机械工程控制基础期末超级重点--吐血之作

机械工程控制基础（期末复习试题总结）

编辑：西安工程大学 机械工程及自动化101 孙云

一．简答题.（三个共15分）

1.1机械工程控制论的研究对象和任务是什么？

答：机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。具体的说，它

研究的是机械工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的其内部的固有特性（即由系统的结构和参数所决定的特性）所决定的整个动态历程：研究这一系统及其输入、输出三者之间的关系。

从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已经条件与求解问题的不同，机

械工程控制论的任务可以分为以下五个方面：

（1）.已知系统、输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）.已经系统和系统的理

想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）.已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计问题；（4）.输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测问题；（5）.系统的输入和输出已知，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。 1.2 什么是内反馈？为什么说内反馈是使机械系统纷繁复杂的主要问题？

答：内反馈是指系统内存在着的各种自然形成的反馈。它主要由系统内部各个元素之

间的相互耦合而形成。内反馈反应系统内部各参数之间的内在联系，其存在对系统的动态特性有非常敏锐的影响，而机械系统存在的内反馈情况千差万别、错中复杂，因此使得机械系统纷繁复杂。 P12*系统的分类.

1.对广义系统，可按反馈情况分：

（1）.开环系统---当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时，称之为开环系统。 （2）闭环系统---当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。 2.对自动控制系统还可以按输出变化规律分：

（1）.自动调节系统---在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持常量的系统。

（2）.随动系统---在外界条件作用下，系统的输出能相应于输入在广阔范围内按任意规律变化的系统。

（3）.程序控制系统---在外界条件作用下，系统的输出按预定程序变化的系统。 P15*对控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性。

3.1什么是时间响应？由哪两部分组成？各部分的定义是什么？

答：1）时间响应是指系统的响应（输出）在时域上的表现形式，或系统的动力学方程

在一顶初始条件下得解。

2）按分类的原则不同，时间响应有不同的分类方法。

按响应的来源分：a.零状态输入响应，即初始状态为零时，由系统的输入引起的响应；

b.零输入响应，即系统的输入为零时，由初始状态引起的响应。

按响应的性质分：强迫响应项和自由响应项。

对稳定的系统，其时间响应又可以分为：瞬态响应项和稳态响应项。

3.3 时间系统的瞬态响应反映哪方面的性能？而稳态响应反映哪方面的性能？

答：瞬态响应反映了系统的稳定性和响应的快速性等两方面的性能；稳态响应反映了

系统响应的准确性。

二阶系统的性能指标： 1）上升时间

2) 峰值时间

3) 最大超调量

4）调整时间

5）震荡次数

N随ξ的增大而减小，其大小直接反应系统的阻尼特性。 4.1什么是频率特性？什么是频率响应？

答：对于线性定常系统，若输入为谐波函数，则其稳态输出一定是同频率的谐波函数，将输出的幅值之比定义为系统的幅频特性；将输出的相位与输入的相位之差定义为系统的相频特性。将系统的幅频特性和相频特性统称为系统的频率特性。 线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率响应。 4.2什么叫机械系统的动柔度、动刚度和静刚度？ 答：若机械系统的输入为力，输出为位移（变形），则机械系统的频率特性就是机械系统的动柔度

；机械系统的频率特性的倒数就是动刚度

.

；当ω=0时，

系统频率特性的倒数为静刚度

5.1系统的稳定性定义

答：系统在初始状态作用下，由它引起的时间响应随时间的推移，逐渐衰减并趋向于零。（即回到平衡位置）的能力。若随着时间的推移，系统能够回到平衡位置，则系统是稳定时；若随着时间的推移，系统偏离平衡位置越来越远，则系统是不稳定的。 *Bode判据：在Bode图上，在据N=Z-P..（P为

左边，（负穿越次数-正穿越次数）×2=N

极点具有正实数的个数）.若Z=0，闭环系统稳定；反之，闭环系

统不稳定。

二．列出下列系统的微分方程，并求出传递函数G?S? 1. P61图a。【三阶系统】

2.3图示分别表示了三个机械系统，求出它们各自的微分方程，途中xi表示输出位移，假如

输出端无负载效应。

解：（1）对图a所示系统，由牛顿定律有

即

Laplace变换： ∴传递函数

；

（2）对图（b）所示系统，引入一中间变量x，并由牛顿定律有即：

Laplace变换：

∴传递函数：

三、方框图化简，并写出传递函数G(S).(15分).

解：

化简步骤如下：

∴传递函数

四.计算题。（选考5道大题计算，共60分） 1.*P92.设系统的方框图如图所示，其中时，求其性能指标

.当有一单位阶跃信号作用于系统

解：

（3）

2.

时，试求系统的稳态输出

1）作各环节的对数幅频特性渐近线，如下图所示；

2）对除比例环节外，将各环节的对数幅频特性叠加得A1； 3）将A1上移28dB（即系统的增益的分贝数20lg25），得系统的对数幅频特性A。

该系统由一个比例环节（K=10），一个积分环节… 【暂略】

列出Routh表

∴该系统不稳定.

7.【5.9】试根据下列开环频率特性分析相应系统的稳定性

说明Nyquist轨迹在第2、3象限.

作系统开环频率特性的Nyquist图，Nyquist轨迹顺时针包围(-1,j0)两圈，即N=2,Z=N+P=2≠0， 故系统不稳定。

作系统开环频率特性的Nyquist图，Nyquist轨迹顺时针包围(-1,j0)两圈，即N=2,Z=N+P=2≠0，

故系统不稳定。

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