳态误差？

答：在干扰作用点至系统输入口的前向通道中，提高增益和设置积分环节。

系统频域性能指标有哪些？

答：系统的频域性能指标有：相位裕量、幅值裕量、截止频率及宽频、谐振频率及谐振峰值。

频率特性和传递函数的关系是什么？

答：若系统的传递函数为G（s），则相应系统的频率特性为G（jw），即将传递函数中的s用jw代替。

什么事系统频率特性的截止频率？

答：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。

系统时间响应的瞬态响应反映哪方面的性能？而稳态响应反映哪方面的性能？答：a.0<ζ<1时，输出响应为衰减振荡过程，稳态值为1；b. ζ=1时，为不衰减振荡过程；c. ζ≥1时，为非周期过程。

控制系统稳定性的定义是什么？

答：稳定性：系统在受到外界扰动作用时，其被控制量将偏离平衡平衡位置，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。

试从控制的观点分析反馈校正的特点。

答：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。

实现校正的方式有哪几种？

答：串联校正、并联校正和PID校正。

方块图的简化法则?

答：a.前向通道的传递函数保持不变；b.各反馈回路的传递函数保持不变。

不同型次系统，其乃奎斯特图的特点？

答：a.当w=0时，乃奎斯特图的起始点取决于系统的型次：

0型系统（λ=0）起始于正实轴上某一有限点；

Ⅰ型系统（λ=1）起始于相位角为-90°的无穷远处，其渐近线为一平行于虚轴的直线；

Ⅱ型系统（λ=2）起始于相位角为-180°的无穷远处。

b.当w=∞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。

c.当G（s）含有零点时，其频率特性G（jw）的相位将不随w增大单调减，乃奎斯特图会产生“变形”或“弯曲”。