機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 楊叔子課后答案教材

1、機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 楊叔子課后答案教材1.何謂控制系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)有哪些區(qū)別？答：控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出，能按照要求的參考輸入或控制輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)的。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，不存在不穩(wěn)定問(wèn)題、輸出量不用測(cè)量；閉環(huán)系統(tǒng)有反饋、控制精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)時(shí)需要校核穩(wěn)定性。2.什么叫相位裕量？什么叫幅值裕量？答：相位裕量是指在乃奎斯特圖上，從原點(diǎn)到乃奎斯特圖與單位圓的交點(diǎn)連一直線，該直線與負(fù)實(shí)軸的夾角。幅值裕量是指在乃奎斯特圖上，乃奎斯特圖與負(fù)實(shí)軸交點(diǎn)處幅值的倒數(shù)。3.試寫出PID控制器的傳遞函數(shù)？答：GC(s)=KP+KDs+KI/s4,什么叫校正（或補(bǔ)償）？答：所謂校正（或稱補(bǔ)償），就是指在系統(tǒng)中

2、增加新的環(huán)節(jié)或改變某些參數(shù)，以改善系統(tǒng)性能的方法。5.請(qǐng)簡(jiǎn)述順饋校正的特點(diǎn)答：順饋校正的特點(diǎn)是在干擾引起誤差之前就對(duì)它進(jìn)行近似補(bǔ)償，以便及時(shí)消除干擾的影響。6.傳函的主要特點(diǎn)有哪些？答：（1）傳遞函數(shù)反映系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性，只與本身參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，與外界輸入無(wú)關(guān)；（2）對(duì)于物理可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)分母中s的階數(shù)必不少于分子中s的階數(shù)；（3）傳遞函數(shù)不說(shuō)明系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，不同的物理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，只要他們的動(dòng)態(tài)特性相同，其傳遞函數(shù)相同。7.設(shè)系統(tǒng)的特征方程式為4s4+6s3+5s2+3s+6=0，試判斷系統(tǒng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。答：各項(xiàng)系數(shù)為正，且不為零，滿足穩(wěn)定的必要條件。列出勞斯數(shù)列：s4 4s3 6 3

3、s2 3 6s1 -25/3 s0 6所以第一列有符號(hào)變化，該系統(tǒng)不穩(wěn)定。8.機(jī)械控制工程主要研究并解決的問(wèn)題是什么？答：（1）當(dāng)系統(tǒng)已定，并且輸入知道時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出(響應(yīng))，并通過(guò)輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題，即系統(tǒng)分析。（2）當(dāng)系統(tǒng)已定，且系統(tǒng)的輸出也已給定，要確定系統(tǒng)的輸入應(yīng)使輸出盡可能符合給定的最佳要求，即系統(tǒng)的最佳控制。（3）當(dāng)輸入已知，且輸出也是給定時(shí)，確定系統(tǒng)應(yīng)使得輸出金肯符合給定的最佳要求，此即最優(yōu)設(shè)計(jì)。（4）當(dāng)系統(tǒng)的輸入與輸出均已知時(shí)，求出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，即建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，此即系統(tǒng)識(shí)別或系統(tǒng)辨識(shí)。（5）當(dāng)系統(tǒng)已定，輸出已知時(shí)，以識(shí)別輸入或輸入中得有關(guān)信息，此即濾液與

4、預(yù)測(cè)。9，在系統(tǒng)校正中，常用的性能指標(biāo)有哪些？答：（1）在系統(tǒng)校正中，常用的性能指標(biāo)按其類型可分為：(1)時(shí)域性能指標(biāo)，它包括瞬態(tài)性能指標(biāo)（即上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間等）和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)（即穩(wěn)態(tài)誤差）。（2）頻域性能指標(biāo)，它包括相位裕量、幅值裕量、頻寬等。10.求拉氏反變換的方法有哪些？答：（1）查表法；（2）有理函數(shù)法；（3）部分分式法。11.簡(jiǎn)述二階欠阻尼系數(shù)a，wn與性能指標(biāo)Mp(超調(diào)量)、ts(調(diào)整時(shí)間)的關(guān)系。答：二階欠阻尼系統(tǒng)若a不變，增大或減小w(n)，則超調(diào)量t(p)不變，調(diào)整時(shí)間t(s)減?。ɑ蛟龃螅?若t(n)不變，增大（或減?。゛，則超調(diào)量M(p)減?。ɑ蛟?/p>

5、大），調(diào)整時(shí)間t(s)減?。ㄔ龃螅?2.簡(jiǎn)述串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)的作用。答：串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)的作用是：串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)增大了相位裕量，加大了寬帶，這就意味著提高了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使過(guò)度過(guò)程得到顯著改善。但由于系統(tǒng)的增益和型次都未變化，所以穩(wěn)態(tài)精度變化不大。13.傳遞函數(shù)的典型環(huán)節(jié)主要有哪幾種？答：（1）比例環(huán)節(jié)K；（2）積分環(huán)節(jié)1/s（3）微分環(huán)節(jié)s（4）慣性環(huán)節(jié)1/（Ts+1）（5）一階微分環(huán)節(jié)Ts+1（6）震蕩環(huán)節(jié)1/(T2s2+2aTs+1)（7）二階微分環(huán)節(jié)T2s2+2aTs+1（8）延時(shí)環(huán)節(jié)e-ts14.終值定理的應(yīng)用條件是什么？答：若函數(shù)f（t）及其一階導(dǎo)數(shù)都是

6、可拉氏變換的，并且除在原點(diǎn)處唯一的極點(diǎn)外，sF（s）在包括含jw軸的右半s平面內(nèi)是解析的，這就意味著當(dāng)t趨近與無(wú)窮時(shí)f（t）趨于一個(gè)確定的值，則函數(shù)f（t）的終值為limf（t）=limF（s）。15.什么叫系統(tǒng)分析？ 答：當(dāng)系統(tǒng)已定，并且輸入知道時(shí)，求出系統(tǒng)的輸出（響應(yīng)），并且通過(guò)輸出來(lái)研究系統(tǒng)本身的有關(guān)問(wèn)題，即系統(tǒng)分析。16.對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？答：（1）可以將幅值相乘轉(zhuǎn)化為幅值相加，便于繪制多個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性圖。（2）可采用漸近線近似的作用方法繪制對(duì)數(shù)幅頻圖，簡(jiǎn)單方便，尤其是在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、校正及系統(tǒng)辨識(shí)等方面，優(yōu)點(diǎn)更為突出。（3）對(duì)數(shù)分度有效地?cái)U(kuò)展了頻率范圍，

7、尤其是低頻段的擴(kuò)展，對(duì)工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。17.簡(jiǎn)述拉氏反變換中部分分式法的步驟。答：部分分式法是通過(guò)代數(shù)運(yùn)算，先將一個(gè)復(fù)雜的象限函數(shù)化為數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單的部分分式之和，再分別求出各個(gè)分式的原函數(shù)，總的原函數(shù)即可求得。18.請(qǐng)寫出超前校正裝置的傳遞函數(shù)，如果將它用于串聯(lián)校正，可以改善系統(tǒng)什么性能？答：Gc(s)=1/a乘aTs+1/(Ts+1),a1可增加相位裕量，調(diào)整頻帶寬度。19.影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的因素有哪些？答：影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的因素有系統(tǒng)的類型、開(kāi)環(huán)增益和輸入信號(hào)。20.已知系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器為Gc(s)=(T1s+1)(T2s+1)/s,其中T1、T20，問(wèn)是否可以稱其為PID調(diào)節(jié)器，請(qǐng)說(shuō)明

8、理由。答：可以稱其為PID調(diào)節(jié)器。Gc(s)=(T1+T2)+T1T2S+1/S .Gc(s)由比例部分 (T1+T2) 、微分部分T1T2s及積分部分1/s相加而成。21.什么叫機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)柔度和動(dòng)剛度？答：若機(jī)械系統(tǒng)的輸入為力，輸出為位移（變形），則機(jī)械系統(tǒng)的頻率特性就是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)柔度；機(jī)械系統(tǒng)的頻率特性的倒數(shù)就是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)剛度。22.什么叫機(jī)械系統(tǒng)的基本要求？答：對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求有系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性和響應(yīng)的準(zhǔn)確性等，其中系統(tǒng)的穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)工作的首要條件。在參數(shù)已知的情況下分析和評(píng)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。23.設(shè)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gs=100/s+10s+50,試說(shuō)明

9、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性極坐標(biāo)圖的起點(diǎn)和終點(diǎn)。答：G（s）=0.2/（0.1s+1）（0.02s+1）G（jw）=0.2/(j0.1w+1)(j0.02w+1)G(jw)極坐標(biāo)圖起點(diǎn)：（0.2.j0）G(jw)極坐標(biāo)圖終點(diǎn)（0，j0）29.什么是數(shù)學(xué)模型？答：數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。建立數(shù)學(xué)模型是分析、研究一個(gè)動(dòng)態(tài)特性的前提。一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型應(yīng)以最簡(jiǎn)化的形式，準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。30.線性系統(tǒng)的主要特征是什么？答：若系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式是線性的，則這種系統(tǒng)就是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)最重要的特征是可以運(yùn)用疊加原理。所謂疊加原理，就是系統(tǒng)在幾個(gè)外加作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)，等于各個(gè)外加作用單獨(dú)作

10、用的響應(yīng)之和。31.簡(jiǎn)述系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的概念。答：機(jī)械工程系統(tǒng)在外加作用激勵(lì)下，其輸出量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系稱之為系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)，通過(guò)時(shí)間響應(yīng)的分析可以揭示系統(tǒng)本事的動(dòng)態(tài)特性。32.在頻率特性的圖形表示方法中，常用的方法有哪幾種？答：（1）對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖或稱伯德圖（2）極坐標(biāo)圖或稱乃奎斯特圖（3）對(duì)數(shù)幅-相圖。33.判斷定常系統(tǒng)是否穩(wěn)定的方法有哪幾種？答：勞斯判據(jù)；胡爾維茨判據(jù)；乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；根軌跡法。34.反饋校正與串聯(lián)校正相比，所具有的優(yōu)點(diǎn)是哪些？答：反饋校正比串聯(lián)校正更有其突出的優(yōu)點(diǎn)：利用反饋能有效地改變被包圍環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，甚至在一定條件下能用反饋校正完全取代包圍環(huán)節(jié)，從而大大減弱

11、這部分環(huán)節(jié)由于特性參數(shù)變化及各種干擾給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。35.什么是反饋（包括正反饋和負(fù)反饋）？答：所謂信息的反饋，就是把一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)不斷直接地或經(jīng)過(guò)中間變換后全部或部分地返回，再輸入到系統(tǒng)中去。如果反饋回去的訊號(hào)（或作用）與原系統(tǒng)的輸入訊號(hào)（或作用）的方向相反（或相位相差180度）則稱之為“負(fù)反饋”；如果方向或相位相同，則稱之為“正反饋”。36.勞斯-胡爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)的根據(jù)是什么？答：利用特征方程式的根與系統(tǒng)的代數(shù)關(guān)系，由特征方程中的已知系數(shù)間接判斷出方程的根是否具有負(fù)實(shí)部，從而判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。37.采用何種方式可以同時(shí)減少或消除控制輸入和干擾作用下的穩(wěn)態(tài)誤差？答：在干擾作用點(diǎn)至

12、系統(tǒng)輸入口的前通道中，提高增益和設(shè)置積分環(huán)節(jié)。38.簡(jiǎn)述拉氏變換的線性性質(zhì)。答：拉氏變換是一個(gè)線性變換，若有常數(shù)KK，函數(shù)f(t1),f(t2),則LK1f1(t)+K2f2(t)=K1Lf1(t)+K2Lf2(t)=K1F1(s)+K2F2(s)39系統(tǒng)的頻域性能指標(biāo)有哪些？答：相位裕量、幅值裕量、截止裕量及頻寬、諧振頻率及諧振峰值。40.頻率特性和傳遞函數(shù)的關(guān)系是什么？答：若系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G（s），則相應(yīng)系統(tǒng)的頻率特性為G（jw），即將傳遞函數(shù)中得s用jw代替40.請(qǐng)寫出滯后校正裝置的傳遞函數(shù)，如果將它用于串聯(lián)校正，可以改善系統(tǒng)什么性能？答：G(s)=Ts+1/9aTs+1)，提高系統(tǒng)的

13、穩(wěn)態(tài)精度。41.什么是系統(tǒng)頻率特性的截止頻率？答：是指系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性的幅值下降到其零頻率幅值以下3dB時(shí)的頻率。42.典型二階系統(tǒng)（當(dāng)0a或=1時(shí)）在單位階躍輸入信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)的特性是什么？答：0a0或=1時(shí)，為非周期過(guò)程。43.系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)反映哪方面的性能？而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映哪方面的性能？答：瞬態(tài)響應(yīng)反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)的快速性等方面的性能，而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)反映了系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性。44.當(dāng)系統(tǒng)的阻尼比滿足什么條件時(shí)，二階系統(tǒng)特征方程的根為兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)根？答：二階系統(tǒng)的特征方程為：s2+2awns+wn2=0特征根為s=-aw+-a2+1，要使根具為兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)根，必須滿足

14、-awn0； a145.請(qǐng)簡(jiǎn)述拉氏變換的卷積定理。答：若Fs=Lft，Gs=Lgt則有Lft-b46.已知零初始條件下某系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)，能否求出該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)？若可以，如何求？答：可以。將零初始條件下單位脈沖響應(yīng)求拉氏變換即為該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。47.控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義是什么？答：穩(wěn)定性的定義為:系統(tǒng)在受到外界擾動(dòng)作用時(shí)，其被控制量將偏離平衡位置，當(dāng)這個(gè)擾動(dòng)作用去除后，若系統(tǒng)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)到其原來(lái)的平衡狀態(tài)或者趨于一個(gè)給定的新的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。48.判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定？答：相位裕量和幅值裕量大于零，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，若相位裕量和幅值裕量為零，則系統(tǒng)為臨界穩(wěn)定，其他

15、為系統(tǒng)不穩(wěn)定。49.試從控制的觀點(diǎn)分析反饋校正的特點(diǎn)。答：反饋校正能有效地改變被包圍環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，甚至在一定條件下能用反饋校正完全取代包圍環(huán)節(jié)，從而大大減弱這部分環(huán)節(jié)由于特性參數(shù)變化及各種干擾給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。50.實(shí)現(xiàn)校正的方式有哪幾種？答：串聯(lián)校正、并聯(lián)校正和PID校正。51.什么是主導(dǎo)極點(diǎn)？答：主導(dǎo)極點(diǎn)是指系統(tǒng)所有閉環(huán)極點(diǎn)中距離虛軸最近，且周圍沒(méi)有其他閉環(huán)零點(diǎn)的那些閉環(huán)極點(diǎn)。主導(dǎo)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)起主導(dǎo)作用。52.最小相位系統(tǒng)與非最小相位系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性有何異同？答：最小相位與非最小相位系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻特性相同，兩者對(duì)數(shù)相頻特性不同，非最小相位系統(tǒng)的相角變化絕對(duì)值比最小相位系統(tǒng)相

16、角變化絕對(duì)值大。53.系統(tǒng)有二個(gè)閉環(huán)特征根分布在s平面的右半面，勞斯表中第一列元素的符號(hào)改變幾次？答：有二個(gè)右半s平面的特征根，說(shuō)明勞斯表中第一列元素的符號(hào)改變二次。4.簡(jiǎn)述串聯(lián)相位超前、相位滯后校正的優(yōu)缺點(diǎn)是什么。答：相位超前校正：優(yōu)點(diǎn)：加快系統(tǒng)響應(yīng)速度；提高系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性。缺點(diǎn);問(wèn)題精度變化不大。相位滯后校正;優(yōu)點(diǎn)：提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度；提高系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。55.試述繪制系統(tǒng)的伯德圖的一半方法步驟。答：（1）由傳遞函數(shù)求出頻率特性并將其化為若干典型環(huán)節(jié)頻率特性相乘的形式；（2）求出各典型環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)角頻率、阻尼比a等參數(shù)；（3）分別畫出各典型環(huán)節(jié)的幅頻曲線的漸近線和相頻曲線

17、；（4）將各環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻曲線的漸近線進(jìn)行疊加得到系統(tǒng)幅頻曲線的漸近線并對(duì)其進(jìn)行修正；（5）將各環(huán)節(jié)相頻曲線疊加，得到系統(tǒng)的相頻曲線。56.什么是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？應(yīng)用傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)時(shí)必須具備什么條件？答：傳遞函數(shù)是初始條件為零時(shí)系統(tǒng)輸出的拉氏變換比輸入的拉氏變換。具備條件：（1）系統(tǒng)描述為時(shí)域問(wèn)題，即有時(shí)間函數(shù)f（t）；（2）在描述范圍內(nèi)至少分段連續(xù)；（3）系統(tǒng)為線性。57.傳遞函數(shù)的定義是什么？一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)有什么特征？答：線性定常控制系統(tǒng)，當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)輸出信號(hào)的拉氏變換與輸入信號(hào)的拉氏變換之比稱為系的傳遞函數(shù)。一個(gè)物理可實(shí)現(xiàn)個(gè)系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)分母階數(shù)n應(yīng)不小于

18、階數(shù)m，即nm58.簡(jiǎn)要說(shuō)明欲降低由輸入和干擾信號(hào)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，采用的措施有何不同？答：欲降低由輸入信號(hào)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)提高系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)或在系統(tǒng)中增加積分環(huán)節(jié)（提高系統(tǒng)型次）；欲降低由于干擾信號(hào)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，應(yīng)在干擾信號(hào)作用點(diǎn)之前的前通道中增加放大倍數(shù)或增加積分環(huán)節(jié)。59.控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的三個(gè)頻段是如何劃分的？它們各自反映系統(tǒng)哪方面的性能？答：一般將系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性的復(fù)制穿越頻率wc看成是頻率響應(yīng)的中心頻率，把wwc的頻率范圍稱為低頻段；把wc附近的頻率范圍稱為中頻段；把wwc的頻率范圍稱為高頻段。開(kāi)環(huán)頻率特性的低頻段反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；中頻段反映了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；高頻段反映了控制系統(tǒng)的抗高頻干擾性能和系統(tǒng)的復(fù)雜性。60.簡(jiǎn)述勞斯穩(wěn)定判據(jù)和乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)在使用方法和功能上的區(qū)別。答：在使用方法上的區(qū)別：勞斯判據(jù)是利用系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的系統(tǒng)做成勞斯表，根據(jù)勞斯表首列元素的符號(hào)來(lái)判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是一種代數(shù)方法；而乃奎斯特判據(jù)則是利用系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性，由開(kāi)環(huán)頻率特性圖判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，屬于頻率特性分析方法。在功能上的區(qū)別：勞斯判據(jù)只能判斷閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定與否，而乃奎斯特判據(jù)不僅能判斷閉