机械工程控制理论大作业：2015

《机械控制理论基础》——实验报告班级：学号：姓名：目录实验内容实验一一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P3 实验二二阶环节的阶跃响应及时间参数的影响P9 实验三典型环节的频率特性实验P15 实验四机电控制系统的校正P20 实验心得…………………………………………P23实验一 一阶环节的阶跃响应及时间参数的影响● 实验目的通过实验加深理解如何将一个复杂的机电系统传递函数看做由一些典型环节组合而成，并且使用运算放大器来实现各典型环节，用模拟电路来替代机电系统，理解时间响应、阶跃响应函数的概念以及时间响应的组成，掌握时域分析基本方法 。

● 实验原理使用教学模拟机上的运算放大器，分别搭接一阶环节，改变时间常数T ，记录下两次不同时间常数T 的阶跃响应曲线，进行比较（可参考下图：典型一阶系统的单位阶跃响应曲线）。

典型一阶环节的传递函数：G （S ）=K （1+1/TS ） 其中： RC T = 12/R R K =典型一阶环节的单位阶跃响应曲线：● 实验方法与步骤1）启动计算机，在桌面双击“Cybernation_A.exe ”图标运行软件，阅览使用指南。

2）检查USB 线是否连接好，电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

3）在实验项目下拉框中选中本次实验，点击按钮，参数设置要与实验系统参数一致，设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可继续进行实验。

● 实验内容1、选择一阶惯性环节进行实验操作由于一阶惯性环节更具有典型性，进行实验时效果更加明显。

惯性环节的传递函数及其模拟电路与实验曲线如图1-1： G （S ）= - K/TS+1RC T = 12/R R K =2、（1）按照电子电路原理图，进行电路搭建，并进行调试，得到默认实验曲线图1-2图1-2（2）设定参数：方波响应曲线（K=1 ；T=0.1s ）、（K=2；T=1s ），R1=100k Ω 3、改变系统参数T 、K （至少二次），观察系统时间响应曲线的变化。

1.1.1控制论控制：对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。

控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置人类一切实践活动的目的在于认识世界和改造世界，而客观世界是由大大小小、各式各样的系统所组成的。

控制理论是研究各种系统的一般性共同控制规律的科学。

对于一个被控系统，控制理论必须回答下列三个基本问题：1.系统能否被控制？可控性有多大？2. 如何克服系统结构的不确定性及干扰带来的影响？3. 如何具体找到和实现满足要求的控制策略？为了回答上述问题，首先要建立系统的数学模型。

由于实际系统的复杂性，往往不能从基本的物理、化学和生物学定律直接推导出准确的数学模型，而必须利用系统的输入和输出数据做“反演”，这就形成了系统辨识理论。

由于系统的许多状态变量无法直接测量且系统中常有随机噪声的干扰，这就发展了信号滤波理论。

又由于许多系统的结构参数无法事先确定且随时间不断变化，这就产生了鲁棒和自适应控制理论。

对于具有更大不确定性和复杂性的系统，还需要发展能更好地模仿人类智能的智能控制理论。

为了得到具体的控制策略，需要动态全局优化的数学理论和方法，而为了真正实现这种策略，还必须借助于先进的计算手段和各种仪表与执行部件。

自动控制经历了从古典控制理论到现代控制理论的转变。

古典控制理论主要讨论单输入单输出线性系统，代表性的理论和方法包括Routh-Hurwitz稳定性判据，Nyquist分析、Bode图、Ziegler-Nichols调节律和Wiener滤波等。

单复变函数论和平稳过程理论等是古典时期重要的数学工具。

现代控制理论诞生的标志包括极大值原理，美国著名数学家Bellman的动态规划和Kalman的递推滤波以及状态空间模型的能控性、能观测性、反馈镇定等代数理论的出现等。

近40年来，现代控制理论在工程技术需求和计算机发展的有力推动下得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、随机控制、稳健控制、自适应控制、辨识与滤波、离散事件动态系统等若干主要方向上取得了重要进展。

技能认证机械工程控制考试(习题卷1)第1部分：单项选择题，共100题，每题只有一个正确答案,多选或少选均不得分。

1.[单选题]线性系统与非线性系统的根本区别在于()A)线性系统有外加输入,非线性系统无外加输入B)线性系统不满足迭加原理,非线性系统满足迭加原理C)线性系统满足迭加原理,非线性系统不满足迭加原理D)线性系统无外加输入,非线性系统有外加输入答案:C解析:2.[单选题]根轨迹起始于 ,终止于 。

()A)开环极点、开环零点B)闭环极点、闭环零点C)开环零点、开环极点D)闭环零点、闭环极点答案:A解析:3.[单选题]两个复数积的幅角等于它们的幅角。

()A)和B)差C)积D)商答案:A解析:4.[单选题]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)即不充分也不必要答案:C解析:5.[单选题]振荡环节中的阻尼比等于()时,为最佳阻尼比。

A)0.8B)0.707C)0.5D)其他答案:B解析:6.[单选题]一阶系统的闭环极点越靠近坐标平面的s原点,其()A)响应速度越慢B)响应速度越快C)准确度越高D)准确度越低答案:A解析:7.[单选题]传递函数的零点和极点均在复平面的左侧的系统为()A)最小相位系统B)有差系统C)无差系统D)非最小相位系统答案:A解析:8.[单选题]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)负数答案:A解析:9.[单选题]直流伺服电动机的转速与对其输入的()成正比例关系。

A)以上都不对B)电流C)电压D)电阻答案:C解析:10.[单选题]系统伯德图的横坐标是以()表示的。

A)笛卡尔坐标B)级数坐标C)复数坐标D)对数坐标答案:D解析:11.[单选题]线性系统的频率特性()。

A)与时间t有关B)与输入幅值有关C)由系统的结构、参数确定;D)与输出有关答案:C解析:12.[单选题]若描述系统的微分方程是变量及其倒数的一次有理整式,并且描述系统的微分方程的系数均为常数,则此系统为()A)非线性定常系统B)非线性时变系统C)线性时变系统D)线性定常系统答案:D13.[单选题]机械工程自动控制系统的基本要求是稳定性、准确性和()A)美观性B)实用性C)快速性D)以上都不对答案:C解析:14.[单选题]线性定常二阶系统的闭环增益加大:()A)对系统的动态性能没有影响B)超调量愈大C)峰值时间提前D)系统的快速性愈好答案:A解析:15.[单选题]下面典型时域信号中,传递函数为1的是()。

机械工程控制基础答案(第七版)第一章：控制系统的基本概念1.1 什么是控制系统？控制系统是由各种组件和部件组成的工程系统，它们通过传递信号和信息来控制和调节系统的运行状态。

1.2 控制系统的分类控制系统可以根据输入和输出信号的性质分为连续时间控制系统和离散时间控制系统。

1.3 控制系统的组成控制系统主要由输入部分、执行部分和输出部分组成。

输入部分负责接收输入信号，执行部分负责根据输入信号执行相应的操作，输出部分负责输出结果。

1.4 控制系统的闭环与开环闭环控制系统是指系统的输出信号可以作为输入信号的一部分进行反馈控制，而开环控制系统是指系统的输出信号不会作为输入信号的一部分进行反馈控制。

1.5 控制系统的性能指标控制系统的性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。

第二章：传输函数与信号流图2.1 传输函数的定义传输函数描述了控制系统中输入和输出之间的关系。

它可以通过系统的微分方程和拉普拉斯变换来求得。

2.2 传输函数的性质传输函数具有线性、时不变和因果性等性质。

2.3 信号流图的表示信号流图是用于描述控制系统的一种图形表示方法，它由节点和支路组成。

节点表示系统的状态，支路表示信号的传递。

2.4 信号流图的简化信号流图可以通过串联、并联、反馈和转移等操作进行简化和求解。

第三章：经典控制系统设计3.1 一阶惯性环节的控制系统设计一阶惯性环节的控制系统设计主要包括根轨迹法和频率响应法。

根轨迹法通过绘制根轨迹来设计控制系统的参数，频率响应法通过频率特性来设计控制系统的参数。

3.2 二阶惯性环节的控制系统设计二阶惯性环节的控制系统设计主要包括模拟法和频率法。

模拟法通过模拟计算来设计控制系统的参数，频率法通过频率特性来设计控制系统的参数。

3.3 控制系统的稳定性分析与设计控制系统的稳定性是指系统在受到干扰时能够保持稳定的状态。

稳定性分析和设计是控制系统设计中的重要内容。

3.4 控制系统的性能分析与设计控制系统的性能包括快速性、准确性和鲁棒性等方面。

机械工程控制基础机械工程控制基础是指机械工程中涉及到的控制理论和方法。

下面是机械工程控制基础的详细解释：1. 控制系统：控制系统是指由传感器、执行器和控制器组成的系统，用于监测和调节机械系统的运行状态。

控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两种类型。

2. 传感器：传感器是用来感知机械系统状态或环境参数的装置，常见的传感器有温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。

传感器将物理量转化为电信号，用于控制系统的输入。

3. 执行器：执行器是控制系统中的输出装置，用于根据控制信号执行相应的动作。

常见的执行器包括电动机、液压缸、气动阀等。

4. 控制器：控制器是控制系统中的核心部分，用于根据传感器的反馈信号和设定值进行计算和决策，并生成控制信号送往执行器。

常见的控制器有比例控制器、积分控制器、微分控制器等。

5. 反馈控制：反馈控制是指控制系统中利用传感器的反馈信号进行控制的方法。

通过比较反馈信号和设定值，控制器可以调节执行器的输出，使系统保持稳定。

6. 控制策略：控制策略是指控制系统中的算法和方法，用于决定控制器如何根据传感器信号进行计算和决策。

常见的控制策略有比例控制、积分控制、微分控制、模糊控制、PID控制等。

7. 控制系统的稳定性：控制系统的稳定性是指控制系统在一定条件下能否保持稳定的性质。

稳定的控制系统能够快速、准确地响应输入信号，并保持系统的平衡。

8. 控制系统的性能指标：控制系统的性能指标是衡量控制系统性能好坏的指标，常见的性能指标有超调量、调节时间、稳态误差等。

9. 控制系统的建模与仿真：控制系统的建模与仿真是指利用数学模型和计算机仿真技术来研究和分析控制系统的行为。

通过建立系统的数学模型，可以预测和优化控制系统的性能。

总之，机械工程控制基础涵盖了控制系统的基本原理、传感器和执行器的工作原理、控制器的设计和调节方法，以及控制系统的稳定性和性能评估等内容。

这些基础知识对于机械工程师设计和优化机械系统的控制系统具有重要的指导作用。

第一章自动控制系统的基本原理第一节控制系统的工作原理和基本要求第二节控制系统的基本类型第三节典型控制信号第四节控制理论的内容和方法第二章控制系统的数学模型第一节机械系统的数学模型第二节液压系统的数学模型第三节电气系统的数学模型第四节线性控制系统的卷积关系式第三章拉氏变换第一节傅氏变换第二节拉普拉斯变换第三节拉普拉斯变换的基本定理第四节拉普拉斯逆变换第四章传递函数第一节传递函数的概念与性质第二节线性控制系统的典型环节第三节系统框图及其运算第四节多变量系统的传递函数第五章时间响应分析第一节概述第二节单位脉冲输入的时间响应第三节单位阶跃输入的时间响应第四节高阶系统时间响应第六章频率响应分析第一节谐和输入系统的定态响应第二节频率特性极坐标图第三节频率特性的对数坐标图第四节由频率特性的实验曲线求系统传递函数第七章控制系统的稳定性第一节稳定性概念第二节劳斯判据第三节乃奎斯特判据第四节对数坐标图的稳定性判据第八章控制系统的偏差第一节控制系统的偏差概念第二节输入引起的定态偏差第三节输入引起的动态偏差第九章控制系统的设计和校正第一节综述第二节希望对数幅频特性曲线的绘制第三节校正方法与校正环节第四节控制系统的增益调整第五节控制系统的串联校正第六节控制系统的局部反馈校正第七节控制系统的顺馈校正第一章自动控制系统的基本原理定义：在没有人的直接参与下，利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。

第一节控制系统的工作原理和基本要求一、控制系统举例与结构方框图例1．一个人工控制的恒温箱，希望的炉水温度为100C°,利用表示函数功能的方块、信号线，画出结构方块图。

图1人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度，通过大脑分析、比较，利用手和锹上煤炭助燃。

比较图2例2．图示为液面高度控制系统原理图。

试画出控制系统方块图和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。

解：浮子作为液面高度的反馈物，自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度，调解气动阀门的开合度，对误差进行修正，可保持液面高度稳定。

摘要机械工程项目管理是指对机械工程项目从项目策划、设计、施工、调试到交付使用等一系列活动进行科学、合理、高效的组织、协调、控制，以确保项目目标的实现。

本文以某机械工程项目为例，分析了项目管理的各个方面，包括项目策划、设计、施工、调试和交付使用等，探讨了项目管理中存在的问题及解决方案。

一、项目背景某机械工程项目是某公司为提高生产效率而投资建设的项目。

该项目主要包括以下内容：1. 建设一座现代化生产线，包括设备安装、调试等；2. 建设配套设施，如仓库、办公室、休息室等；3. 对现有生产线进行改造，提高生产效率。

项目总投资约为1000万元，工期为12个月。

二、项目管理概述1. 项目策划在项目策划阶段，项目团队对项目进行了全面分析，包括市场需求、技术可行性、投资回报等。

经过分析，项目团队确定了项目目标、实施方案、进度安排等。

2. 设计阶段在设计阶段，项目团队根据项目需求，委托专业设计单位进行设计。

设计单位按照项目要求，完成了设计图纸的绘制，并进行了技术评审。

3. 施工阶段在施工阶段，项目团队按照设计图纸，组织施工队伍进行施工。

施工过程中，项目团队对施工进度、质量、安全等方面进行了严格把控。

4. 调试阶段在调试阶段，项目团队对设备进行了安装、调试，确保设备运行正常。

同时，对生产线进行了试运行，确保生产线的各项性能指标达到设计要求。

5. 交付使用阶段在交付使用阶段，项目团队对项目进行了验收，确保项目符合设计要求。

同时，对用户进行了培训，使其熟悉设备操作和维护方法。

三、项目管理中存在的问题及解决方案1. 问题一：项目进度延误原因分析：由于设计变更、设备采购延误、施工过程中出现问题等因素，导致项目进度延误。

解决方案：加强项目进度管理，确保项目进度与计划相符。

对于设计变更，及时调整计划，确保项目进度不受影响。

2. 问题二：项目成本超支原因分析：设备采购价格过高、施工过程中出现质量问题、设计变更等因素导致项目成本超支。

机械工程控制理论课程作业 201542.121中国石油大学机电工程学院研15级一.计算题（应用MATLAB 求解）1. •系统由下列两个子系统并联而成，试确定该系统的整体状态方程模型、传递函数模型，并确总系统的零、极点。

如取采样周期T=Qls,确定该系统所对应的Z 传递函数和离散状态方程，并 判别系统的稳定性。

子系统2：系统的传递函数模型为G （5）=—S + 3解：分别求出两个子系统的传递函数和状态空间方程再并联，就可以求出整体模型。

MATLAB 语句: A=[・2 -5;1 0];C=U 2]; 0=0;sys=parallel(sysl,sys2) 结果为：%建立整体系统传递函数ssl=ss(ABC,D); %建立子系统1的状态空间模型 sysl=tf(ssl);%建立子系统1的传递函数 sys2=tf(3,[l 3]);%建立子系统2的传递函数 子系统h 系统状态空间模型的参数A =-2 -5",B =T,c=_ 1 0 __0_Transfer function: 4 事2 + 11 s + 21 s'3 + 5 3*2 + 11 s + L5 %建立整体系统的状态空间模型x2x3x3ulyiC oirt xnuous —t xrae mo de 1 •%求系统的极点 ans -3. 0000-1.0000 + 2. OOOOi -1.0000 - 2. OOOOi%求系统的零点ans-1.3750 + 1-83291 -1.3750 - 1-83291Transfer function:0.3584 z*2 - 0.6143 z + 0. 2723 z'3 - 2-514 z'2 + 2. 133 z - 0.6065ssd=c2d(ss,Ol) %建立T=O ・1时•系统的z 传递函数ss=ss(sy£)Xi X1-5x2-2- 75x3-1. S75xl x2 ul4 0Xix2x3yi0.6S750. 6563po lc(sys) zerofsys) sd=c2d(sys,O.l/2oh")%建立T=O ・1时，系统的Z 传递函数Sampling tim*:Discrete-tine model.连续系统的稳定性判断准则是系统全部极点均有负实部，从极点的结果看出，所有结果均有负 实部，所以该系统是稳泄的。

技术改造—272—《机械工程控制基础》实验综述报告谷 龙（安徽文达信息工程学院，安徽 合肥 230000）1、引言《机械控制工程基础》强调基本概念和基本方法，注重方法论述的逻辑性和严谨性，同时在论述过程中根据工科学生的具体情况尽量避免高深的数学论证，紧密结合控制工程与机械工程实际，用机械与电气实例解释基本理论和基本方法，使其能很好地在数理知识和专业知识之间起到桥梁的作用。

随着国家经济形势的迅猛发展，安徽的经济也迎来了巨大的发展机遇，合肥，作为安徽省的省会城市，其优先得到的发展机会是不言而喻的。

2、机械工程控制基础的实验现状2.1国内高校的实验方法 国内的一些高校从自身的办学定位出发，呈现出两种不同的实验方法： 一是以清华大学、上海交大等为代表的国内著名理论研究型高校，其办学宗旨是培养高水平的理论创新型人才。

《机械工程控制基础》课程的教学也必须从传统的控制理论知识的讲述，转变到如何引导学生应用课堂上所学的相关控制理论的基础知识去解决机械工程中相关的控制工程问题，为此，必须建立与之相适应的实验教学体系。

二是以众多职业技术学院为代表的实际操作型学校，其办学宗旨是培养企业设备的操作工人，他们大多采用的是以提高学生的应用技能为目的的实验方法。

目的旨在培养学生的认知能力，为企业直接提供来之即用的产业工人。

2.2国外高校的实验方法 实验教学是培养学生实践和科学素养的重要途径，所以实验室成为从事实验教学和科学研究的重要基地。

近年来，高校实验室建设规模和实验室的功能得到了不断加强，由此带来的实验室安全问题变得尤为突出。

2015 年12 月18 日，据人民网报道：“清华大学化学系何添楼一实验室发生火灾爆炸事故，造成一博士后实验人员当场死亡。

”此次实验室安全事故再一次敲响了实验室安全教育与管理的警钟。

为了保障实验室财产与实验人员的安全，高校应把实验教学安全规范与管理作为实验教学与科研工作的首要任务。

国外实验室安全规范与管理情况国外特别是西方发达国家，其高校对安全管理高度重视，每所高校都成立专门机构负责实验安全工作，机构内成员大多是专业技术人员。

河南科技大学2015年硕士研究生入学考试试题答案及评分标准考试科目代码：803 考试科目名称：机械控制工程基础一、 （30分）填空题，每空2分1. 自动控制系统按有无反馈来分类可分为：开环和闭环。

2. 对自动控制系统的三个基本要求是稳定、准确、与快速。

3. 在零初始条件时，输出拉氏变换与输入拉氏变换之比称为线性系统（或元件）的传递函数。

4. 控制系统的时间响应，可以划分为瞬态和稳态两个过程。

5. 频率响应是系统对正弦输入的稳态响应，频率特性包括幅频和相频两种特性。

6. 系统渐近稳定的充分必要条件是闭环控制系统传递函数的___特征方程的根____都具有___负实部___。

二、 （10分）1-5. A C A B D三、 （12分）如图1所示的机械系统，求该系统的传递函数1()()/()G s X s F s 。

图1解： 2222122132112212211111()()()M x f t K x x B x x B x M x K x x B x x K x B x （4分）拉氏变换，并将参数带入得：221212(255)(35)(69)(35)s s X F s X s sX sX （4分）消去2X 后得到传递函数 1432()(35)()()217444520X s s G s F s s s s s（4分）四、 （12分）汽车主动悬挂系统控制原理图如图2所示。

r 为路面颠簸，x 为车身垂直位移。

求传递函数()/()X s R s 。

2K 2()G s 1K ()R s +++1()G s -()X s a图2解：添加辅助变量a ，则21122()()a R K X K G XaK X G （方法不限6分）消去中间变量a ，得到 21122()XRK X K G K X G（2分）整理后得到传递函数12221212()()1KG G X s R s K G K K G G（4分）五、 （12分）为了治疗哮喘，需要通过静脉输液的方式，按照一定的速度将茶碱输入体内。

机械工程控制习题及答案机械工程控制习题及答案控制是机械工程中非常重要的一部分，它涉及到了机械系统的运行和稳定性。

在机械工程的学习过程中，控制习题是非常重要的一环。

通过解决习题，我们可以加深对控制原理和方法的理解，并提高自己的解决问题的能力。

下面，我将为大家提供一些机械工程控制习题及答案，希望对大家的学习有所帮助。

1. 一个质量为m的物体通过一个弹簧与一个固定点相连，弹簧的劲度系数为k。

物体在无外力作用下的运动方程是什么？答案：根据牛顿第二定律，物体的运动方程可以表示为F = ma，其中F为物体受到的合力，m为物体的质量，a为物体的加速度。

在这个问题中，物体受到的合力可以表示为F = -kx，其中x为物体与平衡位置的位移。

因此，物体的运动方程可以表示为ma = -kx，即m(d^2x/dt^2) = -kx。

2. 一个质量为m的物体通过一个弹簧与一个固定点相连，弹簧的劲度系数为k。

如果物体的初始位移为x0，初始速度为v0，求物体的运动方程。

答案：根据上一题的结果，物体的运动方程可以表示为m(d^2x/dt^2) = -kx。

我们可以通过求解这个微分方程来得到物体的运动方程。

假设物体的运动方程为x = Acos(ωt + φ)，其中A为振幅，ω为角频率，φ为初相位。

将这个方程代入微分方程中，可以得到mω^2Acos(ωt + φ) = -kAcos(ωt + φ)。

通过比较两边的系数，可以得到ω = sqrt(k/m)，即角频率与劲度系数和质量有关。

因此，物体的运动方程可以表示为x = Acos(sqrt(k/m)t + φ)。

3. 一个质量为m的物体通过一个阻尼器与一个固定点相连，阻尼器的阻尼系数为b。

物体在无外力作用下的运动方程是什么？答案：在有阻尼的情况下，物体的运动方程可以表示为F = ma + bv，其中v为物体的速度。

根据牛顿第二定律，物体的运动方程可以表示为ma + bv = 0，即m(d^2x/dt^2) + b(dx/dt) = 0。

吉林大学网络教育学院2019-2020学年第一学期期末考试《机械工程控制基础》大作业答案学生姓名专业层次年级学号学习中心成绩年月日作业完成要求：大作业要求学生手写，提供手写文档的清晰扫描图片，并将图片添加到word 文档内，最终wod文档上传平台，不允许学生提交其他格式文件（如JPG，RAR等非word 文档格式），如有雷同、抄袭成绩按不及格处理。

一、名词解释（每小题2分，共20分）1、自动控制答:自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

自动控制是相对人工控制概念而言的。

2、系统答:在数字信号处理的理论中，人们把能加工、变换数字信号的实体称作系统。

由于处理数字信号的系统是在指定的时刻或时序对信号进行加工运算，所以这种系统被看作是离散3、反馈答:反馈是一个汉语词语，拼音是fǎn kuì，英文是feedback，是系统与环境相互作用的一种形式。

在系统与环境相互作用过程中，系统的输出成为输入的部分，反过来作用于系统本身，从而影响系统的输出。

根据反馈对输出产生影响的性质，可区分为正反馈和负反馈。

前者增强系统的输出；后者减弱系统的输出。

以人体的反射活动为例：当刺激（输入）作用于感受器之后，神经兴奋沿传入神经传递给大脑中枢，再沿传出神经控制效应器的活动（输出）；效应器的活动情况又作为刺激信息（输入）返回作用于感受器，进而通过大脑中枢的调节影响效应器的活动（输出）。

4、开环控制系统答:开环控制系统是指一个输出只受系统输入控制的没有反馈回路的系统。

在开环控制系统中，不把关于被控量的值的信息用来在控制过程中构成控制作用。

其特点是施控装置指挥执行机构动作，改变被控对象的工作状态，被控量相应地发生变化，而这种变化并不再次构成施控装置动作的原因，即控制信号和被控量之间没有反馈回路。

为了选择一个控制力，重要的是，要用到关于扰动对被控量影响的信息，而不是关于扰动本身的信息。

2017-2018学年第一学期期末考试《机械工程控制基础》大作业
一、简答题（每题10分，总分60分）
1、传递函数的定义是什么？
2.简要说明欲降低由输入和干扰引起的稳态误差，采取的措施有何不同？
3.控制系统开环频率特性的三个频段是如何划分的？它们各自反映系统哪方面的性能？
4.简述开环控制和闭环控制的结构特点
开环、闭环控制系统的特点，可以主要从三方面来分析。

1、工作原理：开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。

控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

合闭环控制系统不管出于什么原因（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。

控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。

2、结构组成：开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。

闭环系统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。

3、稳定性：开环控制系统的稳定性比较容易解决。

闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。

5.什么是反馈(包括正反馈和负反馈)?
放大器的信号传输都是从放大器的输入端传输到放大器输出端，但是反馈过程则不同，它是从放大器输出端取出一部分输出信号作为反馈信号，再加到放大器的输入端，与原放大器输入信号进行混合，这一过程称为反馈。

正反馈可以举一个例子来说明，吃某种食品，由于它很可可，所以在吃了之后更。

机械工程控制理论Mechanical Engineering Control Theory一、总学时：40学时（讲课40学时，实验0学时）学分：2学分二、教学目的机械工程控制理论是研究控制论在机械工程中应用的科学，即研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，包括系统本身的动态关系。

本课程内容丰富，理论性、系统性强。

研究生通过本课程的学习，能掌握经典控制理论的基本理论和复域、频域中的基本分析方法，熟悉有关的算法，能从事机械工程中自动控制系统的设计、研究和开发工作。

三、课程内容及学时分配第一章机械工程控制论的基本概念（4学时）1.1机械工程控制论的研究对象与任务1.2机械工程系统中的信息传递、反馈及反馈控制1.3控制系统的分类与基本要求第二章机械工程系统的数学模型（8学时）2.1系统的微分方程2.2传递函数2.3系统的传递函数方框图及其简化第三章系统的时间响应分析（6学时）3.1时间响应的概念3.2一阶系统的时间响应3.3二阶系统的时间响应3.4高阶系统的响应分析第四章系统的频率响应分析（6学时）4.1频率特性概述4.2频率特性的极坐标图（乃奎斯特图）4.3频率特性的对数坐标图（伯德图）4.4最小相位系统的概念4.5闭环频率特征和频率特性特征量第五章系统的稳定性（6学时）5.1系统的稳定性概念5.2劳斯稳定判据5.3乃奎斯特稳定判据5.4系统的相对稳定性第六章系统的性能分析与校正（6学时）6.1系统的时域和频域性能指标6.2串联校正6.3反愦及顺馈校正第七章系统辨识（4学时）7.1单位脉冲响应的估计7.2伯德图与乃奎斯特图的估计四、适用专业机械工程及自动化五、先修课程线性代数、复变函数、积分变换、微分方程、电路、电工学六、教材及主要参考书1、杨叔子、杨克冲等编著，机械工程控制基础，华中理工大学出版社，1993.42、孙亮、杨鹏主编，自动控制原理，北京工业大学出版社，2000 .93、王积伟、吴振顺，控制工程基础，2001 .8。

控制论两个核心：信息和反馈控制论与机械工程控制关系：机械工程控制论是研究控制论在机械工程中应用的一门技术学科。

控制论发展阶段及特点：第一阶段的自动控制理论，即经典伺服机构理论，成熟于40~50 年代。

针对工程技术运用控制论的基本原理建立起来的在复数域（频率域）内以传递函数（频率特性）概念为基础的理论体系，主要数学基础是拉普拉斯变换和傅里叶变换，主要研究单输入—单输出定常系统的分析和设计。

第二阶段的自动控制理论，即形成于20 世纪60 年代的现代控制理论。

主要以状态空间法为基础建立起来的理论体系，主要针对多输入—多输出（线性或非线性）系统研究其稳定性、可控性、可观测性等系统分析、综合以及最优控制和自适应控制等问题。

第三阶段的自动控制理论，即在20 世纪70 年代形成的大系统理论，主要针对规模特别庞大的系统，或者特别复杂的系统，采用网络化的电子计算机进行多级递阶控制。

第四阶段的自动控制理论，即始于20 世纪70 年代的智能控制理论。

使工程系统、社会、管理与经济系统等具有人工智能。

机械工程控制论研究对象：机械工程控制论是研究以机械工程控制技术为对象的控制论问题。

具体的讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，即研究系统在一定的外界条件（即输入与干扰）作用下，系统从某一初始状态出发，所经历的整个动态过程，也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。

控制系统研究涉及问题分类：1）系统确定，输入已知而输出未知，要求确定系统输出并分析系统性能，此类问题为系统分析。

2）系统确定，输出已知而输入未施加，要求确定输入使输出满足最佳要求，此类问题称为最优控制。

3）系统已确定，输出已知而输入已知但未知时，要求识别系统输入或输入中有关信息，此类问题即滤波与预测。

4）当输入与输出已知而系统结构参数未知时，要求确定系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，此类问题即系统辨识。

5）当输入与输出已知而系统尚未构建时，要求设计系统使系统在该输入条件下尽可能符合给定的最佳要求，此类问题即最优设计。

一级倒立摆研究（160232 蒋琴）1. 背景介绍倒立摆装置被公认为自动理论中的典型实验设备， 也是控制理论教学和科研中不可多得 的典型物理模型。

通过倒立摆的研究，可以将控制理论所涉及的三个基础学科：力学、 数学 和电学有机结合起来，在倒立摆中进行综合应用。

在稳定控制问题上， 倒立摆既具有普遍性又具有典型性。

其结构简单， 价格低廉， 便于 模拟和数字实现多种不同的控制方法，倒立摆的控制方法有很多种，如 PID 、自适应、状态 反馈、智能控制、模糊控制及神经元网络等多种理论和方法。

用现代控制理论中的状态反馈方法来实现倒立摆系统的控制，就是设法调整闭环系统 的极点分布，以构成闭环稳定的倒立摆系统，实际上，用线性化模型进行极点配置求得的 状态反馈阵，不一定能使倒立摆稳定竖起来，能使倒立摆竖立起来的状态反馈阵是实际调 试出来的，这个调试出来的状态反馈阵肯定满足极点配置。

2. 倒立摆简介倒立摆可以分为直线倒立摆、平面倒立摆和环形倒立摆等。

3. 模型构建3.1 倒立摆系统运动示意图M 小车质量 m 摆杆质量 b 小车摩擦系数2-3 环形倒立摆3-1 倒立摆系统运动示意l 摆杆转动轴心到杆质心的长度I 摆杆惯量F 加在小车上的力x 小车位置Φ摆杆与垂直向上方向的夹角（逆时针为正）θ摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下，顺时针为正）3.2受力分析3-2 倒立摆受力分析图3.3模型构建1）理论分析应用 Newton 方法来建立系统的动力学方程过程如下。

分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：Mx'' F bx' N由摆杆水平方向所受的合力，可以得到如下方程：d22 N md2（x lsin ）mx'' mlcos '' mlsin （ '）2dt2合并得：(M m)x'' bx' ml[ '' cos ( ')2 sin ] F摆杆垂直方向：P mg m d2(l cos ) ml[ '' sin ( ')2 cos ] dt2I '' Pl sin Nl cos合并得到力矩平衡方程：Pl sin Nl cos I '' （3）当夹角很小时（小于 1rad ） ,可以做如下近似处理：cos cos 1 ，sin sin ，'' 0用 u 代替 F，可得：(M m)x'' bx' ml '' u(I ml2 ) '' mgl(4)mlx''设状态空间表达式为：1）X' AX Bu y CX Du在（ 4）式中对 x''和 ' '进行线性求解，可得：x' x'(I ml 2)b m 2gl 2 I ml 2x'' x' u pp '' '' mlb x' mgl(M m) ml u其中： p I(M m) Mml 2 )2）实际问题实际系统参数如下：M 小车质量 1.096kgm 摆杆质量 0.109kgb 小车摩擦系数 0.1N/m/sl 摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.25mI 摆杆惯量 0.0034 kg m 2T 采样时间 0.005s 所以，状态空间表达式为： x' 0 1 0 0x0 x'' 0 0.0883 0.6300 0 x' 0.8832' 0 0 0 1u0 '' 0 0.2357 27.8570 0 ' 2.3566 整理后，得到状态空间表达式为： 0x' x'' ''' y 10 0 其中： 1 (I ml 2)b p 0 mlb p 00 1 0 22 m 2gl 2 p 0 mgl(M m) p x 0x' 0 ' 00up I(M m) Mml 2ml 2pmlp6）5）x1 0 0001 3.4 系统的能观性和能控性 能观性矩阵：M [B AB A 2B A 3B]0 0.8832 0.0780 1.49150.8832 0.0780 1.4915 0.26290 2.3566 0.2082 65.66622.3566 0.2082 65.6662 6.1506 rank (M ) 4能控性矩阵：N C CA CA 2 CA 3 T1.0000 0 00 0 0 1.00000 0 1.0000 00 0 0 1.00000 - 0.0883 0.6300 00 - 0.2357 27.8570 00 0.0078 0.0556 0.63000 0.0208 0.1485 27.8570 rank ( N ) 4所以，系统是能控能观的，本身即为最小系统。