控制工程基础第一章概论(含习题答案)

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控制工程基础第一章概论(含习题答案)

数字控制系统：采用计算机或数字控制器，其离散信号以数码形式传递的系统。
xi t

模拟量
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
控制对象
xo t
检测装置
② 根据输入信号的特征

恒值调节系统：给定量恒定，分析重点在于如何克服扰动对被调量的影响。随动系统：被调量随给定量的变化而变化，要求输出量能准确、快速地复现给定量。
① 给定元件：产生给定信号或输入信号。 ② 反馈元件：量测被调量或输出信号，产生主反馈信号。 ③ 比较元件：比较输入信号和反馈信号之间的偏差。 ④ 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。
⑤ 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 ⑥ 控制对象：控制系统所要操纵的对象，其输出量为系统的被调量（或被控制量）。 ⑦ 校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。 a) 反馈校正 b) 串联校正
⑤ 按系统参数与时间的关系
①开环控制：输入直接供给控制器，通过控制器对受控对象产生控制作用，没有输出反馈。
优点：结构简单、价格便宜、容易维修，不存在稳定性问题。缺点：精度低，容易受环境变化的干扰影响。
参考输入控制器控制指令扰动输出受控对象
Mc恒定：ur↑ → ua↑ → n↑ ； ur ↓ → ua ↓ → n ↓ ur恒定： Mc ↑ → n↓ ； Mc ↓ → n ↑
1.2 自动控制系统的基本概念
5. 自动控制系统的基本类型
① 根据所采用信号处理技术的不同

模拟控制系统：采用模拟技术处理信号。数字控制系统：采用数字技术处理信号。
偏差的脉冲系列
脉冲控制系统：离散信号取脉冲形式的系统

控制工程基础123章答案

第一章绪论内容提要一、基本概念1.控制：由人或用控制装置使受控对象按照一定目的来动作所进行的操作。

2.输入信号：人为给定的，又称给定量。

3.输出信号：就是被控制量。

它表征对象或过程的状态和性能。

4.反馈信号：从输出端或中间环节引出来并直接或经过变换以后传输到输入端比较元件中去的信号，或者是从输出端引出来并直接或经过变换以后传输到中间环节比较元件中去的信号。

5.偏差信号:比较元件的输出，等于输入信号与主反馈信号之差。

6。

误差信号：输出信号的期望值与实际值之差。

7。

扰动信号：来自系统内部或外部的、干扰和破坏系统具有预定性能和预定输出的信号。

二、控制的基本方式1.开环控制: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的系统,称为开环控制系统。

2.闭环控制：系统的输出量对系统有控制作用，或者说系统中存在反馈回路的系统,称为闭环控制系统.三、反馈控制系统的基本组成1.给定元件:用于给出输入信号的环节，以确定被控对象的目标值（或称给定值）。

2。

测量元件：用于检测被控量，通常出现在反馈回路中。

3.比较元件：用于把测量元件检测到的实际输出值经过变换与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。

4.放大元件:用于将比较元件给出的偏差信号进行放大，以足够的功率来推动执行元件去控制被控对象。

5.执行元件：用于直接驱动被控对象,使被控量发生变化。

6.校正元件:亦称补偿元件,它是在系统基本结构基础上附加的元部件，其参数可灵活调整，以改善系统的性能.四、控制系统的分类（一）按给定信号的特征分类1. 恒值控制系统2。

随动控制系统3。

程序控制系统（二）按系统的数学描述分类1. 线性系统2. 非线性系统（三）按系统传递信号的性质分类1. 连续系统2. 离散系统(四）按系统的输入与输出信号的数量分类1。

单输入单输出系统2。

多输入多输出系统（五)按微分方程的性质分类1。

集中参数系统2。

分布参数系统五、对控制系统的性能要求1。

控制工程基础_课后答案

控制工程基础习题解答第一章1-5．图1-10为张力控制系统。

当送料速度在短时间内突然变化时，试说明该控制系统的作用情况。

画出该控制系统的框图。

由图可知，通过张紧轮将张力转为角位移，通过测量角位移即可获得当前张力的大小。

当送料速度发生变化时，使系统张力发生改变，角位移相应变化，通过测量元件获得当前实际的角位移，和标准张力时角位移的给定值进行比较，得到它们的偏差。

根据偏差的大小调节电动机的转速，使偏差减小达到张力控制的目的。

框图如图所示。

1-8．图1-13为自动防空火力随动控制系统示意图及原理图。

试说明该控制系统的作用情况。

题1-5 框图电动机给定值角位移误差张力-转速位移张紧轮滚轮输送带转速测量轮测量元件角位移角位移（电压等）放大电压测量元件>电动机角位移给定值电动机图1-10 题1-5图该系统由两个自动控制系统串联而成：跟踪控制系统和瞄准控制系统，由跟踪控制系统获得目标的方位角和仰角，经过计算机进行弹道计算后给出火炮瞄准命令作为瞄准系统的给定值，瞄准系统控制火炮的水平旋转和垂直旋转实现瞄准。

跟踪控制系统根据敏感元件的输出获得对目标的跟踪误差，由此调整视线方向，保持敏感元件的最大输出，使视线始终对准目标，实现自动跟踪的功能。

瞄准系统分别由仰角伺服控制系统和方向角伺服控制系统并联组成，根据计算机给出的火炮瞄准命令，和仰角测量装置或水平方向角测量装置获得的火炮实际方位角比较，获得瞄准误差，通过定位伺服机构调整火炮瞄准的角度，实现火炮自动瞄准的功能。

控制工程基础习题解答第二章2-2．试求下列函数的拉氏变换，假定当t<0时，f(t)=0。

(3). ()t et f t10cos 5.0-=解：()[][]()1005.05.010cos 25.0+++==-s s t e L t f L t(5). ()⎪⎭⎫⎝⎛+=35sin πt t f 图1-13 题1-8图敏感元件定位伺服机构（方位和仰角）计算机指挥仪目标方向跟踪环路跟踪误差瞄准环路火炮方向火炮瞄准命令--视线瞄准误差伺服机构（控制绕垂直轴转动）伺服机构（控制仰角）视线敏感元件计算机指挥仪解：()[]()252355cos 235sin 2135sin 2++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+=s s t t L t L t f L π2-6．试求下列函数的拉氏反变换。

《控制工程基础》课程作业习题(含解答)

第一章概论本章要求学生了解控制系统的基本概念、研究对象及任务，了解系统的信息传递、反馈和反馈控制的概念及控制系统的分类，开环控制与闭环控制的区别；闭环控制系统的基本原理和组成环节。

学会将简单系统原理图抽象成职能方块图。

例1 例图1-1a 为晶体管直流稳压电源电路图。

试画出其系统方块图。

例图1-1a 晶体管稳压电源电路图解：在抽象出闭环系统方块图时，首先要抓住比较点，搞清比较的是什么量；对于恒值系统，要明确基准是什么量；还应当清楚输入和输出量是什么。

对于本题，可画出方块图如例图1-1b。

例图1-1b 晶体管稳压电源方块图本题直流稳压电源的基准是稳压管的电压，输出电压通过R和4R分压后与稳压管的电3压U比较，如果输出电压偏高，则经3R和4R分压后电压也偏高，使与之相连的晶体管基极w电流增大，集电极电流随之增大，降在R两端的电压也相应增加，于是输出电压相应减小。

c反之，如果输出电压偏低，则通过类似的过程使输出电压增大，以达到稳压的作用。

例2 例图1-2a为一种简单液压系统工作原理图。

其中，X为输入位移，Y为输出位移，试画出该系统的职能方块图。

解：该系统是一种阀控液压油缸。

当阀向左移动时，高压油从左端进入动力油缸，推动动力活塞向右移动；当阀向右移动时，高压油则从右端进入动力油缸，推动动力活塞向左移动；当阀的位置居中时，动力活塞也就停止移动。

因此，阀的位移，即B点的位移是该系统的比较点。

当X向左时,B点亦向左，而高压油使Y向右，将B点拉回到原来的中点，堵住了高压油，Y的运动也随之停下；当X向右时,其运动完全类似，只是运动方向相反。

由此可画出如例图1-2b的职能方块图。

例图1-2a 简单液压系统例图1-2b 职能方块图1．在给出的几种答案里，选择出正确的答案。

（1）以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统，其精度比较为_______ （A ）开环高；（B ）闭环高；（C ）相差不多；（D ）一样高。

（2）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。

控制工程基础习题答案清华大学出版社沈艳孙锐主编

For personal use only in study and research; not forcommercial use控制工程基础习题答案第一章1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优缺点？（略）1-2 日常生活中有许多闭环和开环控制系统。

试举几个具体例子，并说明它们的工作原理，画出结构方框图。

（略）1-3 图1.14是液面自动控制系统的两种原理示意图。

在运行中，希望液面高度H 0维持不变。

1．试说明各系统的工作原理。

2．画出各系统的方框图，并说明被控对象、给定值、被控量和干扰信号是什么?图1.14 液位自动控制系统解：()a 工作原理：出水量2θ与进水量一致，系统处于平衡状态，液位高度保持在0H 。

当出水量大于进水量，液位降低，浮子下沉，通过连杆使阀门1L 开大，使得进水量增大，液位逐渐回升；当出水量小于进水量，液位升高，浮子上升，通过连杆使阀门1关小，液位逐渐降低。

其中被控对象是水槽，给定值是液面高度希望值0H 。

被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()b 工作原理：出水量与进水量一致系统处于平衡状态，电位器滑动头位于中间位置，液面为给定高度0H 。

当出水量大于（小于）进水量，浮子下沉（上浮）带动电位器滑动头向上（下）移动，电位器输出一正（负）电压，使电动机正（反）转，通过减速器开大（关小）阀门1L ，使进水量增大（减小），液面高度升高（降低），当液面高度为0H 时，电位器滑动头处于中间位置，输出电压为零，电动机不转，系统又处于平衡状态。

其中被控对象是水槽，给定值为液面高度希望值0H ，被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()a ，()b 系统结构图如下图1-4 若将图1.14(a )系统结构改为图1.15。

试说明其工作原理。

并与图1.14(a )比较有何不同?对系统工作有何影响?解：若将1-17()a 系统结构图改为1-18，系统变成了正反馈，当出水量与进水量一致，液面高度为给定值0H 。

控制工程基础章节习题库及答案.docx

第一章绪论1.什么是闭环系统？其有什么特点？解：系统的输出量对系统有控制作用，或者说，系统中存在反馈回路，称为闭环系统。

闭环系统的主要特点是精度高，抗干扰能力强，结构复杂。

2.什么是开环系统？其有什么特点？解：如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。

该系统简单、稳定、可靠。

若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。

但总体精度通常较低、无自动纠偏能力3.什么是反馈？解：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。

4.对自动控制系统基本要求是什么？解：稳定性（稳）、快速性（快）、准确性（准）“稳”与“快”是说明系统动态（过渡过程）品质。

系统的过渡过程产生的原因：系统中储能元件的能量不可能突变。

“准”是说明系统的稳态（静态）品质5.图示是液位自动控制系统原理示意图。

在任意情况下，希望液面高度雄持不水箱液位控制系统出水量）工作原理：设电位器中点接零电位对应于希望液面高度•当系统处于平衡时，0 = 02，液位C维持不变.当Q > 02，则导致液面下降,此时，电位器滑臂偏离接地的零电位,则使得直流伺服电动机转动,经过减速后,进一步调节控制阀，使得QffcTT当液位上升到期望值时，且e1 = e2达到新的平衡，此时电位器输出的电压为零，控制阀达到新的开度。

6.图示为仓库大门自动控制系统图，试说明自动控制大门开启和关闭的工作原工作原理：当合上开门开关时，电位器桥式测量电路产生一个偏差电压信号。

此偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，使大门向上提起。

与此同时，与大门连在一起的电位器电刷上移，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，开门开关自动断开。

反之，当合上关门开关时，伺服电动机方向转动，带动绞盘转动使大门关闭，从而实现远距离自动控制大门开关的要求。

第二章1、求下列函数的拉氏变换，假设当/<0时，f (r )<0o77/(0 = sin(5r + y)用和角公式展开)1 /? 3 解： /(0 = sin(5t + —) = sin5^cos — + cos 5t sin —= — sin 5t + cos 5tF (s )= ____ 二 _____ |__ 2(s?+25) 2(s?+25)2s?+50利用终值定理，求/Too 时的/•(/)值。

控制工程基础习题答案清华大学出版社沈艳孙锐主编

试举几个具体例子，并说明它们的工作原理，画出结构方框图。

（略）1-3 图1.14是液面自动控制系统的两种原理示意图。

在运行中，希望液面高度H 0维持不变。

1．试说明各系统的工作原理。

其中被控对象是水槽，给定值是液面高度希望值0H 。

被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()b 工作原理：出水量与进水量一致系统处于平衡状态，电位器滑动头位于中间位置，液面为给定高度0H 。

其中被控对象是水槽，给定值为液面高度希望值0H ，被控量是液面实际高度，干扰量是出水量2θ。

()a ，()b 系统结构图如下图1-4 若将图1.14(a )系统结构改为图1.15。

试说明其工作原理。

控制工程基础课后习题答案-最权威版本111111 第三版清华大学出版社

1 s X ( s ) sx(0) x(0) 6[ sX ( s ) x(0)] 8 X ( s ) s 1 2 s X ( s ) s 6 sX ( s ) 6 8 X ( s ) s s 2 6s 1 X ( s) s ( s 2 6 s 8)
st st 0 0
0

0
L[ x(t a)] e
2 s 6 1 e s
as
X ( s)
F ( s ) L[15t (t ) 4t (t ) 6 (t ) 1(t 2)]
2-1 求解时域函数的拉氏变换
（ 7 ）考查点： 1、衰减定理（或待定系数法，或分部积分法）
2

s 2 6s 1 X (s) s ( s 2 6 s 8) 1 7 1 7 1 s6 [ 2 ] 2 s s ( s 6 s 8) s 8 s s 6 s 8 1 7 2 1 [ ] 8s 8 s 2 s 4 1 7 2t 7 4t x(t ) e e 8 4 8
L[e
at
x(t )] X ( s a)
2、正、余弦函数的拉氏变换，
f (t ) e
6 t
cos8t s6 F (s) 2 2 ( s 6) 8
s L[cos 8t ] 2 , 2 s 8
2-3 求解微分方程
时域
拉氏
S域
反拉氏
时域
考查点： 1、拉氏变换的微分定理和积分定理，注意初值 2、整理后，在分解为标准象函数形式 3、反拉氏变换
第一章概论
作业 1－5，1－6 要求：分析现有的简单控制系统，并定性地画出他们的职能方块图。要点：1、明确输入量和输出量； 2、比较点必须是同量纲的量。

控制工程基础课后习题解答

(R1
R2
)C
d dt
uo
(t
)
uo
(t
)
R2C
d dt
ui
(t
)
ui
(t)
xi
xo
K1 K2 B f)
K1(
xi
xo
)
K2
(
xo
x)
B
dx dt
(K1
K2)B
d dt
xo
(t)
K1K 2 xo
(t)
K1B
d dt
xi
(t)
K1K 2 xi
(t)
易见：a)与b)、c)与d)、e)与f)为相似系统。
第2章习题解答
dx2 dt
B2
dx2 dt
K 2 x2
m2
d 2x2 dt 2
第2章习题解答
m1m2
d 4x2 dt 4
(m1B2
m1B3
m2 B1
m2 B3 )
d 3x2 dt3
(m1K2
m2 K1
B1B2
B1B3
B2 B3 )
d 2x2 dt 2
( K1B2
K1B3
K 2 B1
K 2 B3 )
dx2 dt
故：G2 (s)
X o (s) Xi (s)
(B1s K1)(B2s K2 ) (B2s K2 )(B1s K1) K1B1s
B1 K1 s 1 B2 K2 s 1
B1 K1 s 1 B2 K2 s 1 B1 K2 s
显然：两系统具有相同形式的传递函数。
第2章习题解答
2-8 按信息传递和转换过程，绘出图示两机械系统的方框图。

《控制工程基础》第二版课后习题答案

第一章习题解笞U]>U2 U\ U2第二章习题解答2-1a) b)d)f)L^f| 忙d)f\ — fl =^2X O严(f)=$(M+E ⑴虑如(f) =iQ)RRC^-u o (t)^u o (t) = RC^-u^t) at at fs (r)=B 低[xi (f) -曲(幼 j/B (t)=fK (t) = KXo(t) B dB d 『八10602斤不％()+%©二斤击可()占dR^c —% (0+ (*i + 心)％ ⑴=邛应 ~u i (0+ R 2u t (0 atati =i R +，C u o =IR?：R R 严冃3宙 % =gR\ +u oa)=K ］（旳一兀）+」:dx o ](J?l + J?2)C —«c (!)+ %("■ R Q C — Wj(O + tti (Oat at(K[ + K2)B — x o (t)+ K\K2X o (t)= K\R 〒曲(f)+ 琦心再(f)dt at10602a) b) c) Q © f)U Q —1/?2 + — j icit— Z/?| + iR-f H —J idte)dxK\% K i (兀 _ %) = K 》(兀)—x)=号二dtoB 2+ （®K° ++ B'B? + 场*3 + 水2〃?）& 2+ （K }B 2+K }B 3 + 心汝 + KM 巴2 + K }K 2X 2 dt3J S + 2用 + 8S-丘（$ + 2）（$戈+2$十4）广、■炉+ 5,2+9用+7E （$+恥 + 2）乡一rn\fU2K 2rdx { dx 2< dt dt ；/（O™-坷罕~_叭 dtdxj … 一 —- - K?x^ = m dtdx l dx 2dt dt护d 2x 2 2~d^ k,用典2+ （的+创坷+用2创+加2*3）；?7皿乔对）13173 G($)= --------------- —(£+。

控制工程基础习题及解答

第一章习题及答案例1-1根据题1-1图所示的电动机速度控制系统工作原理图(1) 将a，b与c，d用线连接成负反馈状态；(2) 画出系统方框图。

解（1）负反馈连接方式为：db↔；a↔，c（2）系统方框图如图解1-1 所示。

例1-2题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。

试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。

题1-2图仓库大门自动开闭控制系统解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。

与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。

反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。

系统方框图如图解1-2所示。

例1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。

分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。

题1-3图炉温自动控制系统原理图解加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比，c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流电动机驱动。

炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。

f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。

在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压r u 。

此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。

这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。

当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程：控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。

1控制工程基础第三版课后答案 (孔祥东王益群著) 机械工业出版

T2(s)
1 θ0(s) J 2 s 2 + fs
θi(s)
k1 (J 2 s 2 + fs + k2 ) J1s 2 (J 2 s 2 + fs + k2 ) + k2 (J 2s 2 + fs) + k1 (J 2 s2 + fs + k2 )
k2 J 2 s + fs + k 2
2
θi(s)
θ0(s) k1 k 2 2 J 1 J 2 s + J 1 fs + (k1 J 2 + k 2 J 1 + k 2 J 2 )s + (k1 + k 2 ) fs + k1 k 2
I3
∝ +
C2
I2
U0( s )
Ui( s )
R1
+
I1
R0
b) 图 2-30 题 2-16 图
I3 =
Ui R2 C 2 s 2 R4 C 2 s + 1 + C1C 2 R2 R4 s + C1 R2 s R1
R4 C 2 s + 1 + C1C 2 R2 R4 s 2 + C1 R2 s + R2 C 2 s U i I2 = R1 R4 C 2 s + 1 + C1C 2 R2 R4 s 2 + C1 R2 s
⎡ ⎤ s 2 + 5s + 2 k1 = ⎢ ⎥ (s + 2 ) s = −2 = −2 2 ⎣ (s + 2 )(s + 2 s + 2)⎦ ⎡ ⎤ 2 s 2 + 5s + 2 k 2 s + k3 =⎢ s + 2s + 2 2 s = −1 − j ⎣ (s + 2 ) s + 2 s + 2 ⎥ s = −1 − j ⎦ −3−3j − k 2 + k 3 − jk 2 = = −3 j 1− j k2 = 3

控制工程基础习题解答1

控制工程基础习题解答第一章1-1．控制论的中心思想是什么？简述其发展过程。

维纳（N.Wiener）在“控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学”中提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三个要素，这就是控制论的中心思想控制论的发展经历了控制论的起步、经典控制理论发展和成熟、现代控制理论的发展、大系统理论和智能控制理论的发展等阶段。

具体表现为：1．1765年瓦特（Jams Watt）发明了蒸汽机，1788年发明了蒸汽机离心式飞球调速器，2．1868年麦克斯威尔（J.C.Maxwell）发表“论调速器”文章；从理论上加以提高，并首先提出了“反馈控制”的概念；3．劳斯（E.J.Routh）等提出了有关线性系统稳定性的判据4．20世纪30年代奈奎斯特（H.Nyquist）的稳定性判据，伯德（H.W.Bode）的负反馈放大器；5．二次世界大仗期间不断改进的飞机、火炮及雷达等，工业生产自动化程度也得到提高；6．1948年维纳（N.Wiener）通过研究火炮自动控制系统，发表了著名的“控制论—关于在动物和机器中控制和通讯的科学”一文，奠定了控制论这门学科的基础，提出了控制论所具有的信息、反馈与控制三要素；7．1954年钱学森发表“工程控制论”8．50年代末开始由于技术的进步和发展需要，并随着计算机技术的快速发展，使得现代控制理论发展很快，并逐渐形成了一些体系和新的分支。

9．当前现代控制理论正向智能化方向发展，同时正向非工程领域扩展（如生物系统、医学系统、经济系统、社会系统等），1-2．试述控制系统的工作原理。

控制系统就是使系统中的某些参量能按照要求保持恒定或按一定规律变化。

它可分为人工控制系统（一般为开环控制系统）和自动控制系统（反馈控制系统）。

人工控制系统就是由人来对参量进行控制和调整的系统。

自动控制系统就是能根据要求自动控制和调整参量的系统，系统在受到干扰时还能自动保持正确的输出。

它们的基本工作原理就是测量输出、求出偏差、再用偏差去纠正偏差。

控制工程基础课后习题答案

根据频率响应的特性，设计控制系统。
详细描述
通过调整系统的传递函数，可以改变系统的频率响应特性。在设计控制系统时，我们需要根据实际需求，调整传递函数，使得系统的频率响应满足要求。例如，如果需要提高系统的动态性能，可以减小传递函数在高频段的增益。
06 第五章控制系统的稳定性分析
习题答案5-
习题答案
• 习题1答案：该题考查了控制系统的基本概念和组成。控制系统的基本组成包括被控对象、传感器、控制器和执行器等部分。被控对象是实际需要控制的物理系统或设备；传感器用于检测被控对象的输出状态，并将检测到的信号转换为可处理的电信号；控制器根据输入的指令信号和传感器的输出信号，按照一定的控制规律进行运算处理，并输出控制信号给执行器；执行器根据控制信号对被控对象进行控制操作，使其达到预定的状态或性能要求。
控制工程基础课后习题答案
目录
• 引言 • 第一章控制系统概述 • 第二章控制系统的数学模型 • 第三章控制系统的时域分析 • 第四章控制系统的频域分析 • 第五章控制系统的稳定性分析 • 第六章控制系统的校正与设计
01 引言
课程简介
01
控制工程基础是自动化和电气工程学科中的一门重要课程，主要涉及控制系统的基本原理、分析和设计方法。
总结词
控制系统校正的概念
详细描述
控制系统校正是指在系统原有基础上，通过加入适当的装置或元件，改变系统的传递函数或动态特性，以满足性能指标的要求。常见的校正方法有串联校正、并联校正和反馈校正等。校正装置通常安装在系统的某一环节，以减小对系统其他部分的影响。
习题答案6-
总结词
控制系统设计的一般步骤
习题答案5-
总结词

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t 温度
（被调量）
恒温箱自动控制系统职能方块图
反馈：输出量通过适当的测量转换装置将信号的全部或一部分返回输入端，使之与输入量进行比较。比较的结果称为偏差。反馈控制原理：基于反馈基础上的“检测偏差并用以纠正偏差” 。
1.2 自动控制系统的基本概念
3. 开环控制与闭环控制（按有无反馈测量装置分类）
① 自动控制：在没有人参与的情况下，使被控对象的某些物理量准确地按照预期规律变化。例如：数控加工中心、焊接机器人、温度控制系统、主动悬架系统等。
主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个可以控制阻尼作用力的装置，由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。
电机转速开环控制系统
1.2 自动控制系统的基本概念
② 闭环控制：输出全部或部分被反馈回输入端，与输入比较得出偏差加给控制器，再根据偏差调节受控对象，形成闭环控制回路。
优点：精度高、动态性能好、抗干扰能力强。缺点：结构比较复杂，价格贵、维护较难。
扰动参考输入
+_
控制器
反馈信号
控制指令
1.2 自动控制系统的基本概念
③ 按系统中传递信号的性质

连续控制系统：系统中各部分传递的信号是随时间连续变化的信号。离散控制系统：系统某处或多处的信号是脉冲序列或数字量。
④ 按描述系输入和输出间具有叠加性和齐次性。非线性控制系统：系统中有非线性元件。
1.2 自动控制系统的基本概念
5. 自动控制系统的基本类型
① 根据所采用信号处理技术的不同

模拟控制系统：采用模拟技术处理信号。数字控制系统：采用数字技术处理信号。
偏差的脉冲系列
脉冲控制系统：离散信号取脉冲形式的系统
xi t

et
采样开关
e* t
数据保持器
控制对象
x o t
① 给定元件：产生给定信号或输入信号。 ② 反馈元件：量测被调量或输出信号，产生主反馈信号。 ③ 比较元件：比较输入信号和反馈信号之间的偏差。 ④ 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件。
⑤ 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件。 ⑥ 控制对象：控制系统所要操纵的对象，其输出量为系统的被调量（或被控制量）。 ⑦ 校正元件：用以稳定控制系统，提高性能。 a) 反馈校正 b) 串联校正

Hoff，Marcian Edward
Cleve Molor，John Little，MATLAB
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 经典控制理论和现代控制理论
早期经典控制理论在美国称伺服机构理论，在德国和苏联则称为自动调节理论； 1960在“第一届全美联合自动控制会议”上，把系统与控制领域中，研究单变量控制问题的学科称为经典控制理论，研究多变量控制问题的学科称为现代控制理论。经典控制理论：以线性定常系统为主的单输入单输出系统为研究对象，以传递函数作为描述系统的数学模型，以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具。现代控制理论：以时变参数、多变量、非线性复杂系统为研究对象，以状态方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的原理和方法。
中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪 (132年)。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国马均研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车（235年）
中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想的提花织机结构图（1637年）
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
3. 经典控制理论的发展

1788年，英国发明家James Watt（1736～1819）发明了控制蒸汽机速度的飞球调节器，这是最著名的应用于工业过程的自动控制装置。 1884年，英国E.J. Routh建立Routh判据（Routh Stability Criteria，Hurwitz 1895） 1868 年，英国科学家麦克斯发表的“论调速器”的论文中，应用数学模型和数学工具对飞球调节器稳定性问题进行探索，标志着自动控制理论的诞生；俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892 年 )，提出稳定性的科学概念、研究方法和相关理论。 1927 年，美国电气工程师布莱克在改进长途通信用信号发生器时，发明了负反馈放大器，标志着反馈控制从无意识到自觉应用的转折； 1948 ～ 1950 年，美国电气工程师埃文斯提出并完善了根轨迹法； 1954 年，我国科学家钱学森（ 1911 ～ 2009 ）发表《工程控制论》，把控制论推广到工程技术领域。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
5. 控制理论的新发展
③ 集成控制理论：随着控制科学和计算机的飞速发展，基于网络的集成控制系统应运而生，并逐渐成为国际学术界研究的一个热点。集成控制系统具有信息资源共享、灵活性强、良好的自诊断和维护性能好等优点。
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
1.2 自动控制系统的基本概念
u1：与预期温度t1相应的给定电压 u2 ：热电偶检测转换出来的与实际温度t2相应的反馈电压 △u=u1-u2 ：与实际温度误差△t=t1t2相应的电压偏差信号
给定元件
u1
u u 电压功率 ua 执行电机放大 u2
减速器热电偶
a
调压器
u
恒温箱（控制对象）
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
② 智能控制理论：把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现控制系统的智能化。智能控制是多学科交叉的学科，它的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展。智能控制的研究对象具有不确定性、高度的非线性、任务要求复杂的特点。智能控制系统的类型包括：专家控制系统、模糊控制系统、人工神经网络控制系统等。
第一章概论
1.1 控制理论在工程中的应用和发展 1.2 控制理论的基本概念 1.3 控制理论在机械制造工业中的应用
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
1. 早期的自动控制实践应用（1400BC～1868）
中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶（1400BC～1100BC）
希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。(BC250年)。
⑤ 按系统参数与时间的关系
1.2 自动控制系统的基本概念
1. 基本概念
② ③ 控制系统的基本任务：如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化。学习自动控制技术的目的： A. 分析系统：分析某给定控制系统的工作原理、动态特性、稳定性、准确性、快速性等。 B. 综合和设计系统：在已知被控制对象和核定性能指标的前提下，寻求控制规律，设计控制系统，并用机、电、光、液压等元部件或设备加以实现。 ④ 控制系统：由被控制对象和自动控制装置按一定方式联结起来的、完成一定自动控制任务的总体。 A. 输入量：作用在系统上的激励信号。 a) 控制（指定、参考）输入：使系统具有预定性能的输入信号。 b) 扰动：干扰或破坏系统预定性能的输入信号。 B. 被控制量：系统的输出，表征控制对象或过程的状态和性能。
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
2. 控制论和自动控制学科诞生
控制论奠基人：诺伯特·维纳(Norbert Wiener，1894-1964)，在火炮对空射击自动控制的研究工作中，提炼出控制理论中最基本和最重要的负反馈概念。准确控制的方法是把运动结果所决定的量，作为信息再反馈回控制仪器中。（Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance.） 1948 年 Wiener 发表《控制论》，标志自动控制学科的诞生和经典控制理论的成熟。
①开环控制：输入直接供给控制器，通过控制器对受控对象产生控制作用，没有输出反馈。
优点：结构简单、价格便宜、容易维修，不存在稳定性问题。缺点：精度低，容易受环境变化的干扰影响。
参考输入控制器控制指令扰动输出受控对象
Mc恒定：ur↑ → ua↑ → n↑ ； ur ↓ → ua ↓ → n ↓ ur恒定： Mc ↑ → n↓ ； Mc ↓ → n ↑
1.2 自动控制系统的基本概念
控制器
输入变化引起的电机转速变化
负载变化引起的电机转速变化
1.2 自动控制系统的基本概念
4. 反馈控制系统的基本组成
给定元件
输入信号比较元件偏差信号
扰动串联校正元件放大元件反馈校正元件执行元件控制对象
输出
xi

ε

xo
局部反馈主反馈
主反馈信号xb 反馈元件

Multivariable control system Coordinated control system for a boiler-generator 发电机组的联合控制
1.1 控制理论在工程中的应用和发展
6. 控制理论的新发展
① 大系统理论：随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的大系统，如电力系统、城市交通网、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。大系统分析和设计理论包括：大系统建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内容。

控制工程基础第一章 概论(含习题答案)