機械工程控制基礎(楊叔子)簡答題答案

時間：2023-05-01 02:41:57 資料我要投稿

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機械工程控制基礎(楊叔子)簡答題答案

1.何謂控制系統，開環系統與閉環系統有哪些區別？

答：控制系統是指系統的輸出，能按照要求的參考輸入或控制輸入進行調節的。開環系統構造簡單，不存在不穩定問題、輸出量不用測量；閉環系統有反饋、控制精度高、結構復雜、設計時需要校核穩定性。

2.什么叫相位裕量？什么叫幅值裕量？

答：相位裕量是指在乃奎斯特圖上，從原點到乃奎斯特圖與單位圓的交點連一直線，該直線與負實軸的夾角。幅值裕量是指在乃奎斯特圖上，乃奎斯特圖與負實軸交點處幅值的倒數。

3.試寫出PID控制器的傳遞函數？

答：GC(s)=KP+KDs+KI/s

4,什么叫校正（或補償）？

答：所謂校正（或稱補償），就是指在系統中增加新的環節或改變某些參數，以改善系統性能的方法。

5.請簡述順饋校正的特點

答：順饋校正的特點是在干擾引起誤差之前就對它進行近似補償，以便及時消除干擾的影響。

6.傳函的主要特點有哪些？

答：（1）傳遞函數反映系統本身的動態特性，只與本身參數和結構有關，與外界輸入無關；

（2）對于物理可實現系統，傳遞函數分母中s的階數必不少于分子中s的階數；（3）傳遞函數不說明系統的物理結構，不同的物理結構系統，只要他們的動態特性相同，其傳遞函數相同。

7.設系統的特征方程式為4s4+6s3+5s2+3s+6=0，試判斷系統系統的穩定性。

答：各項系數為正，且不為零，滿足穩定的必要條件。列出勞斯數列：

s4 4

s3 6 3

s2 3 6

s1 -25/3

s0 6

所以第一列有符號變化，該系統不穩定。

8.機械控制工程主要研究并解決的問題是什么？

答：（1）當系統已定，并且輸入知道時，求出系統的輸出(響應)，并通過輸出來研究系統本身的有關問題，即系統分析。（2）當系統已定，且系統的輸出也已給定，要確定系統的輸入應使輸出盡可能符合給定的最佳要求，即系統的最佳控制。（3）當輸入已知，且輸出也是給定時，確定系統應使得輸出金肯符合給定的最佳要求，此即最優設計。（4）當系統的輸入與輸出均已知時，求出系統的結構與參數，即建立系統的數學模型，此即系統識別或系統辨識。

（5）當系統已定，輸出已知時，以識別輸入或輸入中得有關信息，此即濾液與預測。 9，在系統校正中，常用的性能指標有哪些？

答：（1）在系統校正中，常用的性能指標按其類型可分為：(1)時域性能指標，它包括瞬態性能指標（即上升時間、峰值時間、最大超調量、調整時間等）和穩態性能指標（即穩態誤差）。（2）頻域性能指標，它包括相位裕量、幅值裕量、頻寬等。

10.求拉氏反變換的方法有哪些？

答：（1）查表法；（2）有理函數法；（3）部分分式法。

11.簡述二階欠阻尼系數a，wn與性能指標Mp(超調量)、ts(調整時間)的關系。

答：二階欠阻尼系統若a不變，增大或減小w(n)，則超調量t(p)不變，調整時間t(s)減小（或增大）;若t(n)不變，增大（或減小）a，則超調量M(p)減小（或增大），調整時間t(s)減小（增大）

12.簡述串聯超前校正環節的作用。

答：串聯超前校正環節的作用是：串聯超前校正環節增大了相位裕量，加大了寬帶，這就意味著提高了系統的相對穩定性，加快了系統的響應速度，使過度過程得到顯著改善。但由于系統的增益和型次都未變化，所以穩態精度變化不大。

13.傳遞函數的典型環節主要有哪幾種？

答：（1）比例環節K；（2）積分環節1/s（3）微分環節s（4）慣性環節1/（Ts+1）（5）一階微分環節Ts+1（6）http://m.rusnota.com震蕩環節1/(T2s2+2aTs+1)（7）二階微分環節T2s2+2aTs+1（8）延時環節e-ts

14.終值定理的應用條件是什么？

答：若函數f（t）及其一階導數都是可拉氏變換的，并且除在原點處唯一的極點外，sF（s）在包括含jw軸的右半s平面內是解析的，這就意味著當t趨近與無窮時f（t）趨于一個確定的值，則函數f（t）的終值為limf（t）=limF（s）。

15.什么叫系統分析？

答：當系統已定，并且輸入知道時，求出系統的輸出（響應），并且通過輸出來研究系統本身的有關問題，即系統分析。

16.對數坐標圖的主要優點有哪些？

答：（1）可以將幅值相乘轉化為幅值相加，便于繪制多個環節串聯組成的系統的對數頻率特性圖。（2）可采用漸近線近似的作用方法繪制對數幅頻圖，簡單方便，尤其是在控制系統設計、校正及系統辨識等方面，優點更為突出。（3）對數分度有效地擴展了頻率范圍，尤其是低頻段的擴展，對工程系統設計具有重要意義。

17.簡述拉氏反變換中部分分式法的步驟。

答：部分分式法是通過代數運算，先將一個復雜的象限函數化為數個簡單的部分分式之和，再分別求出各個分式的原函數，總的原函數即可求得。

18.請寫出超前校正裝置的傳遞函數，如果將它用于串聯校正，可以改善系統什么性能？答：Gc(s)=1/a乘aTs+1/(Ts+1),a>1可增加相位裕量，調整頻帶寬度。

19.影響系統穩態誤差的因素有哪些？

答：影響系統穩態誤差的因素有系統的類型、開環增益和輸入信號。

20.已知系統的調節器為Gc(s)=(T1s+1)(T2s+1)/s,其中T1、T2>0，問是否可以稱其為PID調節器，請說明理由。

答：可以稱其為PID調節器。

Gc(s)=(T1+T2)+T1T2S+1/S .Gc(s)由比例部分 (T1+T2) 、微分部分T1T2s及積分部分1/s相加而成。

21.什么叫機械系統的動柔度和動剛度？

答：若機械系統的輸入為力，輸出為位移（變形），則機械系統的頻率特性就是機械系統的動柔度；機械系統的頻率特性的倒數就是機械系統的動剛度。

22.什么叫機械系統的基本要求？

答：對控制系統的基本要求有系統的穩定性、響應的快速性和響應的準確性等，其中系統的穩定性是控制系統工作的首要條件。在參數已知的情況下分析和評定系統的穩定性、快速性和準確性。

23.設開環傳遞函數Gs=100/s+10s+50,試說明開環系統頻率特性極坐標圖的起點和終點。答：G（s）=0.2/（0.1s+1）（0.02s+1）

G（jw）=0.2/(j0.1w+1)(j0.02w+1)

G(jw)極坐標圖起點：（0.2.j0）

G(jw)極坐標圖終點（0，j0）

29.什么是數學模型？

答：數學模型是系統動態特性的數學表達式。建立數學模型是分析、研究一個動態特性的前提。一個合理的數學模型應以最簡化的形式，準確地描述系統的動態特性。

30.線性系統的主要特征是什么？

答：若系統的數學模型表達式是線性的，則這種系統就是線性系統。線性系統最重要的特征是可以運用疊加原理。所謂疊加原理，就是系統在幾個外加作用下所產生的響應，等于各個外加作用單獨作用的響應之和。

31.簡述系統時間響應的概念。

答：機械工程系統在外加作用激勵下，其輸出量隨時間變化的函數關系稱之為系統的時間響應，通過時間響應的分析可以揭示系統本事的動態特性。

32.在頻率特性的圖形表示方法中，常用的方法有哪幾種？

答：（1）對數坐標圖或稱伯德圖（2）極坐標圖或稱乃奎斯特圖（3）對數幅-相圖。

33.判斷定常系統是否穩定的方法有哪幾種？

答：勞斯判據；胡爾維茨判據；乃奎斯特穩定性判據；根軌跡法。

34.反饋校正與串聯校正相比，所具有的優點是哪些？

答：反饋校正比串聯校正更有其突出的優點：利用反饋能有效地改變被包圍環節的動態結構參數，甚至在一定條件下能用反饋校正完全取代包圍環節，從而大大減弱這部分環節由于特性參數變化及各種干擾給系統帶來的不利影響。

35.什么是反饋（包括正反饋和負反饋）？

答：所謂信息的反饋，就是把一個系統的輸出信號不斷直接地或經過中間變換后全部或部分地返回，再輸入到系統中去。如果反饋回去的訊號（或作用）與原系統的輸入訊號（或作用）的方向相反（或相位相差180度）則稱之為“負反饋”；如果方向或相位相同，則稱之為“正反饋”。

36.勞斯-胡爾維茨穩定性判據的根據是什么？

答：利用特征方程式的根與系統的代數關系，由特征方程中的已知系數間接判斷出方程的根是否具有負實部，從而判斷系統是否穩定。

37.采用何種方式可以同時減少或消除控制輸入和干擾作用下的穩態誤差？

答：在干擾作用點至系統輸入口的前通道中，提高增益和設置積分環節。

38.簡述拉氏變換的線性性質。

答：拉氏變換是一個線性變換，若有常數KK，函數f(t1),f(t2),則L[K1f1(t)+K2f2(t)]=K1L[f1(t)]+K2L[f2(t)]=K1F1(s)+K2F2(s)

39．系統的頻域性能指標有哪些？

答：相位裕量、幅值裕量、截止裕量及頻寬、諧振頻率及諧振峰值。

40.頻率特性和傳遞函數的關系是什么？

答：若系統的傳遞函數為G（s），則相應系統的頻率特性為G（jw），即將傳遞函數中得s用jw代替

40.請寫出滯后校正裝置的傳遞函數，如果將它用于串聯校正，可以改善系統什么性能？答：G(s)=Ts+1/9aTs+1)，提高系統的穩態精度。

41.什么是系統頻率特性的截止頻率？

答：是指系統閉環頻率特性的幅值下降到其零頻率幅值以下3dB時的頻率。

42.典型二階系統（當0或=1時）在單位階躍輸入信號作用下的輸出響應的特性是什么？

答：0

a=0時，為不衰減振蕩過程；a>0或=1時，為非周期過程。

43.系統時間響應的瞬態響應反映哪方面的性能？而穩態響應反映哪方面的性能？

答：瞬態響應反映了系統的穩定性和響應的快速性等方面的性能，而穩態響應反映了系統響應的準確性。

44.當系統的阻尼比滿足什么條件時，二階系統特征方程的根為兩個不相等的負實根？答：二階系統的特征方程為：

s2+2awns+wn2=0特征根為s=-aw+-√a2+1，要使根具為兩個不相等的負實根，必須滿足-awn0； a>1

45.請簡述拉氏變換的卷積定理。

答：若Fs=Lft，Gs=Lgt則有L∫ft-b

46.已知零初始條件下某系統的單位脈沖響應，能否求出該系統的閉環傳遞函數？若可以，如何求？

答：可以。將零初始條件下單位脈沖響應求拉氏變換即為該系統的閉環傳遞函數。

47.控制系統穩定性的定義是什么？

答：穩定性的定義為:系統在受到外界擾動作用時，其被控制量將偏離平衡位置，當這個擾動作用去除后，若系統在足夠長的時間內能恢復到其原來的平衡狀態或者趨于一個給定的新的平衡狀態，則該系統是穩定的。

48.判定系統是否穩定？

答：相位裕量和幅值裕量大于零，則系統是穩定的，若相位裕量和幅值裕量為零，則系統為臨界穩定，其他為系統不穩定。

49.試從控制的觀點分析反饋校正的特點。

答：反饋校正能有效地改變被包圍環節的動態結構參數，甚至在一定條件下能用反饋校正完全取代包圍環節，從而大大減弱這部分環節由于特性參數變化及各種干擾給系統帶來的不利影響。

50.實現校正的方式有哪幾種？

答：串聯校正、并聯校正和PID校正。

51.什么是主導極點？

答：主導極點是指系統所有閉環極點中距離虛軸最近，且周圍沒有其他閉環零點的那些閉環極點。主導極點對系統的響應起主導作用。

52.最小相位系統與非最小相位系統的對數頻率特性有何異同？

答：最小相位與非最小相位系統的對數幅頻特性相同，兩者對數相頻特性不同，非最小相位系統的相角變化絕對值比最小相位系統相角變化絕對值大。

53.系統有二個閉環特征根分布在s平面的右半面，勞斯表中第一列元素的符號改變幾次？答：有二個右半s平面的特征根，說明勞斯表中第一列元素的符號改變二次。

4.簡述串聯相位超前、相位滯后校正的優缺點是什么。

答：相位超前校正：優點：加快系統響應速度；提高系統相對穩定性。缺點;問題精度變化不大。

相位滯后校正;優點：提高系統穩態精度；提高系統相對穩定性。缺點：降低系統響應速度。

55.試述繪制系統的伯德圖的

一半方法步驟。

答：（1）由傳遞函數求出頻率特性并將其化為若干典型環節頻率特性相乘的形式；（2）求出各典型環節的轉角頻率、阻尼比a等參數；（3）分別畫出各典型環節的幅頻曲線的漸近線和相頻曲線；（4）將各環節的對數幅頻曲線的漸近線進行疊加得到系統幅頻曲線的漸近線并對其進行修正；（5）將各環節相頻曲線疊加，得到系統的相頻曲線。

56.什么是系統的傳遞函數？應用傳遞函數分析系統時必須具備什么條件？

答：傳遞函數是初始條件為零時系統輸出的拉氏變換比輸入的拉氏變換。具備條件：

（1）系統描述為時域問題，即有時間函數f（t）；（2）在描述范圍內至少分段連續；（3）系統為線性。

57.傳遞函數的定義是什么？一個物理可實現的系統，其傳遞函數有什么特征？

答：線性定常控制系統，當初始條件為零時，系統輸出信號的拉氏變換與輸入信號的拉氏變換之比稱為系的傳遞函數。一個物理可實現個系統，其傳遞函數分母階數n應不小于階數m，即n≧m

58.簡要說明欲降低由輸入和干擾信號引起的穩態誤差，采用的措施有何不同？

答：欲降低由輸入信號引起的穩態誤差，應提高系統開環放大倍數或在系統中增加積分環節（提高系統型次）；欲降低由于干擾信號引起的穩態誤差，應在干擾信號作用點之前的前通道中增加放大倍數或增加積分環節。

59.控制系統開環頻率特性的三個頻段是如何劃分的？它們各自反映系統哪方面的性能？答：一般將系統開環頻率特性的復制穿越頻率wc看成是頻率響應的中心頻率，把w《wc的頻率范圍稱為低頻段；把wc附近的頻率范圍稱為中頻段；把w》wc的頻率范圍稱為高頻段。

開環頻率特性的低頻段反映了控制系統的穩態性能；中頻段反映了控制系統的動態性能；高頻段反映了控制系統的抗高頻干擾性能和系統的復雜性。

60.簡述勞斯穩定判據和乃奎斯特穩定判據在使用方法和功能上的區別。

答：在使用方法上的區別：勞斯判據是利用系統閉環特征方程的系統做成勞斯表，根據勞斯表首列元素的符號來判斷閉環系統的穩定性，是一種代數方法；而乃奎斯特判據則是利用系統開環頻率特性，由開環頻率特性圖判斷閉環系統的穩定性，屬于頻率特性分析方法。在功能上的區別：勞斯判據只能判斷閉環系統穩定與否，而乃奎斯特判據不僅能判斷閉環系統的穩定性，還能給出系統穩定或不穩定的程度，揭示改善系統穩定性的途徑。

61.什么是信息和信息的傳遞?試舉例說明?

答:一切能表達一定含義的信號、密碼、情報和均為信息。例如，機械系統中的應力、變形、溫升、幾何尺寸與形狀精度等等，表明了機械系統信號、密碼、情報或消息。所謂信息傳遞，是指信息在系統及過程中以某種關系動態地傳遞，或稱轉換。如機床加工工藝系統，將工件作為信息，通過工藝過程的轉換，加工前后工件尺寸分布有所變化這樣，研究機床加工精度問題，可通過運用信息處理的理論和方法來進行。

62．系統數學模型有哪些？采用哪些方法建立數學模型？

答：系統的數學模型主要有兩種，對于單輸出系統采用的是傳遞函數表達式，在現代控制理論中數學模型采用狀態空間表達式。建立系統的數學模型有兩種方法。1）分析法：根據系統本身所遵循的有關定律寫出數學表達式，在列方程的過程中進行必要的簡化，如線性化等。

2）實驗法：是根據系統對某些典型輸入信號的響應或其它實驗數據建立數學模型。

63．時間響應由哪兩部分組成，它們的含義和作用是什么？

答：系統的時間響應是由瞬態響應和穩態響應兩部分組成。系統受到外加作用后，從初始狀態到最終狀態的響應過程稱為瞬態響應。當時間趨于無窮大時，系統的輸出狀態稱為穩態響應。瞬態響應反映了系統的動態性能，而穩態響應偏離系統希望的程度可用來衡量系統的精確程度。

64．相位裕量Kg的定義？

答：在乃奎斯特圖上，乃奎斯特圖與負實軸交點處幅值的倒數，稱幅值裕量Kg。

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