机械工程控制基础简答题答案

机械工程控制基础简答题答案第一章绪论1.什么是控制？什么是自动控制？控制是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，对系统施加的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某些物理量（如温度、压力、速度等）能够按照预定的规律运行或变化。

2.自动控制系统通常由哪些基本环节组成？各环节起什么作用？自动控制系统通常由给定环节、测量环节、比较环节、放大环节、执行环节、校正环节和被控对象等基本环节组成。给定环节：产生输入信号，确定系统的预期输出。测量环节：检测被控量，并将其转换为与输入信号同一物理量的信号。比较环节：将测量环节的输出信号与给定信号进行比较，得出偏差信号。放大环节：将偏差信号放大，以驱动执行环节。执行环节：根据放大环节的输出信号，对被控对象施加控制作用。校正环节：改善系统的性能，使系统满足要求。被控对象：被控制的对象，是系统的工作对象。

3.自动控制系统有哪些分类方法？试分别列举说明。自动控制系统的分类方法有多种，常见的分类方法如下：按控制方式分类：开环控制系统、闭环控制系统。按元件类型分类：机械控制系统、电气控制系统、液压控制系统、气动控制系统等。按系统功能分类：温度控制系统、压力控制系统、速度控制系统等。按系统特性分类：线性控制系统、非线性控制系统。按输入信号特征分类：恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。

4.开环控制系统和闭环控制系统各有什么特点？开环控制系统：结构简单，成本低。系统的输出量不会对系统的控制作用产生影响，不存在反馈，不能自动纠正偏差。适用于对控制精度要求不高的场合。闭环控制系统：具有反馈环节，能自动检测输出量，并将其反馈到输入端与给定值进行比较，从而构成一个闭合回路。能自动纠正偏差，控制精度高。结构复杂，成本较高，稳定性问题相对突出。

5.简述自动控制系统的基本要求。自动控制系统的基本要求主要有稳定性、准确性和快速性。稳定性：系统在受到外界干扰后，能在足够长的时间内恢复到原来的平衡状态或趋于新的平衡状态，是系统正常工作的首要条件。准确性：系统的输出量与给定值之间的偏差要小，反映了系统的控制精度。快速性：系统对输入信号的响应要快，过渡过程时间要短，以满足实际工作的需要。

第二章控制系统的数学模型1.什么是控制系统的数学模型？建立数学模型有什么意义？控制系统的数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。建立数学模型的意义在于：可以定量分析系统的性能，如稳定性、准确性、快速性等。便于对系统进行设计和优化，确定系统的参数。能够预测系统的行为，为系统的运行和控制提供依据。是分析和设计控制系统的基础。

2.建立控制系统数学模型的方法有哪些？建立控制系统数学模型的方法主要有解析法和实验法。解析法：根据系统所遵循的物理、化学等定律，通过分析系统的工作原理，推导出系统的数学模型。实验法：通过对系统施加一定的输入信号，测量系统的输出响应，然后根据实验数据建立系统的数学模型，如最小二乘法等。

3.什么是线性系统？线性系统有哪些特性？线性系统是指满足叠加原理的系统。其特性包括：齐次性：若输入为x(t)时，输出为y(t)，则当输入为kx(t)时，输出为ky(t)，其中k为常数。叠加性：若输入为x1(t)时，输出为y1(t)，输入为x2(t)时，输出为y2(t)，则当输入为x1(t)+x2(t)时，输出为y1(t)+y2(t)。

4.传递函数的定义是什么？它有哪些特点？传递函数是指在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。其特点包括：只取决于系统的结构和参数，与输入信号的形式无关。反映了系统的固有特性，可用于分析系统的动态性能。是复变量s的有理分式，其分母多项式的次数一般不低于分子多项式的次数。

5.什么是系统的频率响应？如何求系统的频率响应？系统的频率响应是指系统对正弦输入信号的稳态响应。求系统频率响应的方法是：令输入信号为x(t)=Asin(ωt)，将其进行拉氏变换得到X(s)=Aω/(s²+ω²)，然后将X(s)代入系统的传递函数G(s)中，得到输出量的拉氏变换Y(s)=G(s)X(s)，最后对Y(s)进行拉氏反变换，得到系统的稳态响应y(t)，其幅值和相位与输入信号的频率ω有关，分别为系统的幅频特性和相频特性，合称为频率响应。

第三章控制系统的时域分析1.什么是系统的时域响应？它包括哪些部分？系统的时域响应是指系统在输入信号作用下，其输出随时间变化的情况。它包括瞬态响应和稳态响应两部分。瞬态响应：系统在初始条件和输入信号作用下，从初始状态到稳定状态的响应过程。稳态响应：系统在输入信号作用下，当时间趋于无穷时的输出响应。

2.一阶系统的传递函数是什么？其单位阶跃响应有什么特点？一阶系统的传递函数为G(s)=1/(Ts+1)，其中T为时间常数。其单位阶跃响应的特点为：响应曲线是一条指数上升曲线。当t=T时，响应值达到稳态值的63.2%。时间常数T越小，响应越快。

3.二阶系统的传递函数是什么？其单位阶跃响应有哪些典型情况？二阶系统的传递函数为G(s)=ωn²/(s²+2ζωns+ωn²)，其中ωn为无阻尼自然频率，ζ为阻尼比。其单位阶跃响应的典型情况有：当ζ>1时，为过阻尼情况，响应为非周期的单调上升曲线。当ζ=1时，为临界阻尼情况，响应也是非周期的单调上升曲线，上升速度比过阻尼情况快。当0<ζ<1时，为欠阻尼情况，响应为衰减振荡曲线。当ζ=0时，为无阻尼情况，响应为等幅振荡曲线。

4.什么是上升时间、峰值时间、调节时间和超调量？它们反映了系统的什么性能？上升时间：响应曲线从初始值上升到稳态值的规定百分比（通常为10%到90%）所需的时间，反映系统的快速性。峰值时间：响应曲线达到第一个峰值所需的时间，也反映系统的快速性。调节时间：响应曲线进入并保持在稳态值的允许误差范围内所需的时间，衡量系统的稳定性和快速性。超调量：响应曲线的最大峰值与稳态值之差与稳态值之比的百分数，反映系统的相对稳定性。

5.如何根据系统的性能指标要求来设计系统？根据系统的性能指标要求设计系统时，首先要确定系统的类型（如一阶、二阶等），然后根据性能指标确定系统的参数。对于一阶系统，主要确定时间常数T；对于二阶系统，要确定无阻尼自然频率ωn和阻尼比ζ。通过调整这些参数，使系统满足稳定性、准确性和快速性的要求。例如，若要求系统快速响应且超调量小，可适当增大阻尼比ζ；若要求系统响应速度快，可增大无阻尼自然频率ωn等。同时，还可以采用校正环节来进一步改善系统性能。

第四章控制系统的根轨迹法1.什么是根轨迹？根轨迹法有什么作用？根轨迹是指当系统的某个参数（如开环增益）从0变化到无穷大时，闭环系统特征方程的根在s平面上移动的轨迹。根轨迹法的作用是：分析系统参数变化对系统性能的影响。确定系统的稳定性。设计系统的参数，使系统满足性能要求。

2.绘制根轨迹的基本条件是什么？绘制根轨迹的基本条件是：幅值条件：闭环系统特征方程的根满足|G(s)H(s)|=1。相角条件：闭环系统特征方程的根满足∠G(s)H(s)=(2k+1)π，k=0,±1,±2,...。

3.根轨迹有哪些基本规则？根轨迹的基本规则包括：根轨迹起于开环极点，终于开环零点。根轨迹的分支数等于开环有限零点数和有限极点数中的大者。根轨迹的渐近线：渐近线与实轴的交点为σ=(∑pi∑zi)/(nm)，其中pi为开环极点，zi为开环零点，n为开环极点数，m为开环零点数；渐近线的倾角为φ=(2k+1)π/(nm)，k=0,1,2,...。实轴上的根轨迹：实轴上某一区域，若其右边开环实数零、极点个数之和为奇数，则该区域为根轨迹。根轨迹的分离点和会合点：可通过求解d[1+G(s)H(s)]/ds=0得到。根轨迹与虚轴的交点：可通过令特征方程的实部为0，虚部不为0来求解。

4.如何利用根轨迹来分析系统的稳定性？根据根轨迹在s平面上的位置来分析系统的稳定性。若根轨迹全部位于s平面的左半平面，则系统稳定；若有根轨迹位于s平面的右半平面，则系统不稳定；若根轨迹与虚轴相交，则系统临界稳定。

5.如何根据根轨迹来设计系统参数？通过调整系统的开环增益等参数，使根轨迹的形状发生变化，从而使系统的闭环极点位于合适的位置，以满足系统的性能要求。例如，若要提高系统的稳定性，可使根轨迹向左移动；若要加快系统响应速度，可使根轨迹上的主导极点靠近虚轴等。同时，也可以通过加入校正环节来改变根轨迹的形状，实现系统的优化设计。

第五章控制系统的频域分析1.什么是频率特性？它与传递函数有什么关系？频率特性是指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。它与传递函数的关系是：在零初始条件下，系统的频率特性等于传递函数中s用jω代替后的结果，即G(jω)。

2.什么是幅频特性和相频特性？它们的物理意义是什么？幅频特性|G(jω)|表示系统对不同频率正弦输入信号的幅值放大倍数；相频特性∠G(jω)表示系统对不同频率正弦输入信号的相位滞后。它们反映了系统对不同频率信号的处理能力，体现了系统的频率响应特性。

3.如何求系统的频率特性？求系统频率特性的方法是将传递函数G(s)中的s用jω代替，得到G(jω)，然后分别计算其幅值和相位，即|G(jω)|和∠G(jω)。

4.常用的典型环节有哪些？它们的频率特性如何？常用的典型环节有比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节、一阶微分环节、二阶振荡环节等。比例环节：G(jω)=K，幅频特性为常数K，相频特性为0。积分环节：G(jω)=1/jω，幅频特性为1/ω，相频特性为90°。微分环节：G(jω)=jω，幅频特性为ω，相频特性为90°。惯性环节：G(jω)=1/(jωT+1)，幅频特性为1/√(1+(ωT)²)，相频特性为arctan(ωT)。一阶微分环节：G(jω)=jωT+1，幅频特性为√(1+(ωT)²)，相频特性为arctan(ωT)。二阶振荡环节：G(jω)=ωn²/(ω²+2ζωnjω+ωn²)，幅频特性为ωn²/√((ωn²ω²)²+(2ζωnω)²)，相频特性为arctan(2ζω/(ωn²ω²))。

5.什么是系统的开环频率特性和闭环频率特性？它们之间有什么关系？系统的开环频率特性是指开环传递函数G(s)H(s)中s用jω代替后的结果G(jω)H(jω)；闭环频率特性是指闭环传递函数G(s)/(1+G(s)H(s))中s用jω代替后的结果。它们之间的关系可以通过闭环传递函数与开环传递函数的关系推导得出，闭环频率特性取决于开环频率特性和系统的结构。一般来说，开环频率特性的性能会影响闭环系统的频率响应和性能。

第六章控制系统的校正1.什么是校正？为什么要对控制系统进行校正？校正就是在系统中加入一些装置（校正装置），以改善系统的性能，使系统满足给定的性能指标要求。对控制系统进行校正的原因是：系统的固有特性可能无法直接满足性能要求，如稳定性不足、响应速度慢、超调量大等，通过校正可以调整系统的结构和参数，优化系统性能。

2.校正装置有哪些类型？各有什么特点？校正装置按其特性可分为超前校正装置、滞后校正装置、滞后超前校正装置等。超前校正装置：能提供正的相角超前，可改善系统的动态性能，提高响应速度，但对稳态精度改善不大。滞后校正装置：主要用于提高系统的稳态精度，通过增加低频段增益来减小稳态误差，但会使系统的响应速度变慢。滞后超前校正装置：结合了超前和滞后校正的优点，既能改善系统的动态性能，又能提高稳态精度。

3.如何确定校正装置的类型和参数？根据系统的性能指标要求和未校正系统的特性来确定校正装置的类型。首先分析未校正系统的稳定性、准确性和快速性等方面的不足，然后根据需要改善的性能来选择合适的校正类型。对于参数的确定，可通过理论计算（如根轨迹法、频率响应法等）和实验调试相结合的方法。例如，利用根轨迹法确定超前校正装置的参数，使校正后系统的根轨迹满足性能要求；利用频率响应法确定滞后校正装置的参数，使系