控制工程基础各章的基本要求
重点和难点
第一章绪论
一、基本要求
（1）了解机械工程控制论的基本含义和研究对象,学习本课程的目的和任务；掌握广义系统动力学方程的含义。
（2）了解系统、广义系统的概念，了解系统的基本特性；了解系统动态模型和静态模型之间的关系。
（3）掌握反馈的含义，学会分析动态系统内信息流动的过程，掌握系统或过程中存在的反馈。
（4）了解广义系统的几种分类方法；掌握闭环控制系统的工作原理、组成；学会绘制控制系统的方框图。
（5）了解控制系统中基本名词和基本变量。
（6）了解正反馈、负反馈、内反馈、外反馈的概念。
（7）了解对控制系统的基本要求。
二、本章重点
（1）学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、信息流，理解信息反馈的含义及其作用。
（2）掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作原理；绘制控制系统方框图。
三、本章难点
广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。
第二章系统的数学模型
一、基本要求
(1)了解数学模型的基本概念。能够运用动力学、电学及专业知识，列写机械系统、电子网络的微分方程。
(2)掌握传递函数的概念、特点，会求传递函数的零点、极点及放大系数。
(3)能够用分析法求系统的传递函数。
(4)掌握各个典型环节的特点，传递函数的基本形式及相关参数的物理意义。
(5)了解传递函数方框图的组成及意义；能够根据系统微分方程，绘制系统传递函数方框图，并实现简化，从而求出系统传递函数。
(6)掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法。掌握干扰作用下，系统的输出及传递函数的求法和特点。
(7)了解相似原理的概念。
(8)了解系统的状态空间表示法，了解MATLAB中，数学模型的几种表示法。
二、本章重点
(1)系统微分方程的列写。
(2)传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函数。
(3)传递函数方框图的绘制及简化。
三、本章难点
(1)系统微分方程的列写。
(2)传递函数方框图的绘制及简化。
第三章系统的时间响应分析
一、基本要求
(1)了解系统时间响应的组成；初步掌握系统特征根的实部和虚部对系统自由响应项的影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系。
(2)了解控制系统时间响应分析中的常用的典型输入信号及其特点。
(3)掌握一阶系统的定义和基本参数，能够求解一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应；掌握一阶系统时间响应曲线的基本形状及意义。掌握线性系统中，存在微分关系的输入，其输出也存在微分关系的基本结论。
(4)掌握二阶系统的定义和基本参数；掌握二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(5)了解主导极点的定义及作用；
(6)掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求法；能够分析系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。
(7)了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。
二、重点
(1)系统稳定性与特征根实部的关系。
(2)一阶系统的定义和基本参数，一阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应曲线的基本形状及意义。
(3)二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(4)系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法；系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。
三、难点
(1)二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(2)系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。
第四章系统的频率特性分析
一、基本要求
1．掌握频率特性的定义和代数表示法以及与传递函数、单位脉冲响应函数和微分方程之间的相互关系；掌握频率特性和频率响应的求法；掌握动刚度与动柔度的概念。
2．掌握频率特性的图和图的组成原理，熟悉典型环节的图和图的特点及其绘制，掌握一般系统的的Nyquist图和Bode图的特点和绘制。
3．了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关系。
4．掌握频域中性能指标的定义和求法；了解频域性能指标与系统性能的关系。
5．了解最小相位系统和非最小相位系统的概念。
二、本章重点
1．频率特性基本概念、代数表示法及其特点。
2．频率特性的图示法的原理、典型环节的图示法及其特点和一般系统频率特性的两种图形的绘制。
3．频域中的性能指标。
三、本章难点
1．一般系统频率特性图的画法以及对图形的分析。
2．频域性能指标和时域性能指标之间的基本关系。
第五章系统的稳定性
一、基本要求
1．了解系统稳定性的定义、系统稳定的条件；
2．掌握判据的必要条件和充要条件，学会应用Routh判据判定系统是否稳定，对于不稳定系统，能够指出系统包含不稳定的特征根的个数；
3．掌握Nyquist判剧；
4．理解Nyquist图和Bode图之间的关系；
5．掌握Bode判剧；
6．理解系统相对稳定性的概念，会求相位裕度和幅值裕度，并能够在Nyquist图和Bode 图上加以表示。
二、本章重点
1．Routh判剧、Nyquist判剧和Bode判剧的应用；
2．系统相对稳定性；相位裕度和幅值裕度求法及其在Nyquist图和Bode图的表示法。三、本章难点
Nyquist判剧及其应用。
第六章系统的性能指标与校正
一、基本要求
1.了解系统时域性能指标、频域性能指标和综合性能指标的概念；了解频域性能指标和时域性能指标的关系。
2.了解系统校正的基本概念。
3.掌握增益校正的特点；熟练掌握相位超前校正装置、相位滞后校正装置和相位滞后—超前校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；掌握各种校正装置的频率特性设计方法；熟练掌握各种校正的特点。
4.掌握PID校正的基本规律及各种调节器的特点；掌握PID调节器的工程设计方法。
5.掌握反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。
二、本章重点
1.各种串联无源校正装置的模型、频率特性及有关量的概念、求法及意义；各种校正装
置的特点及其设计方法。
2.PID校正的基本规律及各种调节器的特点；PID调节器的工程设计方法。
3.反馈校正、顺馈校正的定义、基本形式、作用和特点。
三、本章难点
1.各种串联无源校正装置的设计。
2.PID调节器的工程设计方法。
第三章 习题及答案 传递函数描述其特性，现在用温度计测量盛在容器内的水温。发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值，试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少? 解： 41min, =0.25min T T = 1111()=1-e 0.1, =ln 0.9t h t t T -=-T 21T 22()=0.9=1-e ln 0.1t h t t T -=-， 210.9 ln 2.20.55min 0.1 r t t t T T =-=== 2.已知某系统的微分方程为)(3)(2)(3)(t f t f t y t y +'=+'+''，初始条件2)0( , 1)0(='=--y y ，试求： ⑴系统的零输入响应y x (t )； ⑵激励f (t ) (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )； ⑶激励f (t ) e 3t (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )。 解：(1) 算子方程为：)()3()()2)(1(t f p t y p p +=++ ) ()e 2 5e 223()()()( ) ()e 2 1e 223()()()( )()e e 2()(2 112233)( )2(; 0 ,e 3e 4)( 34 221e e )( 2x 2222x 212 121221x t t y t y t y t t t h t y t t h p p p p p p H t t y A A A A A A A A t y t t t t t t f f t t t t εεεε------------+=+=+-==-=?+-+= +++= -=??? ?-==????--=+=?+=∴* ) ()e 4e 5()()()( )()e e ()(e )()( )3(2x 23t t y t y t y t t t h t y t t t t t f f εεε------=+=-==* 3.已知某系统的微分方程为)(3)(')(2)(' 3)(" t f t f t y t y t y +=++，当激励)(t f =)(e 4t t ε-时，系统
题型：选择题 题目：关于系统稳定的说法错误的是【】 A．线性系统稳定性与输入无关 B．线性系统稳定性与系统初始状态无关 C．非线性系统稳定性与系统初始状态无关 D．非线性系统稳定性与系统初始状态有关 分析与提示：线性系统稳定性与输入无关；非线性系统稳定性与系统初始状态有关。 答案：C 习题二 题型：填空题 题目：判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为或为具有负实部的复数，即系统的特征根必须全部在是系统稳定的充要条件。 分析与提示：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数或为具有负实部的复数，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。 答案：负实数、复平面的左半平面 习题三 题型：选择题 题目：一个线性系统稳定与否取决于【】 A．系统的结构和参数 B．系统的输入 C．系统的干扰 D．系统的初始状态 分析与提示：线性系统稳定与否取决于系统本身的结构和参数。 答案：A 习题四 题型：填空题 题目：若系统在的影响下，响应随着时间的推移，逐渐衰减并回到平衡位置，则称该系统是稳定的 分析与提示：若系统在初始状态的影响下（零输入），响应随着时间的推移，逐渐衰减并趋向于零(回到平衡位置)，则称该系统是稳定的；反之，若系统的零输入响应发散，则系统是不稳定的。 答案：初始状态 习题五 题型：填空题 题目：系统的稳定决定于的解。 分析与提示：系统的稳定决定于特征方程的解。 答案：特征方程
题型：填空题 题目：胡尔维兹（Hurwitz ）判据、劳斯（Routh ）判据又称为 判据。 分析与提示：胡尔维兹（Hurwitz ）判据、劳斯（Routh ）判据，又称为代数稳定性判据。 答案：代数稳定性 习题二 题型：填空题 题目：利用胡尔维兹判据，则系统稳定的充要条件为：特征方程的各项系数均为 ；各阶子行列式都 。 分析与提示：胡尔维兹判据系统稳定的充要条件为：特征方程的各项系数均为正；各阶子行列式都大于零。 答案：正、大于零 习题三 题型：计算题 题目：系统的特征方程为 010532234=++++s s s s 用胡尔维兹判据判别系统的稳定性。 分析与提示：利用胡尔维兹判据，其各阶系数均大于零，计算子行列式。 答案：（1）特征方程的各项系数为 10,5,3,1,201234=====a a a a a 均为正值。 （2） 0131>==?a 0714232 4 132<-=-== ?a a a a a a a a 不满足胡尔维兹行列式全部为正的条件，所以系统不稳定 习题四 题型：计算题 题目：单位反馈系统的开环传递函数为 ()()() 125.011.0++= s s s K s G 利用胡尔维兹判据求使系统稳定的K 值范围。 分析与提示：利用胡尔维兹判据，其各阶系数均大于零，计算子行列式，反求出K 的范围。 答案：系统的闭环特征方程为 ()()0125.011.0=+++K s s s
第一章思考题及习题 1.1何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有 什 么影响？ 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里 所说的控制通道就是控制作用（一般的理解应当是控制器输出）〃（S ）对 即广义对 象上的控制通道）。同理，干扰通道就是干扰作用F （s ）对被控参数Ms ） 的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 被控参 的影响 （一般的 是控制 通过执 数 心 通 路 理 解 作 用 行 器 影响 量坎 量通 象再 控制变 后 控制变 过被控对 影响被控 参数, 衰干扰通道特性対痩的幕1 表1?2控对控Mft*的
1.2如何选择控制变量？ 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量 1?3控制器的比例度6变化对控喘?］系统的控喘＞J精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 答：当G?二Kc时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度6成正比，即比例度越大，余差也就越大。
/C增大、6减小，控制精度提高（余差减小），但是系统的稳定性下降。 1.4 4： 1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么？ 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间刀放在最大，微分时间石放在最小，比例度放于适当数值（一般为100%）,然后使6由大往小逐渐改变，并在每改变一次6值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4： 6应继续减小，当衰减比小于4： 1时6应增大，直至过 渡过程呈现4： 1衰减时为止。找到4： 1衰减振荡时的比例度6s,及 振荡周期：再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过 程出现4： 1振荡的控制器参数值。依次将控 制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将 多放在比计算值稍大（约20%）的数值上，待 积分、微分放好后再将6放到计算值上。放好 控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过 渡过程是否呈4： 1衰减振荡。 如果不符合要求，可适当调整一下6值，直到 达到满意为止。 1.5图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些？ 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影响物料出口温度的主要因素。
第三章 习题及答案 传递函数描述其特性，现在用温度计测量盛在容器内的水温。发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值， 试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少? 解： 41min, =0.25min T T = 2.已知某系统的微分方程为)(3)(2)(3)(t f t f t y t y +'=+'+''，初始条件2)0( , 1)0(='=--y y ，试求： ⑴系统的零输入响应y x (t )； ⑵激励f (t ) (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )； ⑶激励f (t ) e 3t (t )时，系统的零状态响应y f (t )和全响应y (t )。 解：(1) 算子方程为：)()3()()2)(1(t f p t y p p +=++ 3.已知某系统的微分方程为)(3)(')(2)(' 3)(" t f t f t y t y t y +=++，当激励)(t f =)(e 4t t ε-时，系统的全响应)()e 6 1e 27e 314()(42t t y t t t ε-----=。试求零输入响应y x (t )与零状态响应y f (t )、自由响应与强迫响应、暂态响应与稳态响应。 解： 4. 设系统特征方程为：0310126234=++++s s s s 。试用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别该系统的 稳定性。 解：用劳斯-赫尔维茨稳定判据判别，a 4=1，a 3=6，a 2=12，a 1=10，a 0=3均大于零，且有 所以，此系统是稳定的。 5. 试确定下图所示系统的稳定性. 解：210 110(1)(1)(). ()210(21) 1(1) s s s s a G s s s s s s s +++=?=?+++ 系统稳定。 满足必要条件，故系统稳定。 6.已知单位反馈系统的开环传递函数为) 12.001.0()(2++= s s s K s G ξ，试求系统稳定时，参数K 和ξ的取值关系。 解：2()(0.010.21)0D s s s s k ξ=+++=
过程控制工程 第一章单回路控制系统 何谓控制通道何谓干扰通道它们的特性对控制系统质量有什么影响 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个纯滞后时间τ0。 如何选择操纵变量 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道时间常数。干扰动通道时间常数越大越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响对控制系统的动态质量有何影响 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。随着δ减小，系统的稳定性下降。 图1-42为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问：影响物料出口温度的主要因素有哪些 如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与操纵变量应选谁为什么 如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开闭形式及控制器的正反作用 答： 影响物料出口温度的因素主要有蒸汽的流量和温度、搅拌器的搅拌速度、物料的流量和入口温度。 被控变量应选择物料的出口温度，操纵变量应选择蒸汽流量。 物料的出口温度是工艺要求的直接质量指标，测试技术成熟、成本低，应当选作被控变量。 可选作操纵变量的因数有两个：蒸汽流量、物料流量。后者工艺不合理，因而只能选蒸
若系统输入为不同频率ω的正弦函数t A ωsin ，其稳态输出相应为)sin(?ω+t B ，求该系统的频率特性 解：由频率特性的定义有：? ωj e A B j G =)(（P119） ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 试求下列系统的幅频特性)(ωA 、相频特性)(ω?、实频特性)(ωu 、虚频特性)(ωv （P120， 121） 1 305 )(+= s s G 解：1 305 1305)(+= += ωωωj s j G j )(ωA = 1 90051 3052 += +ωωj )(ω?=1 30arctan )130()5(1 305 ω ωω-=+∠-∠=+∠ j j )(ωj G 可以展开为实部与虚部的形式，即：1 90015051305 )(2+-= += ωω ωωj j j G 所以，实频特性)(ωu = 1 90052 +ω 虚频特性)(ωv =1 9001502+-ωω ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 设系统的闭环传递函数为：1 ) 1()(12++=s T s T K s G B ，当输入信号为t R t x i ωsin )(=，试求该系 统的稳态输出。 解：系统的频率特性函数为： ()()) () arctan (arctan 21221212)() 1()1(1 )1(1 )1()(12ωωωω ωωωωωωj G j B T T j j B B e j G e T T K j T j T K s T s T K j G ∠-?=?++= ++= ++= 系统的对于特定频率的输入信号，其稳态输出为：（P118） )](sin[)()(ωωωj G t j G X t x B B i oss ∠+??= 因此，对于该系统，有： ()())]arctan (arctan sin[) 1()1()(122 122ωωωωωT T t T T K R t x oss -+?++?=
2007机械工程控制基础第四章习题答案 第4章 频率特性分析 4.1什么是系统的频率特性？ 答：对于线性系统，若输入为谐波函数，则其稳态输出一定是同频率的谐波函数，将输出的幅值与输入的幅值之比定义为系统的幅频特性，将输出的相位之差定义为系统的相频特性。系统的幅频特性和相频特性简称为系统的频率特性。 4.4若系统输入为不同频率ω的正弦t A ωsin ，其稳态输出相应为)sin(?ω+t B 。求该系统的频率特性。 解：由系统频率特性的定义知：?ωj e A B j G = )( 4.5已知系统的单位阶跃响应为)0(8.08.11)(94≥+-=--t e e t x t t o ，试求系统的幅频特性与 相频特性。 解：由已知条件得：s s X i 1)(=，9 8 .048.11)(+++-=s s s s X o 得系统传函为：) 9)(4(36)()()(++== s s s X s X s G i o 得系统频率特性：) 9)(4(36 )(ωωωj j j G ++= ，其中 幅频特性为：2 2 811636 )()(ω ωωω+?+= =j G A 相频特性为：9 arctan 4 arctan )(ω ω ω?--=4.6由质量、弹簧、阻尼组成的机械系统如图（4.6）所示。已知m=1kg ，k 为弹簧刚度，c 为阻尼系数。若外力tN t f 2sin 2)(=，由实验得到系统稳态响应为)2 2sin(π -=t x oss 。试确定k 和c 。 解：由系统结构知系统的动力学方程为： 当m=1时，得系统传函为： k cs s s G ++= 2 1 )(，得系统频率特性为： ω ωωjc k j G +-= 21 )(。 图（题4.6）
题目：时间响应由和两部分组成。 分析与提示：时间响应由瞬态响应和稳态响应两部分组成。 答案：瞬态响应、稳态响应 题目：系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程，称为。 分析与提示：瞬态响应，指系统在某一输入信号作用下，系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程。 答案：瞬态响应 题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为与。 分析与提示：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为自由响应与强迫响应。 答案：自由响应、强迫响应 题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动来源可分为与。 分析与提示：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为自由响应与强迫响应；按振动来源可分为零输入响应(即由“无输入时系统的初态”引起的自由响应)与零状态响应(即仅由输入引起的响应)。 答案：零输入响应、零状态响应 题目：系统微分方程的特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为。 分析与提示：初始条件及输入信号产生的时间响应就是微分方程的全解。包含通解和特解两个部分。通解完全由初始条件引起的，它是一个瞬态过程，工程上称为自然响应 (如机械振动中的自由振动)。特解只由输入决定，特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为强迫响应 (如机械振动中的强迫振动)。 答案：强迫响应 题目：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加的形式有关。 分析与提示：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加输入信号的形式有关。 答案：输入信号 题目：单位阶跃信号???<>=000t t t u 1)(的拉氏变换为【 】 A 、 s 1 B 、21 s C 、1 D 、s 分析与提示：熟练掌握典型信号的拉氏变换。B 为单位斜坡信号的拉氏变换，C 为单位冲击信号的拉是变换。 答案：A 题目：选取输入信号应当考虑以下几个方面，输入信号应当具有，能够反映系统工作的大部分实际情况。 分析与提示：选取输入信号应当考虑以下几个方面，输入信号应当具有典型性，能够反映系统工作的大部分实际情况。 答案：典型性 题目：选取输入信号时，输入信号的形式应当尽可能。 分析与提示：选取输入信号时，输入信号的形式应当尽可能简单。 答案：简单 题目：是使用得最为广泛的常用输入信号。 分析与提示：单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位抛物线函数 都为常用输入信号时，单位脉冲函数是使用得最为广泛的常用输入信号。 答案：单位脉冲函数 题目：设一阶系统的传递函数为 5 23 +s ，则其时间常数和增益分别是【】 A ． 2，3 B ．2，3/2 C ． 2/5，3/5 D ． 5/2，3/2
辽宁科技学院教案 课程名称：控制工程基础 任课教师：杨光 开课系部：机械学院 开课教研室：机制 开课学期：2012～2013学年度第1学期
教学内容备注 一、机械工程控制论的研究对象与任务 机械工程控制论研究机械工程中广义系统的动力学问题。 1、系统(广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。 2、动力学问题:系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰） 下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所 决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统及其输入、输出三 者之间的动态关系即为系统的动力学问题。 上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。 对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：
二、控制理论的发展与应用 控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段： 第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟； 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段； 第四阶段：智能控制发展阶段。 经典控制理论： 控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。 ?1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据。 ?1895年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。 ?二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。 经典控制理论的基本特征： (1)主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； (2)只用于单输入，单输出的反馈控制系统； (3)只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。 现代控制理论: 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。 当今世界，控制技术无处不在,世界随处可见控制与反控制。 控制技术融合了信息技术、工程技术，是多种技术的融合。
习题一 题型:选择题 题目:关于系统稳定的说法错误的就是【】 A.线性系统稳定性与输入无关 B.线性系统稳定性与系统初始状态无关 C.非线性系统稳定性与系统初始状态无关 D.非线性系统稳定性与系统初始状态有关 分析与提示:线性系统稳定性与输入无关;非线性系统稳定性与系统初始状态有关。 答案:C 习题二 题型:填空题 题目:判别系统稳定性的出发点就是系统特征方程的根必须为或为具有负实部的复数,即系统的特征根必须全部在就是系统稳定的充要条件。 分析与提示:判别系统稳定性的出发点就是系统特征方程的根必须为负实数或为具有负实部的复数,即系统的特征根必须全部在复平面的左半平面就是系统稳定的充要条件。 答案:负实数、复平面的左半平面 习题三 题型:选择题 题目:一个线性系统稳定与否取决于【】 A.系统的结构与参数 B.系统的输入 C.系统的干扰 D.系统的初始状态 分析与提示:线性系统稳定与否取决于系统本身的结构与参数。 答案:A 习题四 题型:填空题 题目:若系统在的影响下,响应随着时间的推移,逐渐衰减并回到平衡位置,则称该系统就是稳定的 分析与提示:若系统在初始状态的影响下(零输入),响应随着时间的推移,逐渐衰减并趋向于零(回到平衡位置),则称该系统就是稳定的;反之,若系统的零输入响应发散,则系统就是不稳定的。 答案:初始状态 习题五 题型:填空题 题目:系统的稳定决定于的解。 分析与提示:系统的稳定决定于特征方程的解。 答案:特征方程 习题一 题型:填空题 题目:胡尔维兹(Hurwitz)判据、劳斯(Routh)判据又称为判据。 分析与提示:胡尔维兹(Hurwitz)判据、劳斯(Routh)判据,又称为代数稳定性判据。 答案:代数稳定性 习题二
过程控制工程课后习题参考答案-前三章
过程控制工程 第一章单回路控制系统 1.1 何谓控制通道？何谓干扰通道？它们的特性对控制系统质量有什么影响？ 控制通道——是指操纵变量与被控变量之间的信号联系； 干扰通道——是指干扰作用与被控变量之间的信号联系。 （1）控制通道特性对系统控制质量的影响：（从K、T、τ三方面） 控制通道静态放大倍数越大，系统灵敏度越高，余差越小。但随着静态放大倍数的增大，系统的稳定性变差。 控制通道时间常数越大，经过的容量数越多，系统的工作频率越低，控制越不及时，过渡过程时间越长，系统的质量越低，但也不是越小越好，太小会使系统的稳定性下降，因此应该适当小一些。 控制通道纯滞后的存在不仅使系统控制不及时，使动态偏差增大，而且还还会使系统的稳定性降低。 （2）干扰通道特性对系统控制质量的影响：
（从K、T、τ三方面） 干扰通道放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制质量越差。 干扰通道时间常数越大，阶数越高，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量测量点而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响越小，系统的质量则越高。 干扰通道有无纯滞后对质量无影响，不同的只是干扰对被控变量的影响向后推迟一个 。 纯滞后时间τ 1.2 如何选择操纵变量？ 1）考虑工艺的合理性和可实现性； 2）控制通道静态放大倍数大于干扰通道静态放大倍数； 3）控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小，一般要求小于干扰通道 时间常数。干扰动通道时间常数越大 越好，阶数越高越好。 4）控制通道纯滞后越小越好。 1.3 控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响？对控制系统的动态质量有何影响？ 比例度δ越小，系统灵敏度越高，余差越小。
控制工程基础考卷带答案复习资料
一、填空题：（每空1分，共20分） 1．对控制系统的基本要求一般可归结为_________稳定性，准确性，快速性____、____________、___________。 2．自动控制系统对输入信号的响应，一般都包含两个分量，即一个是瞬态响应分量，另一个是____________响应分量。 3．在闭环控制系统中，通过检测元件将输出量转变成与给定信号进行比较的信号，这个信号称为_________________。 4．若前向通道的传递函数为G(s)，反馈通道的传递函数为H(s)，则闭环传递函数为__________________ 。 5 函数f(t)=的拉氏变换式是 _________________ 。 6 开环对数频率特性的低频段﹑ 中频段﹑ 高频段分别表征了系统的 稳定性，动态特性，抗干扰能力 ﹑ ﹑ 。 7．Bode 图中对数相频特性图上的－180°线对应于奈奎斯特图中的___________。 8．已知单位反馈系统的开环传递函数为： 20 ()(0.51)(0.041) G s s s = ++求出系统在单位阶跃输入时的稳 态误差为 。 9．闭环系统稳定的充要条件是所有的闭环极点 t e 63-
均位于s 平面的______半平面。 10．设单位反馈控制系统的开环传递函数为 10()1 G s s = +，当系统作用有x i (t ) = 2cos(2t - 45?)输入 信号时，求系统的稳态输出为_____________________。 11．已知传递函数为2 ()k G s s =，则其对数幅频特性 L （ω）在零分贝点处的频率数值为_________ 。 12 在系统开环对数频率特性曲线上，低频段部分主要由 环节和 决定。 13．惯性环节的传递函数11+Ts ，它的幅频特性的数学式是__________,它的相频特性的数学式是____________________。 14．已知系统的单位阶跃响应为()1t t o x t te e --=+-，则 系统的脉冲脉冲响应为__________。 一、填空题 （每空1分，共20分）： 1 稳定性，准确性，快速性；2 稳态；3 反馈； 4 ) ()(1) (s H s G s G ±；5 3 ()6 F s s = + 6 稳定性，动态特性，抗干扰能力； 7 负实轴； 8 1 21 9 右半平面； 10
题目：线性定常系统对正弦信号(谐波输入)的 称为频率响应。 答案：稳态响应 题目：频率响应是系统对_____________的稳态响应；频率特性G(jω)与传递函数G(s)的关系为____________。 答案：正弦输入、s=ωj 题目：以下关于频率特性、传递函数和单位脉冲响应函数的说法错误的是【 】 A ． ω ωj s s G j G ==)()( B ． [])()(t F s G ω= C ． [])()(t L s G ω= D ． [])()(t F j G ωω= 分析与提示：令传递函数中ωj s =即得频率特性；单位脉冲响应函数的拉氏变换即得 传递函数；单位脉冲响应函数的傅立叶变换即为频率特性。 答案：B 题目：以下说法正确的有 【 】 A ．时间响应只能分析系统瞬态特性 B ．系统的频率特性包括幅频特性和相频特性，它们都是频率ω的函数 C ．时间响应和频率特性都能揭示系统动态特性 D ．频率特性没有量纲 E ．频率特性反映系统或环节对不同频率正弦输入信号的放大倍数和相移 分析与提示：时间响应可分析系统瞬态特性和稳态性能；频率特性有量纲也可以没有量纲，其量纲为输出信号和输入信号量纲之比。 答案：B 、C 、E 题目：通常将 和 统称为频率特性。 答案：幅频特性、相频特性 题目：系统的频率特性是系统 响应函数的 变换。 答案：脉冲、傅氏 题目：频率响应是系统对_____________的稳态响应；频率特性G(jω)与传递函数G(s)的关系为____________。 答案：正弦输入、s=ωj 题目：已知系统的单位阶跃响应为()()0,8.08.1194≥+-=--t e e t x t t o ，试求系统的幅 频特性和相频特性。 分析与提示：首先由系统的输入输出得到系统传递函数；令s=ωj 即可得到频率特性，进而得到幅频特性和相频特性。 答案：由已知条件有 ()()9 18.0418.11, 1 +++-= =s s s s X s s X o i 传递函数为 ()()()()() 9436++== s s s X s X s G i o 则系统的频率特性为 ()()() 9436 ++= ωωωj j j G
第一章思考题及习题 1.1何谓控制通道?何谓干扰通道?它们的特性对控制系统质量有什么影响? 答：所谓“通道”，就是某个参数影响另外一个参数的通路，这里所说的控制通道就是控制作用(一般的理解应当是控制器输出)U(s)对被控参数Y(s)的影响通路(一般的理解是控制作用通过执行器影响控制变量，然后控制变量通过被控对象再影响被控参数，即广义对象上的控制通道)。同理，干扰通道就是干扰作用F(s)对被控参数Y(s)的影响通路。干扰通道的特性对控制系统质量影响如下表所示。 控制通道的特性对控制系统质量影响如下表所示 1.2如何选择控制变量? 答：①所选控制变量必须是可控的。 ②所选控制变量应是通道放大倍数比较大者，最好大于扰动通道的放大倍数。 ③所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好，而控制通道时间常数应适当小一些为好，但不易过小。 ④所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好。 ⑤所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀。 ⑥在选择控制变量时还需考虑到工艺的合理性。一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为控制变量 1.3控制器的比例度δ变化对控制系统的控制精度有何影响?对控制系统的动态质量有何影响? 答：当G c(s)=K c时，即控制器为纯比例控制，则系统的余差与比例放大倍数成反比，也就是与比例度δ成正比，即比例度越大，余差也就越大。
K c增大、δ减小，控制精度提高(余差减小)，但是系统的稳定性下降。 1.4 4：1衰减曲线法整定控制器参数的要点是什么? 答：衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间T i放在最大，微分时间T d放在最小，比例度放于适当数值(一般为100%)，然后使δ由大往小逐渐改变，并在每改变一次δ值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比大于4：1，δ应继续减小，当衰减比小于4：1时δ应增大，直至过渡过程呈现4：1衰减时为止。找到4：1衰减振荡时的比例度δs，及振荡周期T s。再按经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值。依次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将多放在比计算值稍大(约20%)的数值上，待积分、微分放好后再将δ放到计算值上。放好控制器参数后可以再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡。如果不符合要求，可适当调整一下δ值，直到达到满意为止。 1.5 图1.41为一蒸汽加热设备，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出。试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些? 答：影响物料出口温度的主要有：蒸汽流量、物料流量为影 响物料出口温度的主要因素。 ②如果要设计一温度控制系统，你认为被控变量与控制变量 应选哪些参数?为什么? 答：被控变量为物料出口温度，控制变量为蒸汽流量。因为 物料出口温度表征了系统的质量指标，蒸汽流量是可控的，无纯 滞后，靠近控制阀，控制通道时间常数较小。 ③如果物料在温度过低时会凝结，应如何选择控制阀的开、 闭形式及控制器的正、反作用? 答：为防止在气源供气中断，或控制器出故障而无输出时出现物料凝结，应选气闭式。当出口温度降低时，要求蒸汽流量加大，即控制阀输入减小，控制器输出减小，此时控制器输入由于测量值减小而减小，控制器选正作用。 1.6 图1.42为热交换器出口温度控制系统，要求确定在下 面不同情况下控制阀开、闭形式及控制器的正、反作用： ①被加热物料在温度过高时会发生分解、自聚。 答：控制阀气闭式，控制器的反作用。 ②被加热物料在温度过低时会发生凝结。 答：控制阀气开式，控制器的正作用。
第5章 系统的稳定性 一、填空题 1.稳定系统其自由运动模态随时间增加而逐渐（消失） 2.对于二阶系统，加大增益将使系统的（稳定性）变差。 ３.若闭环系统的特征式与开环传递函数)()(s H s G 的关系为)()(1)(s H s G s F +=，则 )(s F 的零点就是（系统闭环极点） 。 ４.Ⅰ型系统跟踪阶跃信号的稳态误差为（0）。 5.线性定常系统的偏差信号就是误差信号的条件为（反馈传递函数H(s)＝1）。 6.控制系统含有的积分个数多，开环放大倍数大，则系统的（稳态性能）愈好。 7.降低系统的增益将使系统的稳态精度（变差）。 8.闭环系统稳定的充分必要条件是其开环极坐标曲线逆时针围绕点（－1，j0）的圈数等于落在S 平面右半平面的（开环极点）数。 9.统在前向通路中含有积分环节将使系统的稳定性严重（变差）。 10.系统开环频率特性的相位裕量愈大，则系统的（稳定性）愈好。 11.控制系统的误差是期望输出与（实际输出）之差。 12.降低系统的增益将使系统的（快速性或稳态性）变差。 三、名词解释题 1.穿越：是开环极坐标曲线穿过实轴上（－∞，－1）的区间。 2.相位裕度：在系统的开环幅频特性等于1时，其相应的相频特性距离-180°的相位差。或：极坐标曲线在幅值穿越频率处的相頻特性距离-180°的相位差。 3.幅值裕度：相頻穿越频率处开环幅频特性的倒数。 4.劳斯判据：利用系统闭环特征方程的系数建立劳斯系数表，根据劳斯表中第1列系数的符号变化判断系统稳定性即：劳斯表中第1列系数无符号变化则系统处于稳定状态，否则系统处于临界稳定或不稳定状态。 5.奈奎斯特稳定判据：闭环系统稳定的充分必要条件是其开环极坐标频率特性曲线逆时针围绕点（－1，j0）的圈数等于落在S 平面右半平面的开环极点数。 四、简答题 1.简述闭环特征函数的特点。 答：1）特征函数的零点就是系统的闭环极点；2）特征函数的极点就是系统的开环极点； 3）特征函数的分子和分母的阶次相同；4）特征函数与系统开环传递函数只差常数1。 2.简述积分、微分及惯性环节对最小相位系统稳定性的影响。
5.7 系统的传递函数方框图如图所示，已知25.0,1.021==T T ， 试求： （1）系统稳定时K 值的取值范围； 解： 由题意可以写出系统的闭环传递函数为： ()()()()K s s T T s T T K s T s T s K s T s T s K s G B ++++=+++++=2213212121)(11111)( 系统的特征方程为：0)(221321=++++K s s T T s T T 即：04040141)(232 121221213=+++=++++K s s s T T K s T T s T T T T s 由特征方程写出 根据Routh 判据，系统闭环稳定的充要条件为： ? ??>>-040040560K K 即： 014>>K 5.9试根据下面开环频率特性，使用Nyquist 判据分析相应的闭环系统的稳定性 ()()1 10110)(++=ωωωωj j j j G K 解：使用Nyquist 判据要求画出开环频率特性)(ωj G K 的Nyquist 轨迹 )(ωj G K 的幅频特性函数与虚频特性函数分别为：
)1100()1(10 )(22++=ωωωωj G K 1 10arctan 1arctan 20)(ωωπω--- =∠j G K 将)(ωj G K 表示成下式： )1100)(1() 10100(110)1100)(1(10 )101)(1()(22222++-+-=++?--?-=ωωωωωωωωωωωj j j j j G K 可得其实频特性函数与虚频特性函数分别为： )1100)(1(110)}(Re{22++-=ωωωω ωj G K )1100)(1() 10100()}(Im{222++-=ωωωωωj G K 考虑ω的几个特殊值 当0=ω： ∞=)(ωj G 2 )(πω-=∠j G 当∞=ω： 0)(=ωj G πω2 3)(-=∠j G 由于当ω从0变化至∞，)(ωj G ∠从2π-变化至2 3π-，因此该系统的Nyquist 轨迹必然从复平面的第三象限移动至第二象限，也即轨迹必然与负实轴相交。 令0)1100)(1()10100()}(Im{222=++-= ωωωωωj G K ，即101=ω 此时： 9) 110)(11.0(110)1100)(1(110)}(Re{22-≈++-=++-=ωωωω ωj G K 即Nyquist 轨迹与负实轴相交点为（-9，j0） 由此可以做出)(ωj G K 的Nyquist 轨迹图，如下：
3-1 已知某单位反馈系统的开环传递函数为1 )(+=Ts K s G k ，试求其单位阶跃响应。 解法一，采用拉氏反变换： 系统闭环传递函数为：()()()()1()1k k G s C s K s R s G s Ts K Φ=== +++ 输入为单位阶跃，即：1()R s s = 故：1()()()1 1K A B C s s R s K Ts K s s s T =Φ= ?=+ ++++ 可由待定系数法求得：,11 K K A B K K ==-++ 所以，1111 ()()111K K K K K C s K K s K s s s T T ++=-=-+++++ 对上式求拉氏反变换： 1 ()(1)1 k t T K c t e K +-=-+ 解法二，套用典型一阶系统结论： 由式(3-15)，已知典型一阶系统为：()1 ()()1 C s s R s Ts Φ= =+ 由式(3-16)，其单位阶跃响应为：1()1t T c t e -=- 若一阶系统为()()()1 C s K s R s Ts Φ==+，则其单位阶跃响应为：1()(1)t T c t K e -=- 现本系统闭环传递函数为：()()(1)()()1()1(1)11 k k G s C s K K K K s R s G s Ts K Ts K T s ' +Φ===== '++++++ 其中，,11 T K T K K K ''= =++ 所以，1 1()(1)(1)1 k t t T T K c t K e e K +--' '=-=-+ 采用解法二，概念明确且解题效率高，计算快捷且不易出错，应予提倡。 3-2 设某温度计可用一阶系统表示其特性，现在用温度计测量容器中的水温，当它插入恒温水中一分钟时，显示了该温度的98%，试求其时间常数。又若给容器加热，水温由0℃按10℃/min 规律上升，求该温度计的测量误差。 解： （1）由题意知，误差为2%，因此调节时间：41min s t T ==，即时间常数T ： 1 0.25min 15sec 4 s T t ===
第四章传递函数 第一节传递函数 一、定义：系统初始状态为零，系统输出与输入的拉氏变换之比。 ) () ()]([)]([)()()()(s R s Y t r L t y L s G s G t y t r = =，则为，系统传递函数 、系统输入、输出分别为 二、求法： 1、由微分方程求取。 若系统的微分方程为 ) ()()()()()()()(01) 1(1) (01) 1(1)(t x b t x b t x b t x b t y a t y a t y a t y a m m m m n n n n +'+++=+'+++---- 对微分方程的两端求拉氏变换 11 1011 1011 1011 1011 1011 1)() ()() ()() ()() ()()()()()()()(a s a s a s a b s b s b s b s X s Y s G s X b s b s b s b s Y a s a s a s a s X b s sX b s X s b s X s b s Y a s sY a s Y s a s Y s a n n n n m m m m m m m m n n n n m m m m n n n n +++++++==+++=++++++++=++++------------
例1：系统微分方程为)()() ()(2 2t f t kx dt t dx c dt t x d m =++，求系统的传递函数。 解：由给定的微分方程， k cs m s s F s X s G s F s X k cs m s s F s kX s csX s X m s t f t kx dt t dx c dt t x d m ++= ==++=++=++2222 21 )()()()()()()()()()()()() ()( 例2：求R-C 电路的传递函数。 解： 1 1 )()()()1()()()(00000+= =+=+=+Rcs s G s U s U Rcs s U s U s RcsU u u dt du Rc i i i 三、性质 1、系统的传递函数取决于系统的本身，与系统的输入、输出及其它外界因素无关。 2、对于实际的物理系统，m n ≥ 四、概念 1、零点、极点： 零点：系统传递函数分子s 多项式为零的根。 极点：系统传递函数分母s 多项式为零的根。 2、传递系数： 值定义为传递系数)0(G 。 3、特征方程：传递函数分母s 多项式。 4、阶：系统特征方程s 的最高指数。 例3、以例1、例2的结果为例。 第二节典型环节及其传递函数