控制工程基础答案

### 控制工程基础知识点解析 #### 一、基础知识概述 **控制**：指的是通过人工或者自动化设备对某个对象进行操作，使其按照预期的目的行动。控制是实现自动化和智能化的基础。 **输入信号**：指的是人为设定的目标值或者指令，通常称为给定量。 **输出信号**：是指控制系统最终产生的结果，它反映了被控制对象的状态或行为。 **反馈信号**：从系统的输出端或其他中间环节获取的信息，这些信息会被送回到系统的输入端或中间环节，以便于调整控制过程。反馈信号可以分为直接反馈和经过变换后的反馈。 **偏差信号**：指比较元件输出的结果，它是输入信号与反馈信号之间的差异。 **误差信号**：指输出信号的理想值与实际值之间的差距。 **扰动信号**：指系统内部或外部产生的干扰信号，这些信号可能会干扰系统的正常运行，导致输出偏离预期。 #### 二、控制方式 - **开环控制**：在开环控制系统中，输出不会影响系统的控制过程。这类系统结构简单，成本较低，但对外界干扰敏感，控制精度不高。 - **闭环控制**：闭环控制系统通过反馈机制来调整控制过程，提高系统的准确性和稳定性。相较于开环控制，闭环控制更加复杂，但也更为精确。 #### 三、反馈控制系统的组成 - **给定元件**：负责提供输入信号，通常是目标值或期望值。 - **测量元件**：用于检测系统的实际输出状态，通常位于反馈回路中。 - **比较元件**：将测量元件得到的实际值与给定元件提供的期望值进行对比，计算偏差。 - **放大元件**：对比较元件输出的偏差信号进行放大处理，为执行元件提供足够的动力。 - **执行元件**：直接作用于被控制对象，改变其状态以达到期望的输出。 - **校正元件**：也称为补偿元件，用于优化系统的性能，可以通过调整参数来改善控制效果。 #### 四、控制系统的分类 1. **按给定信号的特征分类**： - 恒值控制系统：目标值固定不变。 - 随动控制系统：目标值随时间变化。 - 程序控制系统：按照预设程序改变目标值。 2. **按系统的数学描述分类**： - 线性系统：系统的行为可以用线性方程来描述。 - 非线性系统：系统的行为不能简单地用线性方程来表示。 3. **按系统传递信号的性质分类**： - 连续系统：信号随时间连续变化。 - 离散系统：信号以离散的形式出现。 4. **按系统的输入与输出信号的数量分类**： - 单输入单输出系统（SISO）：只有一个输入和一个输出。 - 多输入多输出系统（MIMO）：有多个输入和多个输出。 5. **按微分方程的性质分类**： - 集中参数系统：系统特性仅由有限个参数决定。 - 分布参数系统：系统特性由空间分布的参数决定。 #### 五、控制系统性能要求 1. **稳定性**：系统能够抵抗干扰并恢复到稳定状态的能力，是所有控制系统最基本的要求。 2. **快速性**：指系统达到稳定状态的速度，通常希望系统能够尽快地达到稳定状态。 3. **准确性**：指系统稳定后，其输出与目标值之间的偏差大小。准确性越高，偏差越小。 #### 六、例题解析 1. **开环与闭环控制系统比较**： - 开环控制的优点在于结构简单、成本低，但其主要缺点是精度不高，且对外界干扰敏感。 - 闭环控制虽然结构较为复杂，但通过反馈机制能显著提高系统的稳定性和准确性。 2. **负反馈的工作原理**： - 负反馈的工作原理是通过测量元件检测实际输出，并将其反馈至系统中，与给定信号进行比较，产生偏差信号。随后通过放大元件放大偏差信号，驱动执行元件进行控制，以减小偏差。 3. **控制系统基本组成元件的功能**： - 给定元件提供目标值。 - 测量元件检测实际输出。 - 比较元件计算偏差。 - 放大元件放大偏差信号。 - 执行元件根据偏差信号调整输出。 - 校正元件优化系统性能。 4. **自动控制系统基本性能要求**： - 基本要求包括稳定性、快速性和准确性。 - 最首要的要求是稳定性，因为只有稳定的系统才能正常工作。 5. **闭环与开环控制系统实例**： - 开环控制实例：传统洗衣机按预设程序进行操作，无需检测衣物清洁程度。 - 闭环控制实例：数控机床通过检测工作台的实际位置，并与目标位置进行比较，调整驱动信号以达到精确的位置控制。 控制工程基础涵盖了控制理论的基本概念、控制方式、控制系统组成以及分类等多个方面，对于理解自动化控制系统的运作机制至关重要。通过掌握这些基础知识，可以更好地设计和优化控制系统，提高其性能和效率。