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第一章绪论1、基本概念（1）自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（或过程）的某些物理量（被控量）自动地按预先给定的规律去运行。
（2）自动控制系统：能够实现自动控制任务的系统，由控制装置与被控对象组成。
（3）被控对象：指被控设备或过程。
（4）输出量，也称被控量：指被控制的量。
它表征被控对象或过程的状态和性能，它又常常被称为系统对输入的响应。
（5）输入量：是人为给定的系统预期输出的希望值。
（6）偏差信号：参考输入与实际输出的差称为偏差信号，偏差信号一般作为控制器的输入信号。
（7）负反馈控制：把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较，利用偏差引起控制器产生控制量，以减小或消除偏差。
2、自动控制方式（1）开环控制开环控制系统指系统的输出量对系统的控制作用没有影响的系统。
它分为按给定控制和按扰动控制两种形式。
按给定控制：信号由给定输入到输出单向传递。
按扰动控制（顺馈控制）：根据测得的扰动信号来补偿扰动对输出的影响。
（2）闭环控制（反馈控制）闭环控制系统指系统的输出量与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统。
系统根据实际输出来修正控制作用，实现对被控对象进行控制的任务，这种控制原理称为反馈控制原理。
3、自动控制系统的分类（1）按给定信号的特征分类①恒值控制系统：希望系统的输出维持在给定值上不变或变化很小。
②随动控制系统：给定信号的变化规律是事先不确定的随机信号。
③程序控制系统：系统的给定输入不是随机的，而是确定的、按预先的规律变化。
（2）按系统的数学模型分类⎧⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎧⎪⎪−−−→⎨⎨⎪⎩⎩⎪⎪⎧−−−→⎪⎪⎪⎧⎪⎨⎪⎪−−−→⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎩⎩分析法分析法分析法分析法时域法根轨迹法线性定常系统频域法线性系统状态空间法时域法线性时变系统状态空间法非本质非线性线性化法描述函数法非线性系统本质非线性相平面法状态空间法 （3）按信号传递的连续性划分①连续系统：系统中的所有元件的输入输出信号均为时间的连续函数，所以又常称为模拟系统。
《控制工程基础》课程综合复习资料一、单选题1. 判断下面的说法是否正确：偏差()t ε不能反映系统误差的大小。
(A)正确(B)错误答案：B2. 判断下面的说法是否正确：静态速度误差系数v K 的定义是20lim .()s s G s →。
(A)正确(B)错误答案：B3.二阶振荡环节的传递函数G(s)=（）。
(A)22,(01)21Ts T s Ts ξξ<<++ (B)22,(01)21T T s Ts ξξ<<++ (C)221,(01)21T s Ts ξξ<<++ (D)22,(01)21s T s Ts ξξ<<++ 答案：C4.函数5()301G jw jw =+的幅频特性()A w 为（）。
(A)(B)(C)(D)259001w + 答案：D5.某一系统的误差传递函数为()1()1()i E s X s G s =+，则单位反馈系统稳态误差为（）。
(A)01lim ()1()i s s X s G s →+ (B)01lim ()1()i s X s G s →+ (C)1lim ()1()i s s X s G s →∞+ (D)1lim ()1()i s X s G s →∞+ 答案：A6.某系统的传递函数为21()56s s s s φ+=++，其单位脉冲响应函数0()x t =（）。
(A)23(2)1()t t e e t ---+(B)23(2)1()t t e e t --+(C)1()t(D)0答案：A7.图中系统的脉冲传递函数为（）。
(A)1010()(1)()(1)()T T C z z e R z z z e --+=-+ (B)1010()(1)()(1)()T T C z z e R z z z e ---=-+ (C)210()10()(1)()T C z z R z z z e -=--(D)210()10()(1)()T C z z R z z z e --=-- 答案：C8.二阶系统的极点分别为120.5,3s s =-=-，系统增益2，则其传递函数为（）。
球杆控制一、球杆系统说明1 系统简述球杆系统（Ball & Beam ）是为自动控制原理等基础控制课程的教学实验而设计的实验设备。
该系统涵盖了许多经典的和现代的设计方法。
这个系统有一个非常重要的性质——它是开环不稳定的。
不稳定系统的控制问题成了大多数控制系统需要克服的难点，有必要在实验室中研究。
但是由于绝大多数的不稳定控制系统都是非常危险的，因此成了实验室研究的主要障碍。
而球杆系统就是解决这种矛盾的最好的实验工具，它简单、安全并且具备了一个非稳定系统所具有的重要的动态特性。
整个装置由球杆执行系统、控制器和直流电源等部分组成。
该系统对控制系统设计来说是一种理想的实验模型。
正是由于系统的结构相对简单，因此比较容易理解该模型的控制过程。
球杆执行系统（如图1 所示）由一根V 型轨道和一个不锈钢球组成。
V 型槽轨道一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移电阻器。
当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出电压可测得球在轨道上的位置。
V 型槽轨道的一端固定，而另一端则由直流电机（DC motor ）的经过两级齿轮减速，再通过固定在大齿轮上的连杆带动进行上下往复运动。
V 型槽轨道与水平线的夹角可通过测量大齿轮转动角度和简单的几何计算获得。
这样，通过设计一个反馈控制系统调节直流电机的转动，就可以控制小球在轨道上的位置。
GBB1004 型球杆系统由三大部分组成：IPM100 智能驱动器、球杆装置和控制计算机。
IPM100 智能驱动器使用方法请参照《IPM100SK 用户手册》；计算机为装有Windows 的计算机或是其他兼容机。
图1 球杆系统执行机构原理图在一长约0.4 米的轨道上放置一不锈钢球，轨道的一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移传感器，当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出的电压信号可获得球在轨道上的位置x 。
电机转动带动齿轮系驱动杠杆臂Lever Arm 转动，轨道Beam 随杠杆臂的转动与水平方向也有一偏角α,球的重力分量会使它沿着轨道滚动，设计一个控制系统通过调节伺服角度θ使得不锈钢球在Beam 上的位置能被控制。
单回路控制系统实验报告实验名称：单回路控制系统实验实验目的：掌握单回路控制系统的基本原理和调节方法，熟悉控制系统的建模、分析和设计过程。
实验设备：计算机、控制系统实验仪器、数据采集卡、传感器、执行器等。
实验原理：单回路控制系统是由闭环反馈控制器、过程装置和传感器组成的反馈控制系统。
其基本原理是根据反馈信号来调节输出信号，使得系统输出达到期望值或稳定在某个给定值上。
单回路控制系统可用于控制温度、压力、速度等各种物理量。
实验步骤：1. 搭建单回路控制系统：将闭环反馈控制器、过程装置和传感器按照实验要求连接起来，确保各个设备之间的信号传输正常。
2. 设定控制目标：根据实验需求，设定控制系统的目标值，如温度控制系统中的目标温度。
3. 进行系统建模：将控制系统中的各个元件抽象为数学模型，如控制器的传递函数、过程装置的传递函数等。
4. 参数调整：选择合适的控制器参数，如比例增益、积分时间和微分时间，并通过试控实验进行参数调整。
5. 进行闭环控制实验：将控制系统闭合，即将输出信号作为反馈信号输入到控制器中，通过控制器输出调节过程装置的输入信号，控制系统达到期望值或稳定在给定值上。
6. 实验数据采集与分析：利用数据采集卡采集实验过程中的各个信号数据，并进行数据分析，如误差分析、系统响应时间等。
7. 评价控制效果：根据实验数据分析结果，评价控制系统的性能，并对控制系统进行改进或优化。
实验结果：根据实验数据采集与分析结果，可以得到控制系统的性能指标，如超调量、调节时间等。
根据实验结果，评价控制系统的性能，并对控制器参数进行调整和优化，以达到更好的控制效果。
实验总结：通过本实验，掌握了单回路控制系统的基本原理和调节方法，了解了控制系统的建模、分析和设计过程。
实验中还发现了控制系统中可能存在的问题，并进行相应的改进措施。
在今后的工作中，将进一步研究和应用控制系统技术，提高控制系统的性能和稳定性。
机械工程控制基础复习题第一章绪论1、以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较（）。
A .开环咼 B.闭环咼 C.相差不多 D. 一样咼1、系统的输出信号对控制作用的影响（)°A .开环有 B.闭环有 C.都没有 D.都有1、对于系统抗干扰能力（)°A .开环强 B.闭环强 C.都强 D.都不强1、下列不属于按输入量的变化规律分类的是（)°A . 恒值控制系统 B.计算机控制系统 C.随动控制系统 D.程序控制系统1、按照系统传输信号的类型可分成（）。
A .定常系统和时变系统 B.离散控制系统和连续控制系统 C.线性系统和非线性系统 D.恒值系统和程序控制系统1 •按照控制系统是否设有反馈作用来进行分类，可分为 ______________ 和____________ 。
答案：开环控制系统闭环控制系统1 .对一个自动控制系统的最基本要求是 ______________ ，也即_________ 是系统工作的首要条件。
答案：稳定稳定性1 •对控制系统性能的基本要求一般可归结为稳定性、 ___________ 和____________ 。
答案：快速性准确性1、控制论的中心思想是，通过____________ , _____________ 和反馈来进行控制。
答案：信息的传递加工处理1•什么是反馈（包括正反馈和负反馈）?根据反馈的有无，可将控制系统如何分类？答案：（1）反馈是指输出量通过适当的检测装置将信号全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。
如果反馈信号与系统的输入信号的方向相反，则称为负反馈；如果反馈信号与系统的输入信号的方向相同，则称为正反馈。
（2 ）根据反馈的有无，可将控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。
1•何为闭环控制系统？其最主要的优点是什么？答案：闭环控制系统就是反馈控制系统，即输出量对控制作用有影响的系统。
其最主要的优点是能实现自我调节，不断修正偏差，抗干扰能力强。
控制理论与应用_2019第一章绪论1．1 概述系统：自动控制：在没有人直接干预的情况下，通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。
图1-2所示为一液位控制系统，试说明该控制系统的工作原理。
11-2 水位自动控制系统工作原理：（1）在控制器中标定好期望的水位高度，（2）当水位超过或低于标定值时，高度误差被浮球检测出来，误差信号送给控制器。
（3）控制器按减小误差方向控制进水阀门的开启。
（4）反复检测和控制，直到误差为零。
出水阀1．2 自动控制理论的内容经典控制理论：以传递函数为基础，研究单输入-单输出控制系统的分析和设计。
现代控制理论：以状态空间为基础，研究多输入-多输出、变系数、非线性等控制系统的分析和设计。
1．3 自动控制系统的分类1．3．1 按信号传递路径分类1、开环控制系统2、闭环控制系统1．3．2 按控制作用的特点（即按给定量的运动规律）分类恒值控制系统（自动镇定系统）：系统任务是保证系统在任何扰动作用下，输出量以一定精度接近给定值，而给定值一般不变或变化缓慢。
随动系统（自动跟踪系统）：系统任务是在各种情况下，输出量以一定精度跟随给定量的变化（给定量的变化是随机的）。
程序控制系统：系统任务是被控制量按照事先给定的规律或程序进行变化。
Review自动控制是指在通过控制装置使被控对象或过程自动按照预定的规律运行，使之具有一定的状态和性能。
1 经典控制理论以为基础，研究单输入单输出控制系统的分析与设计。
2 现代控制理论以为基础，研究多输入多输出、变系数、非线性等控制系统的分析和设计。
2开环控制系统缺乏精确性和适应性，其控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性。
3反馈是指输出量通过适当的测量装置将测量信号的使之与输入量进行比较。
3开环控制系统缺乏精确性和适应性其控制精度取决于控制器及被控对象的参数稳定性。
3闭环控制系统与开环控制系统的主要差别在于闭环控制系统有一条从系统输出端经过测量元件到输入端的反馈通路。
单输入单输出控制系统的分析第3章单输入单输出控制系统的分析建立系统数学模型的主要目的是为了对系统性能进行分析与设计。
对控制系统的分析有稳态性能和动态性能分析，如系统的稳定性，稳态误差，动态响应性能参数等。
其分析方法主要有时域法和频域法两种。
时域分析法是直接在时间域内计算系统的时间响应、分析系统的稳定性、能控和能观性、动态性能等，这种分析方法的结果比较直观。
频域分析法是在系统受到频率为 的正弦信号激励时，分析系统输出幅值和相位与输入激励之间的关系，进而得到系统的性能特性。
MATLAB控制系统工具箱（Control System Toolbox）对控制系统，尤其是对线性时不变（Linear Time Invariant,简称LTI）系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案，也避免了繁杂的编程工作，是线性控制系统分析和设计的高效率的工具。
3.1单输入单输出（SISO）控制系统的模型及其转换在得到控制系统各个环节的MATLAB表达之后，通常需要进行串联、并联、反馈连接等处理方式，将比较复杂的系统化成简单的系统，再进行分析和设计。
在控制系统工具箱中提供了一些函数来支持系统的连接。
3.1.1环节的串联连接：在控制系统中，几个环节按照信号传递的方向串联在一起，这几个环节可以仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢17等效地转换成一个环节。
如图3.1.1所示。
图3.1.1(a)所示的串联框图可以等效成图3.1.1（b ），串联后总的传递函数为每个串联环节的传递函数的乘积:G(s)=G 1(s) G 2(s)… G n (s)= ∏=ni 1G i (s)（3.1.1）若所有的环节用MATLAB 的TF 传递函数模型和num ，den 多项式的形式来表达，即G1(s)：sys1；或num1，den1；G2(s)：sys2；或num2，den2；…，Gn(s)：sysn ；或numn ，denn 。
系统串联实现的格式:sys=sys1*sys2*…*sysn或： sys=series(sys1,sys2);sys=series(sys,sys3);…;sys=series(sys,sysn)或： [num,den]=series(num1,den1,num2,den2);[num,den]=series(num,den,num3,den3);…; [num,den]=series(num,den,numn,denn)例3.1.1 设有3个LTI 控制环节，其传递函数分别为：sys1：()112+++s s s s ；sys2：()2132++s s ；sys3：(6s+5)/(2s+3)求sys1、sys2和sys3串联连接后的传递函数模型。
解：num1=[1,1];den1=conv([1,0],[1,1,1]);sys1=tf(num1,den1);%sys1的MATLAB 表达num2=[2,3];den2=conv([1,1],[1,1]);sys2=tf(num2,den2); %sys2的MATLAB表达num3=[6,5];den3=[2,3];sys3=tf(num3,den3); %sys3的MATLAB表达sys=sys1*sys2*sys3 %系统串联传递函数运行结果为：Transfer function:12 s^3 + 40 s^2 + 43 s + 15-----------------------------------------------2 s^6 + 9 s^5 + 17 s^4 + 18 s^3 + 11 s^2 +3 s实际上，所得的sys传递函数结果中，分子、分母的公共因子（s+1）和(2s+3)没有被约去。
3.1.2 环节的并联连接：几个环起时，同一个信号输入到各个环节，并转换仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢18仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢19成相同物理量的信号相加成为输出信号。
如图3.1.2(a)所示。
图3.1.2(a)所示的并联环节，可以等效成图3.1.2(b)所示的环节。
并联后总的传递函数等于各个环节传递函数之和:G(s)=G 1(s) +G 2(s)+… +G n (s)（3.1.2）若所有的环节用MATLAB 的tf 传递函数模型和num ，den 多项式的形式来表达，即G1(s)：sys1，num1，den1；G2(s)：sys2，num2，den2；…，Gn(s)：sysn ，numn ，denn 。
系统并联实现的格式： sys=sys1+sys2+…+sysn或:sys=parallel(sys1,sys2);sys=parallel(sys,sys3);…;sys=parallel(sys,sysn)或：[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2);[num,den]=parallel(num,den,num3,den3);…;[num,den]=parallel(num,den,numn,denn);sys=tf(num,den)例3.1.2 有3个LTI 控制环节，其传递函数分别为：sys1：()112+++s s s s ；sys2：()2132++s s ；sys3=(s+1)/(2s+3)求sys1、sys2和sys3并联连接后的传递函数模型。
解：num1=[1,1];den1=conv([1,0],[1,1,1]);sys1=tf(num1,den1);num2=[2,3];den2=conv([1,1],[1,1]);sys2=tf(num2,den2); num3=[1,1];den3=[2,3];sys3=tf(num3,den3);仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢20sys=sys1+sys2+sys3 %系统并联传递函数运行结果为：Transfer function:s^6 + 8 s^5 + 25 s^4 + 41 s^3 + 40 s^2 +21 s + 3-------------------------------------------------2 s^6 + 9 s^5 + 17 s^4 + 18 s^3 + 11 s^2 + 3 s所得的sys 传递函数结果中，和环节串连一样分子、分母的公共因子没有被约去。
3.1.3 反馈连接： 在自动控制系统中，反馈连接的系统框图如图3.1.3所示。
图3.1.3(a)所示的反馈控制系统可以等效为图3.1.3(b)所示的控制环节，图3.1.3(b)中，若特征方程取)()(1s H s G -，表示系统为正反馈，在图3.1.3(a)中，)(s H 输出的符号应取+号。
在负反馈连接方式下： )()(0s X s X i =)()(1)(s H s G s G + （3.1.3）在正反馈连接方式下：)()(0s X s X i =)()(1)(s H s G s G - (3.1.4) 式中：)(s G ——前向(正向)通道的传递函数； )(s H ——反馈通道的传递函数；仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢21)()(s H s G ——系统的开环传递函数。
若用sys 表示系统闭环传递函数；sys1表示)(s G ；sys2表示)(s H 。
系统反馈实现的格式为：sys=feedback(sys1,sys2,sign) % sign 为系统正负反馈符号sys=feedback(sys1,sys2,-1) %sign ＝-1表示负反馈 sys=feedback(sys1,sys2) %省略sign 默认为负反馈 sys=feedback(sys1,sys2,1) %sign ＝1表示正反馈例3.1.3设一负反馈控制系统如图3.1.1(a)所示，其传递函数分别为：()11)(2+++=s s s s s G ；()2132)(++=s s s H求系统的闭环传递函数模型。
解：num1=[1,1];den1=conv([1,0],[1,1,1]);sys1=tf(num1,den1);num2=[2,3];den2=conv([1,1],[1,1]);sys2=tf(num2,den2); sys=feedback(sys1,sys2) %系统闭环传递函数程序执行结果为：Transfer function:s^3 + 3 s^2 + 3 s + 1-------------------------------------------- s^5 + 3 s^4 + 4 s^3 + 5 s^2 + 6 s + 3 例3.1.4 负反馈控制系统如图3.1.3(a)所示，其传递函数分别为：sys1：233222++++s s s s sys2：()345++s s 求系统的闭环传递函数模型。
解：sys1=tf([1,2,3],[3,1,2]);sys2=zpk(-4,-3,5);sys=feedback(sys1,sys2,-1)程序执行结果为：Zero/pole/gain:0.125 (s+3) (s^2 + 2s + 3)-------------------------------------(s+3.54) (s^2 + 1.46s + 2.331)注意：在本例中，sys1是TF模型，sys2是ZPK模型，所得的最终结果sys 是ZPK模型。
这是因为ZPK模型的优先级高于TF模型。
在这里介绍一些关于LTI模型优先级的知识。
在同时对多个LTI模型进行运算（如加法运算等）和函数处理（如反馈）时，如果这些LTI模型是用不同类型的LTI模型描述的，假设第一个模型是用TF模型描述的，第二个模型是用SS模型(状态空间)描述的，那么所得的结果应该是用什么模型描述的呢？是用TF模型描述呢？还是用SS模型描述？这种LTI模型的不同类型的冲突，可以用优先级来解决。
TF、ZPK、SS、FRD(频率模型)四种模型的优先级如下： FRD>SS>ZPK>TF即ZPK的优先级高于TF，SS的优先级高于ZPK和TF。
再换句话讲，在两个或两个以上的LTI模型的运算当中：要使得结果是SS模型，那么在LTI模型中，应该没有FRD模型，而且至少有一个是SS模型；要使得结果是ZPK模型，那么在LTI模型中，应该没有FRD、SS模型，而且至少有一个是ZPK模型；要使得结果是TF模型，那么在运算中，应该使所有的LTI模型都是TF模型。
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢22在对不同类型的LTI模型进行运算时，最终结果的类型由优先级决定，在运算之前，所有不是这种类型的模型都由MATLAB先转换成这种类型。
