自考 30587 机械控制工程基础

高纲1514

江苏省高等教育自学考试大纲

30587 机械控制工程基础

扬州大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室

Ⅰ课程性质与课程目标

一、课程性质和特点

《机械控制工程基础（含实践）》是机械制造及自动化专业的主要专业基础课程。通过学习，获得机电控制系统分析及设计的基本理论、基本知识和方法；通过理论学习和仿真课程设计，具备对机电控制系统的稳定性、稳态性以及快速性等性能的分析能力，初步掌握机电控制系统的设计方法。

本课程的先修课程为：工程力学、机械设计、机械工程材料、机械制造技术；后续课程为：其它专业课程、课程设计、毕业设计。

二、课程目标

1. 使考生掌握分析已有机电控制系统的结构、组成以及工作原理的方法；

2. 掌握机电控制系统数学模型的建立、动态性能及稳态性能等的分析和计算以及系统的综合校正等基本原理和方法；

3. 通过理论学习、物理实验和仿真实验，训练考生对机电控制系统的综合分析和设计能力；

4. 理解机械、电气以及控制工程各领域之间的联系。

三、与相关课程的联系与区别

《机械控制工程基础》是一门新兴技术科学，也是一门边缘学科，以控制理论为基础，以有关自动控制和系统动力学的理论及其在机械工程中应用为主要研究对象。学习本课程应具备自动控制理论、高等数学、积分变换、复变函数、电工电子技术、理论力学、机械振动等课程。

四、课程的重点和难点

1.课程的学习重点

1）建立机械控制工程的微分方程、传递函数及其方框图、频率特性等数学模型；

2）机械控制工程的一阶系统、二阶系统以及高阶系统的时间响应，时域性能指标等时域分析；

3）机械控制工程的频率响应、频率特性、开环频率特性（极坐标）图、开环对数频率特性（伯德）图；

4）机械控制系统的劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据、增益裕量和相

位裕量等相对稳定性的分析计算，系统稳态误差的分析和计算等；

5）机械控制系统的相位超前、相位滞后、相位滞后-超前以及PID等串联校正。

2.课程的学习难点

1）机械控制系统的开环频率特性、以及稳定性和相对稳定性的分析与计算；

2）机械控制系统的相位滞后-超前串联校正、PID校正，以及并联校正的分析与计算。

Ⅱ考核目标

本大纲在考核目标中，按照识记、领会、以及应用三个层次规定其应达到的能力层次要求。三个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。各能力层次的含义是：

1.识记

理解本课程中的名词术语、基本知识、概念的意义，并能准确表达。

2.领会

在识记的基础上，能全面把握基本内容、基本理论和概念、基本方法，并注意各种概念、方法的特点与联系。

3.应用

在识记和领会的基础上，能对机械工程控制系统分析和设计中的问题进行正确的阐述、计算和分析，能运用所学的基本知识和理论、方法，解决机械工程控制系统分析和设计中的实际问题。

Ⅲ课程内容与考核要求

第1章绪论

一、学习目的与要求

考生通过对第一章的学习，了解不同阶段控制理论的发展情况以及控制系统的基本类型；掌握开环控制系统和闭环控制系统的工作原理、基本组成和结构，以及对控制系统基本性能的要求。

二、课程内容

控制工程概述、控制系统的结构、控制系统的基本类型、对控制系统的基本要求。

三、考核知识点与考核要求

1. 控制系统的结构

识记：开环控制系统及其特点；闭环控制系统及其特点；半闭环控制系统及其特点；反馈控制系统；正反馈和负反馈；反馈控制系统的组成元件及含义。

领会：闭环控制系统工作过程；检测偏差用于纠正偏差的原理。

应用：参考对闭环恒温箱控制系统，分析教材习题1.4所述仓库大门自动控制系统及习题1.5所示液位自动控制系统的工作原理，并画出控制系统框图。

2. 控制系统的基本类型

识记：恒值控制系统；伺服跟踪系统；程序控制系统；连续模拟式控制系统；离散数字式控制系统；有差系统；无差系统。

领会：各类型控制系统的基本含义；不同类型控制系统间的异同。

3. 对控制系统的基本要求

识记：稳定性；快速性；准确性；稳态误差。

领会：稳、准、快各自的意义及其间的相互影响。

四、本章重点、难点

重点：闭环控制系统的组成及工作原理；对控制系统的基本要求。

难点：闭环控制系统的工作原理、闭环控制系统的方框图。

第2章控制系统的数学模型

一、学习目的与要求

掌握建立机械控制系统的数学模型、传递函数以及控制方框图模型等方法，分析复杂闭环控制系统方框图模型等效变化。

二、课程内容

控制系统的微分方程；控制系统的传递函数；典型环节的传递函数；控制系统的方框图；典型系统的数学模型分析。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的微分方程

识记：线性系统及其特性；非线性系统及其特性；间隙非线性；死区非线性；摩擦力非线性；饱和非线性；平方律非线性；本质非线性；非本质非线性；微分方程；自由运动状态；自由运动模态；微分方程的通解；微分方程的特解和特解；自然响应；强迫响应。

领会：线性系统的两个重要特性；微分方程和齐次微分方程的意义。

应用：建立控制系统微分方程；用拉普拉斯变换求解微分方程。

2.控制系统的传递函数

识记：传递函数的定义；传递函数的特点；传递函数的基本模型（一般形式）；传递函数的零极点模型；传递函数的时间常数模型；系统的零点；系统的极点；系统的传递系数（根轨迹增益）；静态（稳态）增益；时间常数；典型环节及其传递函数；储能元件和耗能元件。

领会：传递函数表达式的含义；传递函数与微分方程之间的关系；微分环节对系统的控制作用。

应用：建立机械、液压、电气等元件或系统的传递函数。

3.控制系统的函数方框图模型

识记：方框图的基本结构要素及特性；控制系统串联联接；控制系统的并联联接；控制系统的反馈联接；前向通路；反馈通路；闭环传递函数；开环传递函数；反馈传递函数；干扰输入传递函数；闭环特征方程。

领会：闭环控制系统框图模型的特点；方框图模型中分支点前移或后移的等效变换图；方框图模型中相加点前移或后移的等效变换图。

应用：根据系统各原件数学模型绘制系统的方框图模型；由系统方框图模型求系统的传递函数；同一方框图模型以不同输出时的传递函数；由方框图等效变换求传递函数。

四、本章重点、难点

重点：建立控制系统的微分方程；建立控制系统的传递函数；由方框图模型等效变换求系统传递函数。

难点：建立控制系统的微分方程；由方框图模型等效变换求系统传递函数。

第3章控制系统的时域分析

一、学习目的与要求

掌握一阶系统、二阶系统数学模型、特点、系统的时间响应及组成，二级系统的时域性能指标的计算，综合分析高阶系统的时间响应及性能影响因素。

二、课程内容

控制系统的瞬态响应；一阶系统的数学模型及时间响应；典二阶系统的数学模型及时间响应；高阶系统的时间响应及性能分析。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的瞬态响应

识记：单位阶跃信号及其拉氏变换；单位斜坡信号及其拉氏变换；单位抛物线信号及其拉氏变换；单位脉冲信号及其拉氏变换；单位正弦信号及其拉氏变换；时间响应；稳态响应；瞬态响应；稳态分量；瞬态分量；延迟时间；上升时间；峰值时间；最大超调量；调节时间；振荡次数；稳态误差。

领会：时间响应的组成；稳态响应；瞬态响应。

2.一阶系统的数学模型及时间响应

识记：一阶系统的微分方程及传递函数；一阶系统的极点；一阶系统的时间常数；一阶系统的单位阶跃响应；一阶系统的单位脉冲响应；一阶系统的单位斜坡响应。

领会：一阶系统极点对稳定性的影响；一阶系统时间常数对快速性的影响；一阶系统单位阶跃响应的组成；一阶系统单位阶跃响应的特性；一阶系统的调节时间；一阶系统的单位脉冲响应的稳态分量和瞬态分量；一阶系统单位斜坡响应的稳态分量和瞬态分量；一阶系统单位斜坡响应的稳态误差。

应用：掌握一阶系统的稳态值、稳态误差、时间常数、增益系数的计算方法。

3.二阶系统的数学模型及时间响应

识记：二阶系统的微分方程及传递函数；二阶系统的极点（特征根）；无阻尼固有频率；阻尼比；有阻尼固有频率；零阻尼状态；欠阻尼状态；临界阻尼状态；过阻尼状态就；二阶系统的单位阶跃响应；二阶系统的单位脉冲响应；二阶系统的单位斜坡响应；二阶系统的稳态误差；二阶系统的时域性能指标。

领会：二级系统极点随阻尼比变化在s复平面上的分布规律；不同阻尼状态下二阶系统时间响应的组成；二阶系统的特性参数阻尼比和固有频率对系统动态

性能（快速性和稳定性）的影响；在单位斜坡信号作用下二阶系统的稳态误差。

应用：二阶系统的固有频率和阻尼比的计算；欠阻尼状态下二阶系统单位阶跃响应的分析计算；单位斜坡信号作用下二阶系统的稳态响应及稳态误差分析计算；欠阻尼状态下二阶系统的时域性能指标的分析与计算。

4.高阶系统的时间响应及性能分析

识记：高阶系统组成；高阶系统的特征根；高阶系统的实数极点；高阶系统的共轭复数极点；高阶系统的传递函数；高阶系统的单位阶跃响应；高阶系统的单位脉冲响应；高阶系统的稳态分量和瞬态分量；高阶系统的模态；高阶系统的稳定状态、临界稳定状态、不稳定状态；主导极点。

领会：高阶系统时间阶跃响应的组成及其与控制信号（输入信号）或系统极点之间的关系；高阶系统自由运动模态的具体形式；高阶系统稳定性的充分必要条件；系统极点对系统动态性能的影响；系统的零点及增益对系统动态性能的影响。

四、本章重点、难点

重点：一阶系统的单位阶跃响应及特性分析；二阶系统的时间响应及性能分析；二阶系统时域性能指标的分析与计算；判断系统稳定的充分必要条件；高阶系统时间响应组成模态；系统极点、零点及增益对系统性能的影响。

难点：二阶系统时域性能指标的分析与计算；高阶系统自由运动模态的结构形式；高阶系统的性能分析。

第4章控制系统的频域分析

一、学习目的与要求

掌握机械控制系统的频率特性、开环极坐标频率特性曲线及开环对数坐标频率特性曲线的绘制；了解闭环频率特性及其频域性能指标的意义。

二、课程内容

频率特性的基本概念；典型环节的频率特性；控制系统的开环频率特性；控制系统的闭环频率特性。

三、考核知识点与考核要求

1.频率响应及频率特性

识记：频率响应；频率特性；幅频特性和相频特性；实频特性和虚频特性；对数幅频特性和对数相频特性；十倍频程；幅值穿越频率（截止频率）；相频穿越频率（相位交点频率）；典型环节的频率特性及其频率特性图；惯性、一阶微分、振荡以及二阶微分等环节的转折频率；惯性、一阶微分、振荡以及二阶微分等环节的低频渐近线和高频渐近线。

领会：频率响应的分析推导；各频率特性之间的关系；幅相频特性图（极坐标图）和对数频率特性图（Bode）图的对应关系；典型环节的频率特性及频率特性图。

应用：由控制系统微分方程或传递函数求系统的频率响应；由频率响应求频率特性；由传递函数求频率特性；幅值穿越频率和相频穿越频率的计算；绘制典型环节的幅相频特性（极坐标）图和对数频率特性（Bode）图。

2.控制系统的开环频率特性

识记：开环频率特性；开环极坐标图；系统类型；最小相位传递函数和非最小相位传递函数；最小相位系统和非最小相位系统；非最小相位环节；开环对数频率特性；开环对数频率特性（Bode）图；闭环频域性能指标。

领会：不同类型系统在ω=0及ω=+∞时的幅频特性和相频特性的意义；v≠0时系统在ω=0即ω从0－→0＋的极坐标图；开环极坐标图的起点和终点渐近线（或切线）；最小相位系统和非最小相位系统频率特性的特点；非最小相位系统的极坐标图；开环对数幅率特性和开环对数相频特性；开环对数幅频特性起始段渐近线的斜率与系统类型的对应关系；不同典型环节转折频率后渐近线对应的斜率变化；最小相位系统由开环幅率特性图求开环传递函数的方法；一阶系统和二阶系统的闭环频域性能分析。

应用：计算开环极坐标图的起点、终点，以及与实轴、虚轴交点的频率特性；绘制开环极坐标图的；绘制非最小相位系统的极坐标图；绘制开环对数频率特性（Bode）图；由系统开环幅频特性图求系统开环传递函数；计算二阶系统的闭环频域性能指标。

四、本章重点、难点

重点：频率特性的计算；开环极坐标图及开环对数频率特性图的绘制。

难点：开环极坐标图的绘制；最小相位系统和非最小相位系统的特点。

第5章控制系统的性能分析

一、学习目的与要求

掌握劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据、相位裕度和幅值裕度、稳态误差等分析计算方法；了解赫尔维兹稳定性判据、开环频率特性与稳定性之间的关系。

二、课程内容

控制系统的稳定性分析；控制系统的误差分析。根据稳定性、稳态误差等性能要求，分析计算开环增益、时间常数等参数等的取值范围。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的稳定性

识记：稳定与不稳定；系统稳定的充分必要条件；代数稳定性判据的必要条件；劳斯表；闭环特征函数；穿越；相位裕度；幅值裕度。

领会：系统稳定的充分必要条件；劳斯表的建立方法；用劳斯判据判断系统的稳定性方法；劳斯判据中的特殊情况处理；用劳斯判据分析系统闭环极点在s 复平面上的分布情况；特征函数的特点；奈奎斯特稳定性判据；开环极坐标曲线围绕（-1，j0）点的圈数N的意义；基于穿越概念的开环极坐标曲线围绕（-1，j0）点的圈数N的意义；基于Bode图的奈奎斯特稳定性判据；相位裕度和幅值裕度的意义。

应用：用劳斯判据判断系统的稳定性；用劳斯判据求取使系统稳定时参数的取值范围；用稳定性判据对系统进行稳定性判断；用相位裕度和幅值裕度分析系统的稳定性。

2.控制系统的误差分析

识记：误差；偏差；动态误差；静态误差；稳态误差；误差传递函数；跟随误差；扰动误差；位置静态误差系数；速度静态误差系数；加速度静态误差系数。

领会：稳态误差与系统结构、参数，以及作用量的大小、参数等之间的关系；零型系统跟踪各类输入信号的稳态误差；稳态误差随输入信号的变化情况；稳态误差随系统类型的变化情况；改善系统稳态精度的方法；系统的开环特性与稳态误差的关系。

应用：根据不同的输入求系统的稳态误差；根据稳态误差确定系统的开环增

益、时间常数等。

四、本章重点、难点

重点：利用劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据判断系统的稳定性；相位裕度和幅值裕度的分析计算；稳态误差的分析计算。

难点：奈奎斯特稳定性判据；系统的相位裕度和幅值裕度的分析计算。

第6章控制系统的综合校正

一、学习目的与要求

掌握控制系统的串联校正方法、相位超前校正、相位滞后校正、相位滞后-超前校正、PID校正；了解反馈或并联校正方法；利用串联校正方法设计改善控制系统性能的综合校正控制器。

二、课程内容

控制系统的串联校正；控制系统的并联校正。

三、考核知识点与考核要求

1.控制系统的串联校正

识记：相位超前校正；相位滞后校正；相位滞后-超前校正；PID校正；PD 校正；PI校正。

领会：校正后系统的开环频率特性特点；相位超前校正原理；相位滞后校正原理；滞后-超前校正原理；PD校正的特点；PI校正的特点；PID校正的特点；极点配置原理。

应用：用不同的校正装置对系统进行综合校正。

2.控制系统的并联校正

识记：位置反馈校正；速度反馈校正；顺馈校正。

领会：用位置反馈包围积分、惯性等环节对改善系统性能的作用；用速度（微分）反馈包围系统对改善系统性能的作用。

四、本章重点、难点

重点：利用机械控制系统的相位超前、相位滞后、相位-滞后超前以及PID 等校正装置对系统进行串联校正；用极点配置方法对系统进行串联或并联校正。

难点：相位-滞后超前校正；串、并联综合校正。

Ⅳ关于大纲的说明与考核实施要求

一、自学考试大纲的目的和作用

课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。

课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。

二、课程自学考试大纲与教材的关系

课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。课程内容在教材中可以体现一定的深度或难度，但在大纲中对考核的要求一定要适当。

大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注：如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定为准。）

三、关于自学教材

《控制工程基础》，曾励主编，机械工业出版社，2013年第1版。

四、关于自学要求和自学方法的指导

本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知识点是高等教育自学考试考核的主要内容。

为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。

本课程共4+1学分（包括实验内容的学分）。

根据学习对象成人在职业余自学的情况，作者可结合自己或他人的教学经验和体会，提出几点具有规律性或代表性的学习方法，并结合本专业的要求、本课

程的特点可具体适当展开写出，以便更好地指导考生如何进行自学。

五、应考指导

1. 如何学习。很好的计划和组织是你学习成功的法宝。…如果你正在接受培训学习，一定要跟紧课程并完成作业。…为了在考试中做出满意的回答，你必须对所学课程内容有很好的理解。…使用“行动计划表”来监控你的学习进展。…你阅读课本时可以做读书笔记。如有需要重点注意的内容，可以用彩笔来标注。如：红色代表重点；绿色代表需要深入研究的领域；黄色代表可以运用在工作之中。可以在空白处记录相关网站，文章。

2. 如何考试。卷面整洁非常重要。书写工整，段落与间距合理，卷面赏心悦目有助于教师评分，教师只能为他能看懂的内容打分。回答所提出的问题。要回答所问的问题，而不是回答你自己乐意回答的问题！避免超过问题的范围

3. 如何处理紧张情绪。正确处理对失败的惧怕，要正面思考。如果可能，请教已经通过该科目考试的人，问他们一些问题。做深呼吸放松，这有助于使头脑清醒，缓解紧张情绪。考试前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷静。

4. 如何克服心理障碍。这是一个普遍问题！如果你在考试中出现这种情况，试试下列方法：使用“线索”纸条。进入考场之前，将记忆“线索”记在纸条上，但你不能将纸条带进考场，因此当你阅读考卷时，一旦有了思路就快速记下。按自己的步调进行答卷。为每个考题或部分分配合理时间，并按此时间安排进行。

六、对社会助学的要求

要针对重点章、次重点章和一般章节分别提出自学或助学的基本学时建议和要求（如在章节后面已有，这里也可不再阐述），在助学活动中应注意的问题。要强调注意正确引导、把握好助学方向，正确处理学习知识和提高能力的关系。

七、对考核内容的说明

本课程要求考生学习和掌握的知识点内容都作为考核的内容。课程中各章的内容均由若干知识点组成，在自学考试中成为考核知识点。因此，课程自学考试大纲中所规定的考试内容是以分解为考核知识点的方式给出的。由于各知识点在课程中的地位、作用以及知识自身的特点不同，自学考试将对各知识点分别按三个或四个认知（或叫能力）层次确定其考核要求。

八、关于考试命题的若干规定

1.考试采用闭卷方式，考试时间为150分钟。试卷一律用钢笔或圆珠笔书写，作图可用铅笔和直尺。可带普通计算器。

2.本大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于考核的内容。

3.命题不应有超出大纲中考核知识点范围的题目，考核目标不高于大纲中所规定的相应的最高能力层次要求。命题应着重考核自学者对基本概念、基本知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。不应出与基本要求不符的偏题或怪题。

4.本课程在试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：识记占20%，领会占30%，简单应用占30%，综合应用占20%。

5.要合理安排试题的难易程度，试题的难度可分为：易、较易、较难和难四个等级。每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：2:3:3:2。

必须注意试题的难易程度与能力层次有一定的联系，但二者不是等同的概念。在各个能力层次中对于不同的考生都存在着不同的难度。在大纲中要特别强调这个问题，应告诫考生切勿混淆。

6.课程考试命题的主要题型一般有单项选择题、多项选择题、填空题、名词解释题、简答题、计算题、应用题、论述题、案例分析等题型（一般不使用判断题）。

附录题型举例

一、选择题

如：微分环节可改善系统的稳定性并能（ C ）。

A.增加其固有频率

B.减小其固有频率

C.增加其阻尼

D.减小其阻尼

二、填空题

如：积分环节的特点是它的输出量为输入量对时间的积累。

三、名词解释题

1.闭环控制系统：输出端和输入端之间有反馈回路，输出量对系统直接参与控制作用的系统。

2.稳定性：稳定性是指扰动消失后，控制系统由初始偏差回复到原平衡状态的性能。

四、简答题

如：简答Ⅰ型系统在不同输入（阶跃、斜坡、抛物线）信号作用下，系统的静态误差和静态误差系数。

答：1）输入单位阶跃信号时，静态误差系数为∞，静态误差为0；

2）输入单位斜坡信号时，静态误差系数为K ，静态误差为K 1

；

3）输入单位抛物线信号时，静态误差系数为0，静态误差为∞。

五、计算题

如：如图所示为最小相位系统的开环对数幅频特性折线图。

（1）求系统的开环传递函数)(s G ；（2）求系统的开环增益K ；（3)计算系统的相位裕量。

解：1）系统的开环传递函数为

()(1)K K G s s Ts =+

因惯性环节的转折频率为5，故

1

5T =； 由()()1c K c A G j ωω==，并由图知20(1/)c s ω=，所以

2082.46K ω==

所以系统的开环传递函数具体表达式为

82.46

()(0.21)K G s s s =+

2）系统的相频特性为

)2.0arctan(90)(ωω?--=

由于系统的相位裕量为

180()90arctan(0.2)14c c γ?ωω=+=-≈

六、应用题

如：单位反馈控制系统的开环传递函数为

020

()(0.51)G s s s =+

要求系统满足的频域性能指标为：相位裕量[]γ=50°，幅值裕量[]=10g L dB ，任选PD 、PI 、PID 之一为校正装置对系统进行校正，求其校正装置的传递函数。

解：校正前系统的频率特性为

1()()90tan (0.5)A ω?ωω-?=???=--?

对数幅频特性的渐近线方程

2020lg 02()20

20lg 20.5L ωωωωωω?<

???

令 ()0()180c g L ω?ω=???=-??

可解得校正前系统的幅值穿越频率和相頻穿越频率分别为：

6.325/c rad s ω=；g ω=+∞

其相位裕度为：

10180()=90-tan (0.5)18c c γ?ωω-=+≈ 增益裕度为：Lg ＝∞

1.PD 校正

校正装置传递函数为：()(1)c p d G s K T s =+

校正装置频率特性为：1()20lg ()tan ()0c c d L K T ω?ωω-?=??=>??

PD 校正为相位超前校正，对系统校正后其应补偿的最大超前相位角为： 0[]5018537m ?γγε=-+=-+=

即：

1()tan ()=37m c c d c T ??ωω-==→0.75355d c T ω= 校正后系统应满足条件求系统的截止频率：

180()()=[]c c c γ?ω?ωγ=++→1()=-90-tan (0.5)50-180-37c c ?ωω-= 1tan (0.5)778.663c c ωω-=→= 校正装置的微分时间常数为：0.753550.75355==0.0878.663d c T ω=

由于校正后系统存在条件：()20lg ()0c c c L A ωω+=，即

解得： 1.538p K =

所以PD 校正装置的传递函数为：() 1.538(10.087)c G s s =+

2.PI 校正 校正装置的传递函数为：

1(1)1(),,c p p i i i K Ts G s K K T K T T s s T +=+===

校正装置的频率特性为：1()()tan ()900c c L T ω?ωω-?=???=-

PI 校正为相位滞后校正，滞后校正是利用校正装置的幅值衰减特性提高系统的相位裕度。按滞后校正原则校正装置在校正后系统的截止频率处取：

()515c c ?ωεε=-=()

则根据校正后系统满足相位裕度的条件可得：

0()180[]180505c ?ωγε=-++=-++

即：

190tan (0.5)125c ω---=-，解得： 1.4c ω= 满足相位裕量的校正装置： 1()tan ()90515c c c T ?ωωεε-=-=-=()

解得校正装置的时间常数为：8.16T =

校正后系统满足()()0c c c L L ωω+=，即

1=

解得：K =0.01043 所以校正装置的传递函数为：

0.01043(8.161)

()c s G s s += 3.PID 校正

PID 校正装置的传递函数为

211()(1)()p i d i c p d i i K TT s T s G s K T s T s T s ++=++=12(1)(1)pi T s T s K s ++=

则幅频特性和相频特性分别为

1112()()tan ()tan ()90c c A T T ω?ωωω--==+

-

PID 校正为相位滞后-超前校正，分别按滞后校正法计算校正装置的滞后校正部分参数，按超前校正法计算超前校正部分参数。

1）求校正后系统的截止频率

对系统校正后其相位超前补偿的最大超前相位角为：

0[]5018537m ?γγε=-+=-+=，即：()=37m c c ??ω=

校正后系统的相位裕度为：

180()()=[]c c c γ?ω?ωγ=++→1()=-90-tan (0.5)50-180-37c c ?ωω-= 1tan (0.5)778.663c c ωω-=→=

2）求校正装置滞后转折频率（或时间常数）

按相位滞后校正法，使校正装置的两个转折频率较之幅值穿越频率ωc 越小越好，取

1111(~)510c T ω=

即：T1ωc=5（5～10），则校正装置的滞后转折频率为 1118.663==1.732655c T ω=

时间常数为：10.577T =

3）求校正装置超前转折频率（或时间常数）

根据性能要求，校正后系统的相位裕量满足条件为 180()()[]c c c γ?ω?ωγ=++≥

1112t a n 5t a n ()t a n (0.5)50c c T ωω---+-≥ 解上式得校正装置的超前时间常数为：20.1296T = 超前转折频率为：117.716

T =

4）确定校正装置的增益

校正后系统在8.663c ω=（rad/s ）处满足()()0c c c L L ωω+=，即

201K =

解得：Kpi =2.176 3）确定校正装置和校正后系统的开环传递函数 故PID 校正装置的传递函数为：

2.176(0.5771)(0.12961)

()c s s G s s ++=

(完整版)机械控制工程基础习题及答案考试要点

1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析 系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。 题1-3图 炉温自动控制系统原理图 解 加热炉采用电加热方式运行，加热器所产生的热量与调压器电压c u 的平方成正比， c u 增高，炉温就上升，c u 的高低由调压器滑动触点的位置所控制，该触点由可逆转的直流 电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压f u 。f u 作为系统的反馈电压与给定电压r u 进行比较，得出偏差电压e u ，经电压放大器、功率放大器放大成a u 后，作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下，炉温等于某个期望值T °C ，热电偶的输出电压f u 正好等于给定电压 r u 。此时，0=-=f r e u u u ，故01==a u u ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停 留在某个合适的位置上，使c u 保持一定的数值。这时，炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量，形成稳定的热平衡状态，温度保持恒定。 当炉膛温度T °C 由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失)，则出现以下的控制过程： 控制的结果是使炉膛温度回升，直至T °C 的实际值等于期望值为止。 ?→T C ?→↑→↑→↑→↑→↑→↓→↓T u u u u u c a e f θ1C ↑ 系统中，加热炉是被控对象，炉温是被控量，给定量是由给定电位器设定的电压r u （表征炉温的希望值）。系统方框图见图解1-3。

1-5采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如题1-5图所示。其工作原理是：当蒸汽机带动负载转动的同时，通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动，套筒内装有平衡弹簧，套筒上下滑动时可拨动杠杆，杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时，飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡，套筒保持某个高度，使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速ω下降，则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动，并通过杠杆增大供汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速回升。同理，如果由于负载减小使蒸汽机的转速ω增加，则飞锤因离心力增加而使套筒上滑，并通过杠杆减小供汽阀门的开度，迫使蒸汽机转速回落。这样，离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响，使蒸汽机的转速ω保持在某个期望值附近。 指出系统中的被控对象、被控量和给定量，画出系统的方框图。 题1-5图蒸汽机转速自动控制系统 解在本系统中，蒸汽机是被控对象，蒸汽机的转速ω是被控量，给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量，经杠杆传调节供汽阀门，控制蒸汽机的转速，从而构成闭环控制系统。 系统方框图如图解1-5所示。

机械控制工程基础第五章练习习题及解答

题型：选择题 题目：关于系统稳定的说法错误的是【】 A．线性系统稳定性与输入无关 B．线性系统稳定性与系统初始状态无关 C．非线性系统稳定性与系统初始状态无关 D．非线性系统稳定性与系统初始状态有关 分析与提示：线性系统稳定性与输入无关；非线性系统稳定性与系统初始状态有关。 答案：C 习题二 题型：填空题 题目：判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为或为具有负实部的复数，即系统的特征根必须全部在是系统稳定的充要条件。 分析与提示：判别系统稳定性的出发点是系统特征方程的根必须为负实数或为具有负实部的复数，即系统的特征根必须全部在复平面的左半平面是系统稳定的充要条件。 答案：负实数、复平面的左半平面 习题三 题型：选择题 题目：一个线性系统稳定与否取决于【】 A．系统的结构和参数 B．系统的输入 C．系统的干扰 D．系统的初始状态 分析与提示：线性系统稳定与否取决于系统本身的结构和参数。 答案：A 习题四 题型：填空题 题目：若系统在的影响下，响应随着时间的推移，逐渐衰减并回到平衡位置，则称该系统是稳定的 分析与提示：若系统在初始状态的影响下（零输入），响应随着时间的推移，逐渐衰减并趋向于零(回到平衡位置)，则称该系统是稳定的；反之，若系统的零输入响应发散，则系统是不稳定的。 答案：初始状态 习题五 题型：填空题 题目：系统的稳定决定于的解。 分析与提示：系统的稳定决定于特征方程的解。 答案：特征方程

题型：填空题 题目：胡尔维兹（Hurwitz ）判据、劳斯（Routh ）判据又称为 判据。 分析与提示：胡尔维兹（Hurwitz ）判据、劳斯（Routh ）判据，又称为代数稳定性判据。 答案：代数稳定性 习题二 题型：填空题 题目：利用胡尔维兹判据，则系统稳定的充要条件为：特征方程的各项系数均为 ；各阶子行列式都 。 分析与提示：胡尔维兹判据系统稳定的充要条件为：特征方程的各项系数均为正；各阶子行列式都大于零。 答案：正、大于零 习题三 题型：计算题 题目：系统的特征方程为 010532234=++++s s s s 用胡尔维兹判据判别系统的稳定性。 分析与提示：利用胡尔维兹判据，其各阶系数均大于零，计算子行列式。 答案：（1）特征方程的各项系数为 10,5,3,1,201234=====a a a a a 均为正值。 （2） 0131>==?a 0714232 4 132<-=-== ?a a a a a a a a 不满足胡尔维兹行列式全部为正的条件，所以系统不稳定 习题四 题型：计算题 题目：单位反馈系统的开环传递函数为 ()()() 125.011.0++= s s s K s G 利用胡尔维兹判据求使系统稳定的K 值范围。 分析与提示：利用胡尔维兹判据，其各阶系数均大于零，计算子行列式，反求出K 的范围。 答案：系统的闭环特征方程为 ()()0125.011.0=+++K s s s

2机械控制工程基础第二章答案

习 题 2.1 什么是线性系统其最重要的特性是什么下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统 (1) x x x x x i o o o o 222=++&&& (2) x tx x x i o o o 222=++&&& (3) x x x x i o 222o o =++&&& (4) x tx x x x i o o o 222o =++&&& 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有 即 x c x c c x m i &&&&1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 消除中间变量有 (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++&& 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 消除中间变量,并化简有

u R C u C C R R u R C u R C u C C R R u R C i i i o o o 1 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1)()1(1+++=-+ ++&&&&&&& (2)对图(b)所示系统，设i 为电流，则有 消除中间变量,并化简有 2.4 求图(题2.4)所示机械系统的微分方程。图中M 为输入转矩,C m 为圆周阻尼，J 为转动惯量。 解：设系统输入为M （即），输 出θ(即)，分别对圆盘和质块进行动力学分析，列写动力学方程如下： 消除中间变量 x ,即可得到系统动力学方程 KM M c M m C R c k KJ c C km R cJ mC mJ m m m ++=++-++++&&&&&&&&&θ θθθ）（2 2 )()() 4(2.5 输出y(t)与输入x(t)的关系为y(t)= 2x(t)+0.5x 3(t)。 （1）求当工作点为x o =0,x o =1,x o =2时相应的稳态时输出值； （2）在这些工作点处作小偏差线性化模型，并以对工作的偏差来定

2机械控制工程基础第二章答案

习 题 2.1 什么是线性系统?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系统中,x o 表示系统输出,x i 表示系统输入,哪些是线性系统? (1) x x x x x i o o o o 222=++ (2) x tx x x i o o o 222=++ (3) x x x x i o 222o o =++ (4) x tx x x x i o o o 222o =++ 解: 凡是能用线性微分方程描述的系统就是线性系统。线性系统的一个最重要特性就是它满足叠加原理。该题中（2）和（3）是线性系统。 2.2 图（题2.2）中三同分别表示了三个机械系统。求出它们各自的微分方程，图中x i 表示输入位移，x o 表示输出位移，假设输出端无负载效应。 图(题2.2) 解: (1)对图(a)所示系统，由牛顿定律有

x m x c x x c i o o 2 o 1 )(=-- 即 x c x c c x m i 1 2 1 o o )(=++ (2)对图(b)所示系统，引入一中间变量x,并由牛顿定律有 )1()()(1 x x c k x x o i -=- )2()(2 x k x x c o o =- 消除中间变量有 x ck x k k x k k c i o 1 2 1 o 2 1 )(=-- (3)对图(c)所示系统，由牛顿定律有 x k x x k x x c o o i o i 2 1 )()(=-+- 即 x k x c x k k x c i i o o 1 2 1 )(+=++ 2.3求出图(题2.3)所示电系统的微分方程。 图（题2.3） 解:(1)对图(a)所示系统,设i 1为流过R 1的电流,i 为总电流,则有 ?+=idt C i R u o 12 2 i R u u o i 1 1=-

机械控制工程基础_习题集(含答案)

《机械控制工程基础》课程习题集 西南科技大学成人、网络教育学院 版权所有 习题 【说明】：本课程《机械控制工程基础》（编号为09010）共有单选题,计算题, 填空题等多种试题类型，其中，本习题集中有[ 填空题]等试题类型未进入。 一、单选题 1. t e 2-的拉氏变换为（ ）。 A. s 21； B. 15 .0+s ； C. 21+s ； D. 2 1s e 2- 2. )(t f 的拉氏变换为) 2(6 ][+= s s s F ，则)(t f 为（ ）。 A. t e 23-； B. t e 21--； C. )1(32t e --； D. t e 26- 3. 脉冲函数的拉氏变换为（ ）。 A. 0 ； B. ∞； C. 常数； D. 变量 4. ()t t f δ5)(=，则=)]([t f L （ ）。 A. 5 ； B. 1 ； C. 0 ； D. s 5 5. 已知) 52)(2(3 3)(2 2+++++=s s s s s s s F ，其原函数的终值=∞→t t f )(（ ）。 A. ∞ ； B. 0 ； C. 0.6 ； D. 0.3 6. 已知) 45(3 2)(22++++=s s s s s s F ，其原函数的终值=∞→t t f )(（ ）。 A. 0 ； B. ∞ ； C. 0.75 ； D. 3

7. 已知s n e s a s F τ-= 2 )(其反变换f (t)为（ ） 。 A. )(ττa t n a -?； B. )(τn t a -?； C. τn te a -?； D. )(1 τn t a -? 8. 已知) 1(1 )(+= s s s F ，其反变换f (t)为（ ）。 A. t e -1； B. t e -+1； C. t e --1； D. 1--t e 9. 已知t e t f t 2sin )(-=的拉氏变换为（ ）。 A. s e s 224 2-+ ； B. 4)4(22++s ； C. 4)1(2 ++s s ； D. s e s s 22 4 -+ 10. 图示函数的拉氏变换为（ ）。 A. )1(12s e s a ττ--； B. )1(12s e s a ττ--； C. )1(1s e s a ττ--；D. )1(12 s e s a ττ- 11. 若)(∞f =0，则][s F 可能是以下（ ）。 A. 91-s ； B. 92+s s ； C. 91+s ； D. 9 12+s 12. 开环与闭环结合在一起的系统称为（ ）。 A.复合控制系统； B.开式控制系统； C.闭和控制系统； D.正反馈控制系统 13. 在初始条件为零时，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为线性系统的 （ ）。 A.增益比； B.传递函数； C.放大倍数； D.开环传递函数 14. 已知线性系统的输入x(t)，输出y(t)，传递函数G(s)，则正确的关系是（ ）。 A. )]([)()(1 s G L t x t y -?=； B. )()()(s X s G s Y ?=； C. )()()(s G s Y s X ?=； D. )()()(s G t x t y ?= 15. 设有一弹簧、质量、阻尼器机械系统，如图所示，以外力f(t)为输入量，位移y(t)

西安交通大学17年3月课程考试《机械控制工程基础》作业考核试题

西安交通大学17年3月课程考试《机械控制工程基础》作业考核试题 一、单选题（共30 道试题，共60 分。） 1. 一个系统稳定的充要条件是系统的全部极点都在[S]平面的（） A. 右半平面内 B. 上半平面内 C. 左半平面内 D. 下半平面内 正确答案： 2. 拉氏变换将时间函数变换成（） A. 正弦函数 B. 单位阶跃函数 C. 单位脉冲函数 D. 复变函数 正确答案： 3. 一阶系统的阶跃响应，( ) A. 当时间常数T较大时有振荡 B. 当时间常数T较小时有振荡 C. 有振荡 D. 无振荡 正确答案： 4. 系统稳定的必要和充分条件是其特征方程的所有的根都必须为（） A. 负实数或为具有负实部的复数 B. 正实数 C. 具有正实数的复数 D. 具有负实数的复数 正确答案： 5. 一个线性系统稳定与否取决于（） A. 系统的结构和参数 B. 系统的输入 C. 系统的干扰 D. 系统的初始状态 正确答案： 6. 关于系统模型的说法，正确的是（） A. 每个系统只有一种数据模型 B. 动态模型在一定条件下可简化为静态模型 C. 动态模型比静态模型好

D. 静态模型比动态模型好 正确答案： 7. 最小相位系统的定义为：系统开环传递函数G(s)的所有零点和极点均在s平面的（） A. 左半平面 B. 左半平面 C. 上半平面 D. 下半平面 正确答案： 8. 二阶欠阻尼系统的上升时间为（） A. 阶跃响应曲线第一次达到稳定值的98%的时间 B. 阶跃响应曲线达到稳定值的时 C. 阶跃响应曲线第一次达到稳定值的时间 D. 阶跃响应曲线达到稳定值的98%的时间 正确答案： 9. 系统的传递函数（） A. 与外界无关 B. 反映了系统、输出、输入三者之间的关系 C. 完全反映了系统的动态特性 D. 与系统的初始状态有关 正确答案： 10. 线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下（） A. 系统输出信号与输入信号之比 B. 系统输入信号与输出信号之比 C. 系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比 D. 系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 正确答案： 11. 某线性定常系统，当输入为单位阶跃函数时，该系统的传递函数为( ) A. sY(s) B. s+Y(s) C. s-Y（s） D. ssY(s) 正确答案： 12. 二阶系统的阻尼比ζ，等于( ) A. 系统的粘性阻尼系数 B. 临界阻尼系数与系统粘性阻尼系数之比 C. 系统粘性阻尼系数与临界阻尼系数之比 D. 系统粘性阻尼系数的倒数 正确答案： 13. 关于反馈的说法，正确的是（） A. 反馈实质上就是信号的并联 B. 反馈都是人为加入的 C. 正反馈就是输入信号与反馈相加 D. 反馈就是输出以不同方式作用于系统 正确答案：

机械控制工程基础试题及答案

一、单项选择题（在每小题的四个被选答案中，选出一个正确的答案，并将其 答案按顺序写在答题纸上，每小题2分，共40分） 1． 闭环控制系统的特点是 A 不必利用输出的反馈信息 B 利用输入与输出之间的偏差对系统进行控制 C 不一定有反馈回路 D 任何时刻输入与输出之间偏差总是零，因此不是用偏差来控制的 2．线性系统与非线性系统的根本区别在于 A 线性系统有外加输入，非线性系统无外加输入 B 线性系统无外加输入，非线性系统有外加输入 C 线性系统满足迭加原理，非线性系统不满足迭加原理 D 线性系统不满足迭加原理，非线性系统满足迭加原理 3． 2 22 )]([b s b s t f L ++=，则)(t f A bt b bt cos sin + B bt bt b cos sin + C bt bt cos sin + D bt b bt b cos sin + 4．已知 ) (1 )(a s s s F += ，且0>a ，则 )(∞f A 0 B a 21 C a 1 D 1 5．已知函数)(t f 如右图所示，则 )(s F A s s e s e s --+2211 B s s e s s 213 212+-- C )22121(1332s s s s se e e se s ------+ D )221(1s s s e e s e s ----+ 6．某系统的传递函数为 ) 3)(10() 10()(+++= s s s s G ，其零、极点是 A 零点 10-=s ，3-=s ；极点 10-=s B 零点 10=s ，3=s ；极点 10=s

C 零点 10-=s ；极点 10-=s ，3-=s D 没有零点；极点 3 =s

机械控制工程基础复习题及复习资料

机械控制工程基础复习题1 1、 选择填空（30分，每小题2分） （下列各题均给出数个答案，但只有一个是正确的，请将正确答案的序号写在空白 处） 1.1在下列典型环节中，属于振荡环节的是 。 (A) 101.010)(2++= s s s G (B) 1 01.01)(2 ++=s s s G (C) 101 )(+=s s G 1.2系统的传递函数定义为在零初始条件下输出量的Laplace 变换与输入量的Laplace 变换之比，其表达式 。 （A ）与输入量和输出量二者有关 （B ）不仅与输入量和输出量二者有关，还与系统的结构和参数有关 （C ）只与系统的结构和参数有关，与输入量和输出量二者无关 1.3系统峰值时间p t 满足 。 （A ） 0)(=p p o dt t dx （B ）)()(∞=o p o x t x （C ）)()()(∞??≤∞-o o p o x x t x 其中，)(t x o 为系统的单位阶跃响应。 1.4开环传递函数为G (s )的单位反馈系统的静态速度误差系数的计算式为 。 (A) )(lim 0 s G K s v →= (B) )(lim 2 s G s K s v →= (C) )(lim 0 s sG K s v →= 1.5最大百分比超调量(%)p M 的定义式为 。 （A ）)()(max (%)∞-=o o p x t x M (B) %100) () ()(max (%)∞∞-= o o o p x x t x M （C ）) () (max (%)t x t x M i o p = 其中，)(t x i 为系统的输入量，)(t x o 为系统的单位阶跃响应，)(max t x o 为)(t x o 的最大值。 1.6给同一系统分别输入)sin()(11t R t x i ω=和)sin()(2t R t x r i ω=这两种信号（其中， r ω是系统的谐振频率，1ω是系统正常工作频率范围内的任一频率），设它们对应的稳态输出分别为)sin()(1111?ω+=t C t x o 和)sin()(222?ω+=t C t x r o ，则 成立。 （A ）21C C > （B ）12C C > （C ）21C C = 1.7 若一单位反馈系统的开环传递函数为) ()(1220 a s a s a s G += , 则由系统稳定的必 要条件可知， 。 （A ）系统稳定的充分必要条件是常数210,,a a a 均大于0

机械控制工程基础复习题及参考答案

一、单项选择题： 1. 某二阶系统阻尼比为0，则系统阶跃响应为 A. 发散振荡 B. 单调衰减 C. 衰减振荡 D. 等幅振荡 2． 一阶系统G(s)=1 +Ts K 的时间常数T 越小，则系统的输出响应达到稳态值的时间 A ．越长 B ．越短 C ．不变 D ．不定 3. 传递函数反映了系统的动态性能，它与下列哪项因素有关？ A.输入信号 B.初始条件 C.系统的结构参数 D.输入信号和初始条件 4．惯性环节的相频特性)(ωθ，当∞→ω时，其相位移)(∞θ为 A ．-270° B ．-180° C ．-90° D ．0° 5．设积分环节的传递函数为G(s)= s 1 ，则其频率特性幅值M(ω)= A. ωK B. 2K ω C. ω1 D. 21ω 6. 有一线性系统，其输入分别为u 1(t)和u 2(t)时，输出分别为y 1(t)和y 2(t)。当输入为a 1u 1(t)+a 2u 2(t)时(a 1,a 2为常数)，输出应为 A. a 1y 1(t)+y 2(t) B. a 1y 1(t)+a 2y 2(t) C. a 1y 1(t)-a 2y 2(t) D. y 1(t)+a 2y 2(t) 7．拉氏变换将时间函数变换成 A ．正弦函数 B ．单位阶跃函数 C ．单位脉冲函数 D ．复变函数 8．二阶系统当0<ζ<1时，如果减小ζ，则输出响应的最大超调量%σ将 A.增加 B.减小 C.不变 D.不定 9．线性定常系统的传递函数，是在零初始条件下 A ．系统输出信号与输入信号之比 B ．系统输入信号与输出信号之比 C ．系统输入信号的拉氏变换与输出信号的拉氏变换之比 D ．系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比 10．余弦函数cos t ω的拉氏变换是 A.ω+s 1 B.2 2s ω+ω C.22s s ω+ D. 2 2s 1ω + 11. 微分环节的频率特性相位移θ(ω)= A. 90° B. -90° C. 0° D. -180° 12. II 型系统开环对数幅频渐近特性的低频段斜率为 A. -40(dB/dec) B. -20(dB/dec) C. 0(dB/dec) D. +20(dB/dec) 13．令线性定常系统传递函数的分母多项式为零，则可得到系统的

机械控制工程基础

机械控制工程基础（专升本） 多选题 1. 微分环节的特点和作用是_______.(5分) (A) 输出提前于输入 (B) 干扰噪声放大 (C) 高通滤波 (D) 作为反馈环节，可改善系统的稳定性 (E) 作为校正环节，使系统的剪切频率增大 标准答案是：A,B,C,D,E 2. 闭环控制系统必不可少的环节有_______.(5分) (A) 输入输出 (B) 被控对象 (C) 测量环节 (D) 校正环节 (E) 比较环节 标准答案是：A,B,C,D,E 3. 若系统的传递函数为G(s)=10(s+5)/[s2(s+2)(s2+0.2s+100)]，则其特性是_______.(5分) (A) 其奈奎斯特曲线在频率趋于零时的起点处，应平行于负实轴 (B) 其奈奎斯特曲线在频率趋于无穷大的终点处，应平行于正实轴，并进入坐标原点 (C) 其Bode图的转折频率依次为2，3.14，10，50 (D) 其Bode图的幅频特性的斜率依次为[-40],[-60],[-100],[-80]dB/Dec (E) 系统的增益为5/2 标准答案是：A,B,C,D 4. 工程实际中常用的典型测试信号有________.(5分) (A) 脉冲信号 (B) 阶跃信号 (C) 斜坡信号 (D) 抛物线信号 (E) 正弦信号 标准答案是：A,B,C,D,E 5. PID调节器与无源器件的相位滞后-超前校正器在原理上的区别有_______.(5分) (A) PID调节器在低频段的斜率为-20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的低频段斜率为0dB/Dec (B) PID 调节器的高频段的斜率为+20dB/Dec，相位滞后-超前校正器的高频段斜率为0dB/Dec (C) PID调节器对高频噪声敏感，无源器件的相位滞后超前校正器则不放大高频噪声 (D) PID调节器构成带阻滤波器 (E) PID调节器是带通滤波器 标准答案是：A,B,C 6. 单位负反馈系统的闭环传递函数为G(s)=9(0.2s+1)(0.5s+1)/[s2(0.1s+1)]，则系统特性为_______.(5分) (A) 它是II型系统 (B) 闭环系统包含的典型环节有六个 (C) 闭环系统跟踪斜坡信号的稳态误差为零 (D) 闭环系统跟踪阶跃信号的稳态误差为零 1

机械控制工程基础总结

机械控制工程基础总结 机械工程控制论的基本含义 机械控制工程是研究控制论在机械工程中应用的科学。它是一门跨控制论和机械工程的边缘学科。随着工业生产和科学技术的不断向前发展，机械工程控制论这门新兴学科越来越为人们所重视。原因是它不仅能满足今天自动化技术高度发展的需要，同时也与信息科学和系统科学紧密相关，更重要的是它提供了辩证的系统分析方法，即不但从局部，而且从整体上认识和分析机械系统，改进和完善机械系统，以满足科技发展和工业生产的实际需要。 机械工程控制论的研究对象与任务 机械工程控制论的研究对象是机械工程技术中广义系统的动力学问题。具体地讲，机械工程控制论是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系，也就是研究机械工程广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定初始条件出发，所经历由内部的固有特性所决定的整个动态历程。例如，在机床数控技术中，调整到一定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输入，数控机床的加工运动就是输出。这里系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成且有一定运动规律的一个有机整体。输入是外界对系统的作用，输出是系统对外界的作用。通常机械工程控制论简称为机械控制工程，其所研究的系统可大可小、可繁可简，完全由研究的需要而定，因而称之为广义系统。由此可见，就系统及其输入、输出三者之间的动态关系而言，机械工程控制论的任务 主要研究解决以下几个方面的问题： １.当系统已定，输入已知时，求出系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题，称系统分析。２.当系统已定，系统的输出也已给定时，要确定系统的输入，使输出尽可能符合给定的最佳要求，称系统的最优控制。３.当输入和输出均已知时，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型，称系统辨识或系统识别。４.当系统已定输出已知时，要识别输入或输入中的有关信息，称滤波与预测反馈及反馈控制 反馈及反馈控制 控制论的核心内容是：通过信息的传递、加工处理和反馈来进行控制。控制论把一切能表达一定含义的信号、符号、密码和消息等统称为信息。所谓信息传递，是指信息在系统及过程中以某种关系动态地传递，亦称转换。例如，对于机床加工工艺系统，要研究机床的加工精度问题，可将工件尺寸作为信息，通过工艺过程的转换，对加工前后工件尺寸的分布情况，运用信息处理的理论和方法来

机械控制工程基础课程教学大纲

机械控制工程基础课程 教学大纲 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

《机械控制工程基础》课程教学大纲 一、课程基本信息 1．课程编号：MACH400801 2．课程体系/类别：专业类/专业核心课 3．学时/学分：56学时/ 3学分 4．先修课程：高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学计算机基础、高级程序设计 5．适用专业：机械大类专业（包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、和工业工程） 二、课程目标及学生应达到的能力 《机械控制工程基础》是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。 本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式，使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能；具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新技术，支撑毕业要求中的相应指标点。课程目标及能力要求具体如下： 课程目标1. 掌握机械控制系统的基本概念和组成原理，具备自动控制原理与系统的基础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法。（毕业要求中的第1） 课程目标2. 培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真，能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。（毕业要求中的第2、4）

机械控制工程基础期末试卷_答案2解析

一. 填空题(每小题2.5分，共25分) 1． 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、 快速性 和 准确性 。 2． 按系统有无反馈，通常可将控制系统分为 开环系统 和 闭环系统 。 3． 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有 微分方程 、 传递函数 等。 4． 误差响应 反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统 控制精度的程度。 5． 一阶系统 1 1 Ts +的单位阶跃响应的表达是 。 6． 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和 频域性能指标 。 7． 频率响应是线性定常系统对 谐波 输入的稳态响应。 8． 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与 的类型有关。 9． 脉冲信号可以用来反映系统的 。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 。 二． 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分） 炉温控制系统 图1 炉温控制结构图 试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。 三、如图2为电路。求输入电压i u 与输出电压0u 之间的微分方程， 并求该电路的传递函数（10分） 图2 四、求拉氏变换与反变换 (10分) 1． 求[0.5]t te -（5分） 2． 求 1 3[ ](1)(2) s s s -++（5分） R u 0 u i L C u 0u i (a) (b) (c)

五、化简图3所示的框图，并求出闭环传递函数（10分） 图3 六、图4示机械系统由质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度K 和外力)(t f 组成的机械动力系统。图4(a)中)(t x o 是输出位移。当外力)(t f 施加3牛顿阶跃力后(恒速信号)，记录仪上记录质量m 物体的时间响应曲线如图4（b ）所示。试求： 1）该系统的微分方程数学模型和传递函数；(5分) 2）该系统的自由频率n ω、阻尼比ξ；(2分) 3）该系统的弹簧刚度质量m 、阻尼系数C 、弹簧刚度k ；（3分） 4）时间响应性能指标：上升时间s t 、调整时间r t 、稳态误差ss e （5分）。 1.0 x 0 图4(a) 机械系统 图4（b ）响应曲线 图4 七、已知某系统是单位负反馈系统，其开环传递函数1 510 += s G k ，则该系统在单位脉冲、单位阶跃和单位恒速信号（斜坡信号）作用下的稳态误差ss e 分别是多少？（10分）

机械控制工程基础课后答案(廉自生)

2-1什么是线性系统？其最重要特性是什么？ 答：如果系统的数学模型是线性的，这种系统就叫做线性系统。线性系统最重要的特性，是适用于叠加原理。叠加原理说明，两个不同的作用函数（输入），同时作用于系统所产生 的响应（输出），等于两个作用函数单独作用的响应之和因此，线性系统对几个输入 量同时作用而产生的响应，可以一个一个地处理，然后对它们的响应结果进行叠加。 2-2 分别求出图（题2-2）所示各系统的微分方程。 ) () (t f t y k m (a ) ) (t y ) (t f 2 1 k k m (b ) c c 1 2 m x x i o (c ) 1k 2 k o i x x c (d ) 1 k 2k x i x o c (e ) 解：)(a )()()(t f t ky t y m =+ )(b )()()()(21t f t y k k t y m =++ ? ???+=-02010))((x c x m c x x c i 2 12110)()()() (K K s K K c cs K s X s X d i ++= 02010)())((x K c x x K x x e i i =-+-? ? 2-3 求图（题2-3）所示的传递函数，并写出两系统的无阻尼固有频率n ω及阻尼比ξ的表达式。 x i x o c k m (a ) C u u o i L R (b )

解：图)(a 有：m k s m c s m k s G ++= 2)( m k n =ω mk C 2=ξ 图)(b 有：??? ???? =++=??idt C V idt C R L V i i i 110 ∴ LC s L R s LC s G 11 )(2+ += LC n 1=ω L C R 2=ξ 2-4 求图（题2-4）所示机械系统的传递函数。图中M 为输入转矩，m C 为圆周阻尼，J 为转动惯量。（应注意消去θ θ ,及θ ） x m k R c M m ,C J 题2-4 解：由已知可知输入量M 与输出量θ之间的关系为： M k C J m =++θθθ 经拉氏变换后为：)()()(2 s M k s s C s Js m =++θθθ ∴ 2 2 2 222/11)() ()(n n n m m s J k s J C s J k s C Js s M s s G ωξωωθ++=++=++== 其中，J k n = ω Jk C m 2=ξ 2-5 已知滑阀节流口流量方程式为)/2(v ρωp x c Q =，式中，Q 为通过节流阀流口的流量；p 为节流阀流口的前后油压差；v x 为节流阀的位移量；c 为流量系数；ω为节流口

2020年春季学期《机械控制工程基础》在线考核试题_10.doc

1.设系统的特征方程为D(s)=s3+14s2+40s+40τ=0，则此系统稳定的τ 值范围为（） A.τ>0 B.0<τ<14 C.τ>14 D.τ<0 【参考答案】: B 2.传递函数的零点和极点均在复平面的左侧的系统为（） A.非最小相位系统 B.最小相位系统 C.无差系统 D.有差系统 【参考答案】: B 3.若系统无开环右极点且其开环极座标曲线只穿越实轴上区间（－1， ＋∞），则该闭环系统一定（） A.稳定 B.临界稳定 C.不稳定 D.不一定稳定 【参考答案】: A 4.控制框图的等效变换原则是变换前后的（） A.输入量和反馈量保持不变 B.输出量和反馈量保持不变 C.输入量和干扰量保持不变 D.输入量和输出量保持不变 【参考答案】: D 5.以同等精度元件组成的开环系统和闭环系统其精度比较为（） A.开环高 B.闭环高 C.相差不多 D.一样高 【参考答案】: B 6.PID调节器的积分部分消除系统的（） A.瞬态误差 B.干扰误差 C.累计误差 D.稳态误差 【参考答案】: D

7.对惯性环节进行位置负反馈校正，校正后系统的（） A.增益下降，快速性变差 B.时间常数下降，快速性变好 C.增益下降，稳定性变差 D.时间常数下降，快速性变差 【参考答案】: B 8.Ⅰ型系统的速度静差系数等于（） A.0 B.开环放大系数 C.∞ D.时间常数 【参考答案】: B 9.自动控制系统的（）是系统正常工作的先决条件。 A.稳定性 B.动态特性 C.稳态特性 D.精确度 【参考答案】: A 10.理想微分环节对数幅频特性曲线是一条斜率为（） A.20dB/dec ，通过ω=1点的直线 B.-20dB/dec ，通过ω=1点的直线 C.- 20dB/dec ，通过ω=0点的直线 D.20dB/dec ，通过ω=0点的直线 【参考答案】: A 11.串联相位滞后校正通常用于（） A.提高系统的快速性 B.提高系统的稳态精度 C.减少系统的阻尼 D.减少系统的固有频率 【参考答案】: B 12.开环对数频率特性的中频段决定系统的（） A.型别 B.稳态误差 C.动态性能 D.抗干扰能力 【参考答案】: C

机械控制工程基础复习重点总结

◎闭环控制系统主要由给定环节、比较环节、运算放大环节、执行环节、被控对象、检测环节（反馈环节）组成 ◎开环控制反馈及其类型：内反馈、外反馈、正反馈、负反馈。 ◎1、从数学角度来看，拉氏变换方法是求解常系数线性微分方程的工具。可以分别将“微分”与“积分”运算转换成“乘法”和“除法”运算，即把微分、积分方程转换为代数方程。对于指数函数、超越函数以及某些非周期性的具有不连续点的函数，用古典方法求解比较烦琐，经拉氏变换可转换为简单的初等函数，就很简便。 2、当求解控制系统输入输出微分方程时，求解的过程得到简化，可以同时获得控制系统的瞬态分量和稳态分量。 3、拉氏变换可把时域中的两个函数的卷积运算转换为复频域中两函数的乘法运算。在此基础上，建立了控制系统传递函数的概念，这一重要概念的应用为研究控制系统的传输问题提供了许多方便。 ◎描述系统的输入输出变量以及系统内部各变量之间的数学表达式 称为系统的数学模型，各变量间的关系通常用微分方程等数学表达式来描述。 ◎建立控制系统数学模型的方法主要有分析法（解析法）、实验法 ◎建立微分方程的基本步骤：1、确定系统或各元件的输入输出，找出各物理量之间的关系 2、按照信号在系统中的传递顺序，从系统输入端开始列出动态微分方程 3、按照系统的工作条件，忽略次要元素，对微分方程进行简化 4、消除中间变量 5整理微分方程，降幂排序，标准化。 ◎传递函数具有以下特点：1、传递函数分母的阶次与各项系数只取决于系统本身的固有特性，而与外界输入无关。 2、当系统在初始状态为0时，对于给定的输入，系统输出的拉氏逆变换完全取决于系统的传递函数。 x0(t)=L^-1[X0(s)]=L^-1[G(s)Xi(s)] 3、传递函数分母中s 的阶次n 不小于分子中s 的阶次m ，即n ≥m 。这是由于实际系统或元件总是具有惯性的 ◎方框图的结构要素：1、传递函数方框。2、相加点。3、分支点。 ◎时间响应及其组成：瞬态响应：系统在某一输入信号作用下，其输出量从初始状态到稳定状态的响应过程，也称动态响应，反映了控制系统的稳定性和快速性。 稳态响应：当某一信号输入时，系统在时间t 趋于无穷时的输出状态，也称静态响应，反映了系统的准确性。 ◎二阶系统的微分方程和传递函数： ◎系统稳态误差0lim (s)H(s)p s K G →=0 lim (s)H(s)v s K sG →=2 0lim (s)H(s)a s K s G →= ◎二阶系统响应的性能指标：1、上升时间r t ，响应曲线从原始工作状态出发，第一次达到稳态值所需要的时间定义为上升时间。对于过阻尼系统，上升时间定义为响应曲线从稳态值得10%上升到90%所需要的时间。2、峰值时间p t ，响应曲线达到第一个峰值所需要 的时间定义为峰值时间。3、最大超调量p M ，超调量是描述系统 相对稳定性的一个动态指标。一般用下式定义系统的最大超调量。 4、调整时间 s t 。5、振荡次数N ，在调整时间s t 内，0(t)x 穿越其稳定值0()x ∞次数的一半定义为振荡次数。（振荡次数与n ω无关，ξ 越大N 越小） ◎由此可见，系续稳定的充分必要条件是：系统特征方程的根全部具有负实部。系统的特征根就是系统闭环传递函数的极点，因此，系统稳定的充分必要条件还可以表述为系统闭环传递函数的极点全部位于［S ］平面的左半平面 线性定常系统对正弦输入的稳态响应被称为频率响应，该响应的频率与输入信号的频率相同，幅值和相位相对于输入信号随频率w 的变化而变化，反映这种变化特性的表达式0()i X X ω和-arctanTw 称系统的频率特性，它与系统传递函数的关系将G(S)中的S 用jw 歹取代，G(jw)即为系统的频率特性。

机械控制工程基础董玉红徐莉萍主编教学大纲

机械控制工程基础董玉红徐莉萍主编教学大纲集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]

一、课程性质和教学目的： 本课程是机械设计制造及其自动化专业基础课程。课程对象：机械设计制造及其自动化。课程主要阐述有关自动控制技术的基础理论。 目的：使学生基本掌握自动控制系统性能分析及设计的方法和技巧，为进一步学习后续课程及今后的实际工作打下较坚实的基础。 要求：掌握自动控制理论的基本概念；自动控制系统数学模型的建模方法，包括微分方程传递函数，函数方块图，零极点分布图；自动控制系统性能的时域和频率域分析方法，重点掌握自动控制系统的稳定性，准确性及快速性的概念、指标、分析计算及校正的方法。学会分析控制系统，并能初步设计控制系统。 二、课程教学内容： 第一章绪论 第一节机械工程控制论基础 第二节控制系统的工作原理与组成 第三节控制系统的分类与基本要求 1、4学时 2、重点：控制系统的分类与基本要求。难点：控制系统的工作原理和组成 3、了解《机械控制工程基础》课程特点，初步建立控制系统概念。 4、理解控制系统的工作原理。 5、掌握相关基本要求。 第二章函数的数学模型

第一节系统的微分方程 第二节拉普拉斯变换和反变换 第三节传递函数 第四节系统框图简化 第五节信号流图籍梅逊公式 1、12学时 2、重点：拉普拉斯变换与反变换；传递函数的分析和建立；系统的框图表示办法。难点：利用信号流图和梅逊公式来简化控制系统的传递函数；物理系统的传递函数推导。 3、了解复变量、复变函数、留数定理、拉氏变换等基础知识，了解简单机电微分方程方法。 4、理解模型函数的基本方法和思路。 5、掌握传递函数的推导、简化，理解传递函数的数学、物理意义。 第三章时域分析 第一节概论 第二节一阶系统的时间响应 第三节二阶系统的时间响应 第四节高阶系统的时间响应 第五节稳态误差分析与计算 1、10学时。

机械控制工程基础练习题考试题其

1、简答题 1、控制系统的基本要求。 1）、简述闭环控制系统的组成。 测量元件，给定元件，比较元件，放大元件，执行元件，校正元件 2）、非最小相位系统有何特点，与最小相位系统的区别是什么？ 第二题 在复平面【s 】右半平面没有极点和零点的传递函数称为最小相位传递函数，反之，在【s 】右半平面有极点和零点的传递函数称为非最小相位传递函数。具有最小相位传递函数的系统统称为最小相位系统，反之，具有非最小相位传递函数的系统称为最小相位系统 3）、简述系统串联滞后校正网络的校正原理。 此滞后校正环节是一个低通滤波器，因为当频率高于1/T 时，增益全部下降20lgb(db)，而相位减小不多。如果把这段频率范围的增益提高到原来的增益直，当然低频段的增益就提高了。 4）、简述系统超前校正网络的校正原理 在对数幅频特性曲线上有20db/dec 段存在，故加大了系统的剪切频率Wc 、谐振频率Wr 与截止频率Wb ，其结果是加大了系统的带宽，加快了系统的响应速度；又由于相位超前，还可能加大相位裕度，结果是增加了系统相位稳定性。 5）、减小或消除系统稳态误差的措施主要有哪些？ 1：增大系统开环增益或扰动之前系统的前向通道增益 2：在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节 3：采用串级控制抑制内回路扰动。 6）、简要说明比例积分微分PID 控制规律中P 、I 和D 的作用 (1)比例系数Kp 直接决定控制作用的强弱，加大Kp 可以减小系统的稳定误差，提高系统的动态响应速度，但Kp 过大会使动态质量变坏，引起被控制量震荡甚至导致闭环系统不稳定 (2)在比例的调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，因为只要存在偏差，它的积分所产生的控制量总是用来消除稳态误差，直到积分的直为零，控制作用才停止 (3)微分的控制作用是跟偏差的变化速度有关。 2.已知控制系统的结构图如下图所示，求： （1） 当不存在速度反馈)0(=a 时， 试确定单位阶跃输入动态响应过程的 r t ，s t 和%σ。 （1）a=0时，()()42G s s s =+，()24 24 s s s Φ=++，所以0.5,2n ζω==