机械工程控制基础简答题汇总教学提纲

机械工程控制基础简

答题汇总

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。

信息：在科学史上控制论与信息论第一次把一切能表达一定含义的信号、密码、情报和消息概括为信息概念，并把它列为与能量、质量相当的重要科学概念。

信息传递：所谓信息传递，是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递的过程。

系统：所谓系统，一般是指能完成一定任务的一些部件的组合。

控制系统：系统的可变输出如果能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的，则称为控制系统。

控制系统组成：主要由控制装置和被控对象两部分组成。控制装置包含给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件，给定元件给出系统的控制指令即输入；被控对象则是看得见的实体，输出即被控量是反映被控对象工作状态的物理量。

控制系统分类：1）按微分方程分类，可分为线性系统和非线性系统，根据微分方程系数是否随时间变化，可分为定常系统和时变系统。2）按传递信号性质分为连续系统和离散系统。3）按控制信号变化规律分为恒指控制系统、程序控制系统及随动系统。4）按是否存在反馈，分为开环控制系统和闭环控制系统。

反馈：把一个系统的输出信号不断直接或经过中间变换后全部或部分的返回到输入端，再输入到系统中去。

控制系统基本要求：系统的稳定性、响应的快速性、响应的准确性。

第2章拉普拉斯变换的数学方法

复数表示方法：点表示法、向量表示法、三角函数表示法和指数表示法。

零点与极点：当s=z1, …, z m时，G(s)=0，则称z1, …, z m为G(s)的零点；当

s=p1, …, p m时，G(s)=∞，则称p1, …, p m为G(s)的极点。

典型时间函数：单位阶跃函数、单位脉冲函数、单位斜坡函数、指数函数、正弦函数、余弦函数、幂函数。

拉氏变换的数学方法：查表法、有理函数法、部分分式法、MATLAB函数求解。

拉式变换解常微分方程：首先通过拉式变换将常微分方程化为象函数的代数方程，进而解出象函数，最后由拉式变换求得常微分方程的解。

第3章系统的数学模型

数学模型：系统动态特性的数学表达式。

数学模型建立方法：分析法、实验法

线性系统与叠加原理：系统的数学模型表达式是线性的，则这种系统就是线性系统。线性系统最重要的特性是可以运用叠加原理。所谓叠加原理就是，系统在几个外加作用力下所产生的响应，等于各个外加作用单独作用下的响应之和。

线性系统分类：线性定常系统、线性时变系统。

非线性系统处理途径：线性化、忽略非线性因素、用非线性系统的分析方法处理。

列写系统微分方程步骤：1）确定系统的输入和输出。2）按照信息的传递顺序，从输入端开始，按物体的运动规律，如力学中的牛顿定律；电路中的基尔霍夫定律和能量守恒定律等，列写出系统中各环节的微分方程。3）消去所列微分方程组中的各个中间变量，获得描述系统输入和输出关系的微分方程。4)将所得的微分方程加以整理，把与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在等号左边，并按降幂排列。

机械系统：达朗贝尔原理

液压系统：流体连续方程

电网络系统：基尔霍夫电流定律和电压定律

微分方程的增量化表示：系统按不为零的初始条件作为坐标原点来建立运动微分方程，这是的变量就变成了初始状态为零，然后再进行拉式变换，但要注意这时变量的坐标是相对于初始条件的。

传递函数定义：对单输入—单输出线性定常系统，在初始条件为零的条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉式变换之比，称为系统的传递函数。

传递函数主要特点：1）只适用于线性定常系统，只反映系统在零初始条件下的动态性能。2）系统传递函数反映系统本身的动态特性，至于系统本身的参数有关，与外界输入无关。3）对于物理可实现系统，传递函数分母中s的阶次n必不小于分子中s的阶次m。4）一个传递函数只能表示一对输入、输出间的关系。5）传递函数不说明被描述的系统的物理结构，不同的物理系统只要他们的动态特性相同，其传递函数相同。