控制工程期末考试复习资料

控制工程期末考试复习资料一、课程概述控制工程是一门研究如何利用控制理论、方法和技术来实现对系统的控制和优化的学科。它涉及到自动控制原理、控制系统设计、系统建模与仿真等多个方面的知识。本复习资料旨在帮助同学们系统地梳理课程知识点，更好地应对期末考试。

二、自动控制原理（一）基本概念1.控制系统的组成被控对象：即需要被控制的设备或过程。控制器：根据被控对象的输出与给定值的偏差，产生控制信号。执行机构：将控制器输出的控制信号转换为对被控对象的操作。测量装置：检测被控对象的输出，并将其反馈给控制器。2.控制系统的分类按给定信号分类：可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。按系统输出信号对控制作用的影响分类：可分为开环控制系统和闭环控制系统。按系统的结构特点分类：可分为线性控制系统和非线性控制系统。

（二）控制系统的数学模型1.微分方程：描述系统输入、输出之间关系的数学表达式，是分析系统动态性能的基础。2.传递函数：在零初始条件下，系统输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。它是经典控制理论中分析和设计控制系统的重要工具。3.频率特性：系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应特性，包括幅频特性和相频特性。通过频率特性可以方便地分析系统的稳定性、快速性和准确性。

（三）控制系统的性能指标1.稳态性能指标稳态误差：系统在稳态时输出与给定值之间的误差，反映系统的控制精度。2.动态性能指标上升时间：系统响应从初始值上升到规定值所需的时间。峰值时间：系统响应超过稳态值达到第一个峰值所需的时间。调节时间：系统响应达到并保持在稳态值规定的允许误差范围内所需的时间。超调量：系统响应超过稳态值的最大偏差与稳态值之比。

（四）线性系统的稳定性分析1.稳定性的定义：系统在初始扰动作用下，能够自动恢复到初始平衡状态的能力。2.劳斯判据：通过系统特征方程的系数来判断系统稳定性的一种代数方法。若特征方程的所有系数均为正数，且劳斯表中第一列元素均为正数，则系统稳定；否则，系统不稳定。3.奈奎斯特判据：利用系统开环频率特性来判断闭环系统稳定性的一种图解方法。通过绘制奈奎斯特曲线，并根据其与负实轴的交点情况来判断系统的稳定性。

（五）线性系统的校正1.校正的概念：通过引入校正装置来改善系统的性能，使其满足给定的性能指标要求。2.校正方式串联校正：校正装置与系统的前向通路串联。反馈校正：校正装置与系统的局部反馈通路并联。前馈校正：校正装置直接作用于系统的输入信号。

三、控制系统设计（一）控制系统设计的一般步骤1.确定系统的性能指标：根据实际需求，明确系统的稳态和动态性能指标。2.建立系统的数学模型：对被控对象进行分析和建模，得到其传递函数或状态方程。3.选择控制方案：根据系统的特点和性能要求，选择合适的控制策略，如PID控制、串级控制、模糊控制等。4.设计控制器参数：通过理论计算或实验调试，确定控制器的参数，使系统满足性能指标要求。5.系统仿真与验证：利用仿真软件对设计的控制系统进行仿真分析，验证其性能是否满足要求。如有必要，对设计进行调整和优化。

（二）PID控制器1.PID控制原理：比例（P）、积分（I）、微分（D）控制规律的组合，通过对偏差的比例、积分和微分运算来产生控制信号。2.PID控制器参数的整定方法经验试凑法：根据经验逐步调整PID参数，直到系统性能满足要求。临界比例度法：通过试验确定系统的临界比例度和临界振荡周期，然后根据经验公式计算PID参数。衰减曲线法：通过使系统产生衰减振荡，根据衰减比确定PID参数。

（三）串级控制系统1.串级控制系统的结构：由主、副两个控制器和主、副两个被控对象组成，主控制器的输出作为副控制器的给定值。2.串级控制系统的特点：能够克服被控对象的非线性、时变性和干扰，提高系统的控制精度和稳定性。3.串级控制系统的设计原则主、副控制器的选型：根据系统的特点和控制要求，合理选择主、副控制器的控制规律。主、副回路的设计：合理确定主、副回路的控制参数，使系统具有良好的性能。

（四）模糊控制系统1.模糊控制的基本概念：基于模糊集合理论和模糊逻辑推理的一种智能控制方法，能够处理具有不确定性和模糊性的系统。2.模糊控制器的组成：包括模糊化接口、知识库、模糊推理机和去模糊化接口。3.模糊控制规则的制定：根据专家经验或实验数据，制定模糊控制规则，描述输入与输出之间的模糊关系。4.模糊控制器参数的调整：通过调整模糊控制规则、隶属度函数等参数，优化模糊控制器的性能。

四、系统建模与仿真（一）系统建模的方法1.机理建模：根据系统的物理、化学等原理，建立系统的数学模型。2.实验建模：通过对系统进行实验测试，获取系统的输入输出数据，然后利用系统辨识方法建立数学模型。3.混合建模：将机理建模和实验建模相结合，充分利用两者的优点，建立更准确的系统模型。

（二）MATLAB仿真工具1.MATLAB简介：一种功能强大的科学计算软件，广泛应用于控制系统的分析、设计和仿真。2.MATLAB在控制系统中的应用系统建模：利用MATLAB的符号计算工具箱和控制系统工具箱，可以方便地建立系统的数学模型。系统分析：通过MATLAB的绘图函数和分析工具，可以对系统的性能指标进行分析和评估。系统设计：利用MATLAB的优化工具箱和控制系统设计工具箱，可以对控制系统进行设计和优化。系统仿真：使用MATLAB的Simulink仿真环境，可以对控制系统进行可视化的动态仿真。

（三）Simulink仿真基础1.Simulink简介：MATLAB的可视化仿真工具，提供了丰富的模块库，方便用户构建各种控制系统的仿真模型。2.Simulink模型的构建模型窗口：用于绘制系统的仿真模型，将各个模块连接起来。模块库：包含各种类型的模块，如信号源模块、线性系统模块、非线性系统模块、输出模块等。参数设置：对每个模块的参数进行设置，以确定其具体功能。3.Simulink仿真的运行与分析仿真参数设置：设置仿真的起始时间、终止时间、仿真步长等参数。运行仿真：启动仿真，观察系统的输出响应。结果分析：利用Simulink的绘图工具和数据分析功能，对仿真结果进行分析和评估。

五、复习建议1.制定合理的复习计划：根据考试时间和课程内容，合理安排复习进度，确保每个知识点都能得到充分复习。2.理解基本概念：深入理解自动控制原理中的基本概念，如控制系统的组成、分类、数学模型、性能指标等，这是掌握后续知识的基础。3.掌握重点知识：明确课程的重点内容，如控制系统的稳定性分析、PID控制器设计、串级控制系统等，重点复习这些知识点，并通过做练习题和案例分析加深理解。4.多做练习题：通过做大量的练习题，巩固所学知识，提高解题能力。注意总结解题方法和技巧，遇到不懂的问题及时请教老师和同学。5.进行系统仿真：利用MATLAB和Simulink进行系统建模与仿真，通过实际操作加深对控制系统的理解，提高分析和解决问题的能力。6.参加复习讨论：积极参加老师组