机械工程控制基础知识点整合

1、.第一章绪论1、控制理论的中心思想、三要素和研究对象。中心思想：通过信息的传递、加工处理和反馈来控制。三个要素：信息、反馈和控制。研究对象：研究控制系统及其输入输出三者之间的动态关系。2、反馈、偏差和反馈控制原理。反馈：系统输出信号的部分或全部返回输入端，作用于系统的过程称为反馈。偏差：输出信号和反馈信号之差。反馈控制原理：检测偏差，修正偏差的原理。3 .反馈控制系统的基本配置。控制部：所给环节、比较环节、放大运算环节、执行环节、反馈(测定)环节被控制对象基本变量：被控制量、规定量(希望值)、控制量、干扰量(噪声)4 .控制系统的分类1 )按反馈情况进行分类a、开环控制系统：当系统的输出量对系

2、统没有控制作用，即系统没有反馈环路时，该系统将一种批量开环控制系统。特点：结构简单，没有稳定性问题，抗干扰性能差，控制精度低。b、闭环控制系统：当系统的输出对系统有控制作用时，即在系统中存在反馈环路时，该系统可以总称闭环控制系统。特征：抗干扰性能强，控制精度高，有稳定性问题，设计和构建困难成本很高。2 )根据输出的变化规则进行分类自动调整系统追踪系统程序控制系统3 )其他分类线性控制系统的连续控制系统非线性控制系统离散控制系统5 .对控制系统的基本要求1 )系统的稳定性：第一条件指动态过程的振动倾向和系统能恢复平衡状态的能力。2 )系统响应的高速性指系统的输出量和规定的输出量之间产生偏差时，消

3、除该偏差的能力。3 )系统响应的正确性(静态精度)调整过程结束后的输出量和指定的输入量之间的偏差的大小。第二章系统的数学模型1、系统的数学模型：描述系统、输入、输出三者之间动态关系的数学公式。时域数学模型：微分方程时域描述输入输出的关系。 单位脉冲响应函数多域数学模型：传递函数多字段描述输入和输出之间的关系。频域数学模型：频率特性频域描述输入输出的关系。2 .线性系统和非线性系统线性系统：可以用线性方程式记述的系统。重要的特性是具有重叠原理。3 .系统微分方程的列写4 .非线性系统的线性化5 .传递函数的概念：1 )定义：初始状态为0时，输出的拉式变换和输入的拉式变换的比。 也就是说G(s)=

4、Y(s)/X(s )。2 )特征：(a )传递函数反映系统固有的特性，与外界无关。(b )传递函数的维数依赖于输入输出的性质，同性质的物理量不依赖于维数，性质不同的物理量有维数，两者的比率。(c )不同的物理系统可以具有类似的传递函数，并且传递函数不反映系统的真实物理结构。(d )设传递函数的分母为系统的特征多项式，分母为零和系统的特征方程式，其解为特征根。(e )传递函数和单位脉冲响应函数彼此处于拉斯变换和拉斯逆变换的关系。6 .基本环节的传递函数7、系统各环节之间的三种连接方式：8、框图的简化和梅森公式等效转换规则：转换前后的输出和输入的关系不变。掌握分支点、相加点的相对块移动规律和类似要

5、素交换规律，记住分支点和相加点不能随意交换。梅森公式：9 .系统的传递函数第三章时间响应分析1 .时间响应及其结构时间响应：系统是激励的作用，系统输出处于随时间变化的关系。时间响应分为零状态响应和零输入响应，或者自由响应和强制响应。零状态响应：“没有输入时的系统初始状态”为零，仅通过输入进行响应。零输入响应：基于“无输入时的系统初始状态”的自由响应。控制工程研究的响应往往是零状态响应。在稳定的线性系统中，自由响应被称为瞬态响应，强制响应被称为稳态响应。瞬态响应：系统从初始状态到最终状态的响应过程稳态响应：当系统时间无限时，系统的输出状态。2 .典型的输入信号3、一次系统及其时间响应1次系统：用

6、1次线性微分方程式记述的系统和传递函数的分母中包含的s的最高幂次为1。数学模型：一次系统的参数：静态：系统增益k动态：时间常数T()主系统的时间响应：一阶系统阶跃响应曲线如下：结论一次系统的稳态值取决于系统增益，响应速度取决于时间常数t，t越大响应速度越大越慢，响应速度越不依赖于系统的增益。4、二次系统及其时间响应二次系统：用二次线性微分方程式写的，或传递函数的分母中包含的s的最高应该次数是2。数学模型：二次系统的性能参数有以下三个静态：系统增益k动态：阻尼比和无阻尼固有频率n。二次系统的特征根及其在s平面上的分布：二次系统单位阶跃信号的响应：无衰减状态：等幅振动曲线，振动频率为固有频率不足衰

7、减状态：衰减振动曲线：振动频率是衰减固有频率临界衰减状态：单调上升曲线过衰减状态：上升曲线5 .时间响应的瞬态性能指标瞬态响应性能指标是从二次系统处于低衰减状态下的单位阶跃响应曲线得出的。大家必须掌握的是：1 )上升时间：响应曲线从原来的工作状态第一次达到输出稳定值的时间。2 )峰值时间：响应曲线到达第一个峰值的时间。3 )最大超调：一般的百分比值表示如下：4 )调整时间ts:将响应曲线的稳定值附近(一般为0.020.05 )设为误差带，到响应曲线不超过误差带的范围为止的时间。6 .时间响应的稳态性能指标误差：实际输出信号与期望的输出信号之差。偏差：输入信号和反馈信号之差。稳态误差：误差的最终

8、值。稳态偏差：偏差的最终值。两者的关系：7 .稳态误差(偏差)的计算基本公式：8、静态误差系数：9 .由典型输入信号引起的稳态误差结论：输入信号引起的稳态误差与输入信号、系统的型次、开环增益有关，系统的型次越高，系统可能从有静差的系统变为没有静差的系统的开环增益越大，系统的稳态误差越小。10 .由干扰信号引起的稳态偏差结论：要减小扰动信号引起的稳态误差，只能在扰动作用点前增大k值，增设积分环节个数Ni。第四章频率特性分析1 .频率响应和频率特性频率响应：线性稳态系统对谐波输入的稳态响应。振幅特性：线性稳态系统由简单的调谐信号激励，记录稳态输出信号和输入信号的振幅比A()相位频率特性：线性稳态系

9、统由简单的调谐信号激励，记录稳态输出信号与输入信号的相位差()频率特性：振幅特性和相频率特性的总称。 即，线性稳定系统在简并信号激励下处于其稳定状态输出信号和输入信号的振幅比、相位差根据激励信号的频率而变化的特性。 记作频率特性也被称为频率响应函数，是激励频率的函数。频率特性：在零初始条件下，系统输出y(t )傅立叶变换Y()与输入x(t )的傅立叶变换X()之比，即2 .频率特性的获得方法：3 .频率特性的显示方法：1 )代数表示方法4 .频率特性的特征和作用1 )频率特性、微分方程、传递函数的关系；频率特性是传递函数s=j的特性，是反映系统频域内的固有特性的系统单位冲激响应函数的傅立叶变换

10、，因此频率特性分析是针对单位冲激响应函数的频谱分析。2 )频率特性分析系统的稳态响应，获得系统的稳态特性。3 )可以从频率特性判断系统的稳定性和稳定性。4 )根据频率特性，进行参数的选择和系统的校正，选择系统的工作频率范围，或根据系统的工作条件，设计具有适当频率特性的系统。5 .频率特性的极坐标图(Nyquist图)1 )典型环节频率特性的Nyquist图2 )创建系统频率特性Nyquist图a )根据已知的条件写出系统频率特性G(j)写下a ()、()、u()、v()。c )求特殊点坐标：起点、终点、与坐标轴的交点d )根据需要，在0的范围内取几分e )复频率面G(j)上的实轴、虚轴、复平面

11、名称G(j)。 在坐标系中为分钟不是画上述各点，而是在变大的方向上把上述各点连接成一条曲线，表示该曲线旁边增加大的方向。6 .频率特性的对数图(波形图)1 )典型环节频率特性的Bode图2 )制作系统频率特性Bode曲线图a )将系统的传递函数G(s )转换为几个典型环节相乘的形式，并写出频率特性G(j)b )确定和旋转每个典型环节的特征参数(例如，比例系数k、转换频率或无阻尼固有频率)按照折叠频率从低到低的顺序显示在横轴上c )描绘对数振幅频率特性L()=20lgG(j)的低频渐近线. 系统为0型系统时，低频为水平线，高度为20lgK式I型及I型以上系统，低频(或其延长线)上的振幅也为20l

12、gK，斜率为-20dB/dec；d )按照转换频率从低频到高频的顺序，以低频为基础，每次遇到转换频率时，按照环节的性质使渐近线的斜率变化，直到画出转换频率最高的环节为止画出渐近线。斜率的变化原则如下遇到惯性链路的转换频率时斜率增加-20dB/dec，遇到1次微分链路的转换频率时斜率为20dB/dec，遇到振动链路的转换频率时斜率增加-40dB/dec，遇到2次微分链路的转换频率时斜率增加。 最后的渐近线的斜率必须是-20(n-m)dB/dec。e )根据需要修改L()曲线。3 )板图解释了系统的频率特性的优点a )根据典型环节Bode图的特征，容易利用重叠法和顺序法制作系统Bode图b )以其

13、正确的曲线替换对数振幅频率特性的渐近线，可以简化作图c )可以在宽频率范围内研究系统的频率特性d )容易细分感兴趣频带的Bode图e )可以简单地识别系统，可以简单地研究环节和参数对系统性能的影响。7 .闭环频率特性8 .频率特性的特征量1 )零振幅值A(0):0时，闭环系统稳态输出的振幅值与输入振幅值之比。反映了系统的稳态精度。2 )再现频率和再现带宽0 再现频率:振幅特性值与A()之差首次(反映低频输入信号的允许)误差)时的频率值再现带宽0 :表现再现低频输入信号的带宽3 )谐振频率r及相对谐振峰值Mr谐振频率r :在振幅特性A()中出现最大值Amax时的频率谐振峰Mr:Mr=Amax/A

14、(0)谐振频率反映系统瞬态响应的速度，r越大系统响应越快。二次振荡时：4 )截止频率b和截止带宽0b截止频率：振幅特性A()的数值从A(0)下降到0.707A(0)时的频率或A()的数值从A(0)下降到3dB时的频率截止带宽(带宽):0b的范围带宽代表系统允许的最高频率范围，并且还反映系统的速度，带宽越大，响应的速度越好。惯性链路的截止频率是其旋转角度频率。9 .最小相位系统和非最小相位系统最小相位系：传递函数的所有零点和极点在复平面s左半部分平面内的系非最小相位系：传递函数中零点或极位于复平面s右半平面内的系对应于最小相位系数的非最小相位系数具有相同的对数振幅-频率特性映射，但是对数相位-频率特性映射不同在稳定系统中，最小相位系数的对数-频率特性图的相位变化是最小的。10 .根据最小相位系数的对数振幅频率特性图来确定系数的传递函数1 )利用低频渐近线的斜率确定系统积分环节或微分环