機械自動控制工程知識點?控制論兩個核心：信息和反饋，我來為大家講解一下關于機械自動控制工程知識點?跟着小編一起來看一看吧!

機械自動控制工程知識點

控制論兩個核心：信息和反饋

控制論與機械工程控制關系：機械工程控制論是研究控制論在機械工程中應用的一門技術學科。

控制論發展階段及特點：第一階段的自動控制理論，即經典伺服機構理論，成熟于40~50年代。針對工程技術運用控制論的基本原理建立起來的在複數域（頻率域）内以傳遞函數（頻率特性）概念為基礎的理論體系，主要數學基礎是拉普拉斯變換和傅裡葉變換，主要研究單輸入—單輸出定常系統的分析和設計。第二階段的自動控制理論，即形成于20世紀60年代的現代控制理論。主要以狀态空間法為基礎建立起來的理論體系，主要針對多輸入—多輸出（線性或非線性）系統研究其穩定性、可控性、可觀測性等系統分析、綜合以及最優控制和自适應控制等問題。第三階段的自動控制理論，即在20世紀70年代形成的大系統理論，主要針對規模特别龐大的系統，或者特别複雜的系統，采用網絡化的電子計算機進行多級遞階控制。第四階段的自動控制理論，即始于20世紀70年代的智能控制理論。使工程系統、社會、管理與經濟系統等具有人工智能。

機械工程控制論研究對象：機械工程控制論是研究以機械工程控制技術為對象的控制論問題。具體的講，是研究在這一工程領域中廣義系統的動力學問題，即研究系統在一定的外界條件（即輸入與幹擾）作用下，系統從某一初始狀态出發，所經曆的整個動态過程，也就是研究系統及其輸入、輸出三者之間的動态關系。

控制系統研究涉及問題分類：1）系統确定，輸入已知而輸出未知，要求确定系統輸出并分析系統性能，此類問題為系統分析。2）系統确定，輸出已知而輸入未施加，要求确定輸入使輸出滿足最佳要求，此類問題稱為最優控制。3)系統已确定，輸出已知而輸入已知但未知時，要求識别系統輸入或輸入中有關信息，此類問題即濾波與預測。4）當輸入與輸出已知而系統結構參數未知時，要求确定系統的結構與參數，即建立系統的數學模型，此類問題即系統辨識。5）當輸入與輸出已知而系統尚未構建時，要求設計系統使系統在該輸入條件下盡可能符合給定的最佳要求，此類問題即最優設計。

信息：在科學史上控制論與信息論第一次把一切能表達一定含義的信号、密碼、情報和消息概括為信息概念，并把它列為與能量、質量相當的重要科學概念。

信息傳遞：所謂信息傳遞，是指信息在系統及過程中以某種關系動态地傳遞的過程。

系統：所謂系統，一般是指能完成一定任務的一些部件的組合。

控制系統：系統的可變輸出如果能按照要求由參考輸入或控制輸入進行調節的，則稱為控制系統。

控制系統組成：主要由控制裝置和被控對象兩部分組成。控制裝置包含給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執行元件和校正元件，給定元件給出系統的控制指令即輸入；被控對象則是看得見的實體，輸出即被控量是反映被控對象工作狀态的物理量。

控制系統分類：1）按微分方程分類，可分為線性系統和非線性系統，根據微分方程系數是否随時間變化，可分為定常系統和時變系統。2）按傳遞信号性質分為連續系統和離散系統。3）按控制信号變化規律分為恒指控制系統、程序控制系統及随動系統。4）按是否存在反饋，分為開環控制系統和閉環控制系統。

反饋：把一個系統的輸出信号不斷直接或經過中間變換後全部或部分的返回到輸入端，再輸入到系統中去。

控制系統基本要求：系統的穩定性、響應的快速性、響應的準确性。

第2章拉普拉斯變換的數學方法

複數表示方法：點表示法、向量表示法、三角函數表示法和指數表示法。

零點與極點：當s=z1, …, zm時，G(s)=0，則稱z1, …, zm為G(s)的零點；當s=p1, …, pm時，G(s)=∞，則稱p1, …, pm為G(s)的極點。

典型時間函數：單位階躍函數、單位脈沖函數、單位斜坡函數、指數函數、正弦函數、餘弦函數、幂函數。

拉氏變換的數學方法：查表法、有理函數法、部分分式法、MATLAB函數求解。

拉式變換解常微分方程：首先通過拉式變換将常微分方程化為象函數的代數方程，進而解出象函數，最後由拉式變換求得常微分方程的解。

第3章系統的數學模型

數學模型：系統動态特性的數學表達式。

數學模型建立方法：分析法、實驗法

線性系統與疊加原理：系統的數學模型表達式是線性的，則這種系統就是線性系統。線性系統最重要的特性是可以運用疊加原理。所謂疊加原理就是，系統在幾個外加作用力下所産生的響應，等于各個外加作用單獨作用下的響應之和。

線性系統分類：線性定常系統、線性時變系統。

非線性系統處理途徑：線性化、忽略非線性因素、用非線性系統的分析方法處理。

列寫系統微分方程步驟：1）确定系統的輸入和輸出。2）按照信息的傳遞順序，從輸入端開始，按物體的運動規律，如力學中的牛頓定律；電路中的基爾霍夫定律和能量守恒定律等，列寫出系統中各環節的微分方程。3）消去所列微分方程組中的各個中間變量，獲得描述系統輸入和輸出關系的微分方程。4)将所得的微分方程加以整理，把與輸入有關的各項放在等号右邊，與輸出有關的各項放在等号左邊，并按降幂排列。

機械系統：達朗貝爾原理

液壓系統：流體連續方程

電網絡系統：基爾霍夫電流定律和電壓定律

微分方程的增量化表示：系統按不為零的初始條件作為坐标原點來建立運動微分方程，這是的變量就變成了初始狀态為零，然後再進行拉式變換，但要注意這時變量的坐标是相對于初始條件的。

傳遞函數定義：對單輸入—單輸出線性定常系統，在初始條件為零的條件下，系統輸出量的拉氏變換與輸入量的拉式變換之比，稱為系統的傳遞函數。

傳遞函數主要特點：1）隻适用于線性定常系統，隻反映系統在零初始條件下的動态性能。2）系統傳遞函數反映系統本身的動态特性，至于系統本身的參數有關，與外界輸入無關。3）對于物理可實現系統，傳遞函數分母中s的階次n必不小于分子中s的階次m。4）一個傳遞函數隻能表示一對輸入、輸出間的關系。5）傳遞函數不說明被描述的系統的物理結構，不同的物理系統隻要他們的動态特性相同，其傳遞函數相同。

傳遞函數零點和極點：A(s) = 0，稱為系統的特征方程，它的根稱為系統的特征根。當s=z1, …, zm時，G(s)=0，則稱z1, …, zm為G(s)的零點；當s=p1, …, pm時，G(s)=∞，則稱p1, …, pm為G(s)的極點。系統的穩定與否由極點性質決定。零點對系統的穩定性沒有影響，但對瞬态響應曲線的形狀有影響。

傳遞函數的典型環節：比例環節、積分環節、微分環節、慣性環節、一階微分環節、振蕩環節、二階微分環節和延時環節。

比例環節特點：輸出無滞後地按比例複現輸入。

積分環節特點：輸出量為輸入量對時間的積累，輸出幅值呈線性增長。對階躍輸入、輸出要在t=T時才能等于輸入，因此有滞後和緩沖作用。經過一段時間積累後，當輸入變為零時，輸出量不再增加，但保持該值不變，具有記憶功能。

微分環節特點：該環節在實際工程中很難構造。

慣性環節特點：這類環節一般由一個儲能元件和一個耗能元件組成。

一階微分環節特點：這類環節和微分環節一樣，實際工程中是不存在的，但它經常是和其他典型環節一起，存在于一個元件中。

振蕩環節特點：二階系統一般含有兩個儲能元件和一個耗能元件，由于兩個儲能元件之間有能量交換，從而可能使系統的輸出發生振蕩。

二階微分環節特點：與微分環節、一階微分環節一樣，二階微分環節在工程實際中難以構造，一般也是和其他典型環節組合而成為一個網絡。

延時環節特點：當環節受到輸入信号作用，經過一段時間τ後，輸出端才完全複現輸入信号。

框圖：框圖是系統中各環節的功能和信号流向的圖解表示方法。框圖的組成元素有方塊、信号線、分支點和相加點。

串聯：各環節的傳遞函數一個個順序鍊接，稱為串聯。

并聯：凡是幾個環節的輸入相同，輸出相加或相減的連接形式稱為并聯。

反饋聯接：所謂反饋，是将系統或某一環節的輸出量，全部或部分地通過傳遞函數回輸到輸入端，又重新輸入到系統中。

誤差信号：輸入與反饋信号的代數和。

誤差傳遞函數：誤差信号與輸入信号之比為誤差傳遞函數。

閉環傳遞函數：輸出信号與輸入信号之比為閉環傳遞函數。

前向傳遞函數：輸出信号與誤差信号之比為前向傳遞函數。

反饋傳遞函數：反饋信号與輸出信号之比為反饋傳遞函數。

開環傳遞函數：反饋信号與誤差信号之比為開環傳遞函數。

幹擾與輸入：在控制論中，通常把我們所不希望進入系統的那一部分輸入，或系統因果關系研究對象以外的那部分輸入，稱為幹擾；而把希望引入系統的輸入或屬于研究對象的輸入稱為“有用信号”，或簡稱“信号”。

框圖簡化過程中遵守的兩條基本規則：1）前向通道的傳遞函數保持不變。2）各反饋回路的傳遞函數保持不變。

建立系統框圖并通過框圖求傳遞函數步驟：1）确定系統的輸入與輸出。2）列寫微分方程。3）初始條件為零，對各微分方程進行拉氏變換。4）将各拉式變換式分别以框圖表示，然後連成系統，求系統總的傳遞函數。

第4章控制系統的時域分析

控制系統的時域分析：控制系統的時域分析是一種直接分析法，它根據描述系統的微分方程或傳遞函數在時間域内直接計算系統的時間響應，從而分析和确定系統的穩态性能和動态性能。

時間響應：機械工程系統在外加作用激勵下，其輸出量随時間變化的函數關系稱之為系統的時間響應。

采用典型輸入信号優點：1.數學處理簡單，而同時又能全面反映系統的穩态性能和瞬态性能。2.典型輸入信号物理可實現性好，比較容易獲得。3.便于進行系統辨識。

常用典型輸入信号：脈沖函數、階躍函數、斜坡函數和加速度函數。

瞬态響應：當系受到外加作用激勵後，從初始狀态到最後狀态的響應過程稱為瞬态響應。

穩态響應：當時間趨于無窮大時，系統的輸出狀态為穩态響應。

脈沖響應函數：當一個系統受到一個單位脈沖激勵時，它所産生的反應或響應定義為脈沖響應函數。脈沖響應函數又稱為權函數。

一階系統：能用一階微分方程描述的系統稱為一階系統。

一階系統的時間常數T是重要的特征參數，表征了系統過渡過程的品質，其值愈小，則響應愈快，即很快達到穩定值。

二階系統：用二階微分方程描述的系統。

二階系統的單位階躍響應：1）欠阻尼情況，特征根為共轭複根。2）零阻尼情況，系統有一對共轭虛根。3)臨界阻尼情況，特征根為兩相等負實根。4）過阻尼情況，特征根為不同負實根。

對于高階系統，難以得到類似二階系統時域響應的解析表達式。主要分析極點對高階系統響應的影響。

閉環主導極點：所謂閉環主導極點是指在系統的所有閉環極點中，距離虛軸最近且周圍沒有閉環零點的極點，而所有其他極點都遠離虛軸。

定義瞬态響應性能指标的條件：1）系統在單位階躍信号作用下的瞬态響應。2）初始條件為零，即在單位階躍輸入作用前，系統處于靜止狀态，輸出量及其各階倒數為零。

延遲時間td：單位階躍響應第一次達到其穩态值的50%所需的時間，稱為延遲時間。

上升時間tr：單位階躍響應第一次從穩态值的10%上升到90%（通常用于過阻尼系統），或從0上升到100%所需的時間（通常用于欠阻尼系統），稱為上升時間。

峰值時間tp：單位階躍響應超過其穩态值而達到第一個峰值所需要的時間，定義為峰值時間。

超調量Mp：單位階躍響應第一次越過穩态值而達到峰值時，對穩态值的偏差與穩态值之比的百分數，定義為超調量。

調整時間ts：單位階躍響應與穩态值之差進入允許的誤差範圍所需的時間稱為調整時間。

Mp表征了系統的相對穩定性；tr, td, tp表征了系統的靈敏性即響應的快速性；而ts作為時間指标并不能單獨反映系統的響應速度，他還體現了系統的相對穩定性。

ξ=0.7為最佳阻尼比。

閉環零點對二階系統的影響：1）零點的加入使系統超調量增大，而傷上升時間，峰值時間減小。2)當附近零點越靠近虛軸，其對系統響應的影響越大。3）當附加零點與虛軸距離很大時，其影響可以忽略。

穩态誤差表征了系統的精度及抗幹擾的能力。

系統誤差：輸入信号與反饋信号之差。

系統的誤差分為瞬态誤差和穩态誤差。

瞬态誤差：反映了輸入與輸出之間的誤差值随時間變化的函數關系。

穩态誤差：當時間趨于無窮大時，誤差的時間響應e(t)的輸出值ess。

λ=0，無積分環節，稱為0型系統。

λ=1，有一個積分環節，稱為Ⅰ型系統。

λ=2，有兩個積分環節，稱為Ⅱ型系統。

靜态位置誤差系數Kp:系統對單位階躍輸入R(s)=1/s的穩态誤差稱為位置誤差。

靜态速度誤差系數Kv:系統對單位斜坡輸入R(s)=1/s2的穩态誤差稱為速度誤差。

靜态加速度誤差系數Ka:系統對單位加速度輸入R(s)=1/s3的穩态誤差稱為加速度誤差。

系統的總誤差等于輸入信号和擾動信号分别作用時穩态誤差的代數和。

影響系統穩态誤差的因素主要為系統的類型λ，開環增益K,輸入信号R(s)和幹擾信号N(s)及系統的結構。

系統性次越高，開環增益越大，可以減小或消除系統的穩态誤差，但同時也會使系統的動态性能和穩定性降低。

靜态誤差系數Kp, Kv, Ka是表述系統穩态特性的重要參數。

第5章系統的頻率特性

頻率響應是指系統對正弦輸入的穩态響應。

系統的頻率特性：當不斷改變輸入正弦的頻率時，該幅值比和相位差随信号頻率的變化情況即稱為系統的頻率特性。

頻率特性的含義及特點：1）與時域分析不同，頻率特性分析是通過分析不同諧波輸入時系統的穩态響應來表示系統的動态特性。2）系統的頻率特性是系統脈沖響應函數g(t)的傅式變換。3)在經典控制理論範疇，頻域分析法較時域分析法簡單。它不僅可以方便地研究參數變化對系統性能的影響，而且可方便地研究系統的穩定性，并可直接在頻域中對系統進行校正和綜合，以改善系統性能。對于外部幹擾和噪聲信号，可通過頻率特性分析，在系統設計時，選擇合适的頻寬，從而有效地抑制其影響。4）對于高階系統，應用頻域分析方法則比較簡單。對于高階系統，應用時域分析方法比較困難，而應用頻域分析方法較為簡單。

頻率特性的表示方法：1）對數坐标圖或稱為伯德（Bode）圖。2）極坐标圖或稱為奈奎斯特（Nyquist）圖。3）對數幅-相圖或稱為尼柯爾斯圖。

對數坐标圖由對數幅頻圖和對數相頻圖組成。

在對數坐标中，頻率每變化一倍，稱為一倍頻程，記作oct，坐标間距為0.301個長度單位。頻率每變化10倍，稱為10倍頻程，記作dec，坐标間距為一個長度單位。

橫坐标按頻率的對數進行分度的優點：便于在較寬的頻率範圍内研究系統的頻率特性。

用對數坐标圖表示頻率特性的主要優點有：1）可以将幅值相乘轉化為幅值相加，便于繪制對個環節串聯組成的系統的對數頻率特性圖。2）可采用漸近線近似的作圖方法繪制對數幅頻圖，簡單方便，尤其是在控制系統設計、校正及系統辨識等方面，優點更為突出。3）對數分度有效地擴展了頻率範圍，尤其是低頻段的擴展，對于機械系統的頻率特性的分析是有力的。

繪制系統伯德圖的步驟：1）由傳遞函數G(s)求出頻率特性G(jw)，并将G(jw)化為若幹典型環節頻率特性相乘的形式。2）求出各典型環節的轉角頻率ωT，ωn，阻尼比ξ等參數。3）分别畫出各典型環節的幅頻曲線的漸近線和相頻曲線。4)将各環節的對數幅頻曲線的漸近線進行疊加，得到系統幅頻曲線的漸近線，并對其進行修正。5）将各環節相頻曲線疊加，得到系統的相頻曲線。

G(jw)的極坐标圖是當ω從零變化到無窮大時，表示在極坐标上的G(jw)的幅值與相角的關系圖。

最小相位系統：若系統的開環傳遞函數的所有零點和極點均在s平面的左半平面時，則該系統稱為最小相位系統。

非最小相位系統：若系統的開環傳遞函數有零點或極點在s平面的右半平面時，則該系統稱為非最小相位系統。

閉環頻域性能指标：

(1) 諧振峰值Mr和諧振頻率ωr

當ω=0的幅值為M(0)=1時，M(ω)的最大值Mr稱為諧振峰值。在諧振峰值處的頻率

ωr稱為諧振頻率。一個系統Mr的大小表征了系統相對穩定性的好壞。一般來說，Mr值越大，表明系統的阻尼小，相對穩定性差。

(2) 截止頻率ωb與頻寬

截止頻率ωb是指系統閉環頻率特性的對數幅值下降到其零頻率幅值以下3dB時的頻率。頻寬是指由0到ωb的頻率範圍。頻寬表征系統響應的快速性，也反映了系統對噪聲的濾波功能。

第6章系統的穩定性

穩定性的定義：系統在受到外界幹擾作用時，其被控制量yc(t)将偏離平衡位置，當這個幹擾作用去除後，若系統在足夠長的時間内能夠恢複到其原來的平衡狀态或趨于一個給定的新的平衡狀态，則該系統是穩定的。

判别系統穩定性的問題可歸結為對系統特征方程的根的判别，即一個系統穩定的必要和充分條件是其特征方程的所有的根都必須為實數或為具有負實部的複數。

勞斯穩定性判據：系統穩定的必要且充分的條件是，其特征方程式的全部系數符号相同，并且其勞斯數列的第一列的所有各項全部為正，否則，系統不穩定。如果勞斯數列的第一列中發生符号變化，則其符号變化的次數就是其不穩定根的數目。

胡爾維茨穩定性判據：系統穩定的必要和充分條件：1)特征方程的所有系數an，an-1，…，a0均為正。2）由特征方程系數組成的各階胡爾維茨行列式均為正。

奈奎斯特穩定性判據：一個系統穩定的必要和充分條件是z = p – N = 0，z為閉環特征方程在s右半平面的特征根數；p為開環傳遞函數在s右半平面的極點數；N為當自變量s沿包含虛軸及整個右半平面在内的極大的封閉曲線順時針轉一圈時，開環奈奎斯特圖繞（-1，j0）點逆時針轉的圈數。

相位裕量：在開環奈奎斯特圖上，從原點到奈奎斯特圖與單位圓的交點連一條直線，該直線與負實軸的夾角，就是相位裕量γ。

幅值裕量：在開環奈奎斯特圖上，奈奎斯特圖與負實軸交點處幅值的倒數稱為幅值裕量Kg。

第7章控制系統的校正與設計

系統分析：控制系統結構參數已知=>分析其穩定性、準确性、快速性。

系統設計：确定系統結構參數<=系統穩定，滿足一定的準确性和快速性要求。

系統的性能指标按類型可分為時域性能指标和頻域性能指标。

時域性能指标包括瞬态性能指标和穩态性能指标。

瞬态性能指标：延遲時間td，上升時間tr，峰值時間tp，最大超調量Mp，調整時間ts。

穩态性能指标主要由系統的穩态誤差ess來體現。

頻域性能指标：1）諧振頻率ωr與諧振幅值Mr。2）截止頻率ωb與頻寬0~ωb。3）幅值裕量Kg。4）相位裕量γ。

校正：所謂校正，就是在控制對象已知、性能指标已定的情況下，在系統中增加新的環節或改變某些參數以改變原系統性能，使其滿足所定性能指标要求的一種方法。

校正的方式：串聯校正、并聯校正、PID校正。

串聯校正：增益調整、相位超前校正、相位滞後校正、相位滞後—超前校正。

并聯校正：反饋校正、順饋校正、前饋校正。

PID校正特點：1）對被控對象的模型要求低，甚至在系統模型完全未知的情況下，也能進行校正。2)校正方便。3）适用範圍較廣。

對于大多數控制系統的性能指标，一般從兩個方面進行要求：穩态特性和動态特性。穩态特性由穩态精度或穩态誤差ess來決定，動态特性由相對穩定性指标幅值裕量Kg和相位裕量γ來決定。

反饋校正：所謂反饋校正，是從指系統某一環節的輸出中取出信号，經過校正網絡加到該環節前面某一環節的輸入端，并與那裡的輸入信号疊加，從而改變信号的變化規律，實現對系統進行校正的目的。

順饋校正與前饋校正：采用補償的方法，使作用于系統的信号除誤差以外，還引入與輸入（或擾動）有關的補償信号，來消除輸出和輸入之間的誤差，這種方法稱為順饋校正（或前饋校正）。

前饋校正特點：在幹擾引起誤差之前就對它進行近似補償，以便及時消除幹擾的影響。

PID校正器：通常是一種由運算放大器組成的器件，通過對輸出和輸入之間的誤差（或偏差）進行比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合以形成控制律，對被控對象進行校正和控制，所以稱為PID校正器。

PID校正器各環節作用：1）比例環節：成比例地反映控制系統的誤差信号，誤差一旦産生，校正器立即産生控制作用，以減少誤差。2）積分環節：主要作用是消除靜态誤差，提高系統的無差度。3）微分環節：反映誤差信号的變化趨勢（變化速率），并能在誤差信号變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信号，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。