机电系统控制期末考点

1、机电系统期末考点1. 机电一体化技术发展的四个趋势:智能化、模块化、网络化、微型化2. 机电一体化系统的组成部分:机械部分、执行装置、传感器、控制装置、接口3. 执行装置按能源主要可分为:电动、液压、气动4. 液压装置的优点a) 易获得大功率b) 比功率大c) 刚度高，可实现高速、高精度位置控制d) 可通过控制流量实现无级变速 e) 力矩-惯量比较大，加速能力强5. 传感器的三个组成部分:敏感元件、转换元件、电子线路6. 传感器的几大性能指标:精度、分辨率、线性度、灵敏度、测量范围、稳定性、迟滞、重复性。7. 线性度与灵敏度的定义线性度输出与输入之间数量关系的线性程度 灵敏度传感器的输出量增量

2、y与引起输出量增量y的输入量增量x的比值，s=y /x 8. 压电式加速度传感器的特点:动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小、无需外界电源。9. 油缸压力、流量、活塞面积等与液压力、功率、活塞速度的关系10. 运放增益带宽积的定义增益带宽积=增益×带宽=常数即G ×BW = Aus0 × fH = CONST缩写：G·BW。用来简单衡量放大器的性能的一个参数，表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是常数。例：一个放大器的G·BW为1G。如果它的增益为+2V/V。那么带宽=1G÷2=500M。11. 就分辨率和采样速

3、度而言，应如何选择AD芯片作业3：某信号采集系统要求在0.1ms 内通过一片A/D 转换芯片采集位移传感器的电压信号，并根据采集到的位移信号执行相应的数据处理算法。已知位移传感器输出模拟电压范围为5+5V（对应于150150um 位移范围），需分辨的位移为0.5um，数据处理算法的执行时间为0.05ms，试问应选择几位的A/D 转换器？其转换速度最低为多少？解：分辨率=0.5/300=1/6001/1024<1/600<1/512所以需要选用10 位A/D 转换器转换时间=0.10.05=0.05mS 所以转换速度>=20kHz12. 反馈、前馈的概念，应能识别系统框图中的反

4、馈与前馈通道反馈从被控对象获取信息，将此信息进行处理后反过来作为控制量作用于被控对象；按偏差控制；属于闭环系统。前馈预测将要出现的偏差而采取措施进行调节；按扰动控制；属于开环控制。前馈控制系统为前馈控制的一种形式，是控制部分发出指令使受控部分进行某种活动，同时又通过另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，受控部分在接受控制部分的指令进行活动时，又及时地受到前馈信号的调控，因此活动可以更加准确。13. 控制系统的分类（1）按照系统结构按偏差控制（反馈控制） 按扰动控制（前馈控制）（2）按照给定值的变化分类恒值调节系统保持被控量等于一给定常数随动系统保持被控量等于某个变化的不能预知的量（3）按照系统信

5、号流形式分类连续控制系统离散控制系统14. 如何从微分方程导出系统状态空间模型及传递函数模型（1）状态空间模型：状态方程状态量与输入量的关系或输出方程输出量与状态量及输入量的关系或例：已知：和推导：注意：D矩阵的行数和C相同，列数和B相同。作业4：题目：解答：由可以推知：则状态方程可写作：又因为已知：则输出方程可写作：（2）传递函数模型传递函数（传递函数矩阵）一个线性动态系统的传递函数是零初值条件下输出量的Laplace变换像函数与输入量的Laplace变换像函数之比。15. 状态空间模型与传递函数模型的关系状态方程to传递函数传递函数极点与状态空间模型A阵特征值相等 作业5：求直流电机系统的

6、状态空间模型，并计算其A阵特征值；求其传递函数模型，计算传递函数极点，并将极点与A阵特征值进行比较。状态量驱动电流、电机转速输入驱动电压输出电机转速 R= 2.0 L= 0.5 Km = .015 Kb = .015 Kf = 0.2 J= 0.021、求直流电机系统的状态空间模型，并计算其A阵特征值；已知：则故已知：则，令可求得：带入数值可得：2、求其传递函数模型，计算传递函数极点，并将极点与A阵特征值进行比较（如有条件，可通过matlab进行计算，给出计算结果的同时，给出相应matlab代码）对做拉普拉斯变换：则：求解可得：16. 能识别简单的框图，并能从框图推导出系统的开环与闭环传递函数

7、框串联时传递函数相乘，框并联时传递函数相加17. 传递函数的零极点表达式的定义（1）z1，z2zm 是分子多项式等于零时的根, 同时使 G(s)=0, 故称为传递函数的零点（2）p1，p2pn 是分母多项式等于零时的根, 同时使G(s)=, 故称为传递函数的极点或特征根（3）Kg=b0/a0, 称为传递系数或根轨迹增益18. 给定微分方程，能使用matlab命令tf及zpk创建系统传递函数模型由微分方程导出传递函数的零极点表达式：（1）num=b0 b2 bm;den=a0 a1 an;sys=tf (num,den) ;（2）z=z1 z2 zm;p=p1 p2 pm; sys=zpk (z

8、,p,Kg) ;19. matlab平台上矩阵元素的检索（1）一维数组元素的标识、访问与赋值（2）多维数组或矩阵元素的检索20. Matlab中系统传递函数的建模步骤（1）状态空间模型建立（2）传递函数模型建立sys=ss(A,B,C,D) ;21. 对震荡单元（二阶阻尼系统），能区分阶跃信号激励下，系统的过阻尼、欠阻尼、无阻尼时域响应曲线，并建立最优阻尼比的概念震荡单元的脉冲响应（典型二阶阻尼系统）：工程上有时把阻尼比x=0.707的二阶系统称为二阶最优系统。22. 线性系统稳定的充要条件能通过极点分布判别系统的稳定性系统微分方程的特征根全部位于复数平面的左半平面。 传递函数的极点即特征根。

9、23. 建立静态误差的概念，并能分辩一阶无静差系统与二阶无静差系统（1）静态过渡过程结束后进入与初始条件无关仅由外作用决定的状态。静态误差一个稳定的系统在输入量或扰动的作用下，经历过渡过程进入静态后，静态下输出量与要求值的误差（反映系统静态精度，跟踪性能）。（2）一阶无静差系统开环传递函数含一个积分单元，可无偏差跟踪阶跃函数二阶无静差系统含两个积分单元，可无偏差跟踪斜坡函数积分单元：G(s)=1/s24. 静态位置误差系数、静态速度误差系数的定义静态误差：对单位阶跃函数：对单位斜坡函数：25. 比例系数、积分单元、微分环节对系统性能的影响(1)增大系统的开环比例系数可以使静态误差减小(2)就同

10、一典型输入信号而言，积分单元数目越多，静差越小；就同一系统而言，输入信号变化越剧烈，静态误差越大(3)微分环节对误差变化提前进行调节，进一步改善动态性能26. 上升时间、超调量、过渡过程时间的定义动态性能指标跃阶响应曲线超调量：响应的平稳性；过渡过程时间：系统响应的总体快速性；延迟时间：系统响应的初始快速性。27. 微分方程、G(j)与G(s)的关系对稳定的线性定常系统，加入一正弦信号，其稳态响应是一与输入同频的正弦信号，稳态响应与输入不同之处仅在于幅值和相位。其幅值放大了倍，相位移动了。系统的幅频特性稳态响应（即输出信号）的幅值与输入信号的幅值之比 系统的相频特性稳态响应与正弦输入信号的相位

11、差为称为系统的频率特性函数28. 会根据开环系统Nyquist曲线判断闭环系统稳定性开环传递函数：闭环传递函数：Nyquist稳定判据：系统开环传递函数G0(s)在s右半平面有p个极点，则闭环系统稳定的充要条件是：当从-连续变化到+时，开环频率特性图G0(j)逆时针方向包围复平面上的(-1，0)点的圈数N与p相等注：(a)N<0逆时针旋转；N>0顺时针旋转；N=0不包围。(b)在虚轴上的开环极点不计入P。(c)G0 (j)与G0 (-j) 关于实轴对称，实际上只需要画出s沿虚轴上半部分变化的情况。作业8：作业：应用Nyquist稳定判据，判断k=20000，闭环系统是否稳定？nyq

12、uist图如下：放大后可看到bode图验证：也看出N=2(N+N-)=-2。即闭环系统不稳定。开环传递函数在右半平面没有极点，开环平率特性图包围（-1，0）点的圈数为N=-2，所以不稳定。29. 能根据系统开环bode图获取闭环系统稳定的增益裕量gm、相角裕量一般gm与均为正值。30. 工程上对相角裕量与增益裕量的要求工程上一般设法使相角裕量在30°到60°之间，增益裕量大于6dB31. 稳定裕量与阶跃响应的关系：稳定裕量小，阶跃响应往往剧烈，振荡严重；反之，稳定裕量过大则动态响应迟缓。稳定裕量：为使系统稳定而留出的冗余量。包括增益裕量gm和相角裕量。32. 最小相位传递函

13、数的定义：在s右半平面既无极点，也无零点的传递函数。最小相位的由来幅频特性相同的系统中最小相位系统的相位变化最小。33. 最小相位系统的“折线图”识别（下降斜率、转折点与零极点的关系）以及如何根据简单的折线图调整控制参数（0dB穿越点与相邻转折频率的关系）通过系统幅频特性图，求传递函数：求时间常数：求k：，则k=8求得：34. 根轨迹的定义及基本性质（1）根轨迹的定义：开环传递函数的某一参数从0变到时，闭环系统特征方程式的根在s平面上的变化轨迹。绘制根轨迹的基本依据和条件：（2）根轨迹的特性根轨迹的对称性特征方程的系数是实数，其特征根为实数或共轭复数，因此根轨迹对称于实轴。根轨迹的起点和终点起

14、点对应于时的特征根位置；终点则对应于时的特征根位置。35. 临界增益的求解方法（根轨迹部分）将代入特征方程36. 掌握等效开环传递函数的求解办法（参数根轨迹部分）37. 传递函数中增加开环负实零点、开环负实极点、开环负实偶极子的作用（2）增加开环负实极点，一般不利于系统稳定。但可减小系统带宽，有利于抑制高频扰动（3）偶极子系统中相距很近(与其他零极点相比)的一对极点和零点如添加开环负实偶极子，K0增大zc/pc倍。（1）增加开环负实零点可使根轨迹左移，有利于改善系统的稳定性及动态性能。z离虚轴越近，微分作用越强，对动态特性影响越显著。增加开环负实零点（2）增加开环负实极点，相当于增加一个以1/

15、(-p)为越大，时间常数的惰性环节。p离虚轴越近，惰性单元时间常数一般对系统稳定不利。但可减小系统带宽，有利于抑制高频扰动。增加开环负实极点（3）偶极子系统中相距很近(与其他零极点相比)的一对极点和零点。增加开环负实偶极子；相当于K增大了0.1/0.01=10倍。 图（1） 图（2）38. 串联校正的参数选取：超前校正、滞后校正（eg：给定后，超前校正最大超前角m处的角频率m的求解方法）（1）超前校正超前校正的作用是产生超前相角，用于部分补偿系统固有部分在截止角频率c附近的相角滞后，以增加相位稳定裕量，提高系统稳定裕度，改善系统响应动态特性值越大，超前校正的强度就越大；但不宜超过15（最大不超过20）缺点：降低系统对高频噪声的抑制力。（2）滞后校正滞后校正的作用是利用其高频衰减特性；降低开环幅频特性的中频段和高频段的增益，使截止频率下降，以改善系统的相对稳定性，即改善系统静态特性。缺点：牺牲快速性，换取暂态响应的相对稳定性。39. PID控制器的模拟电路实现PID控制器的实现40. z变换的定义，及离散系统的稳定判据，脉冲传递函数与差分方程的转换（1）Z变换在D(z)与D(s)之间建立的一种映射关系（），这种映射关系保证模拟控制器的脉冲响应的采样值与数字控制器的输出相同。对采样信号作拉氏变换 称为离散序列的 z 变换 （2）a.