現(xiàn)代控制工程簡(jiǎn)答題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)現(xiàn)代控制工程簡(jiǎn)答題1、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點(diǎn)。2、現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容。3、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述及意義。4、線性定常非齊次連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)（方程解）的動(dòng)態(tài)特性。參考答案：1、控制系統(tǒng)主要由具有動(dòng)態(tài)特性的被控對(duì)象系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)控制作用的控制機(jī)構(gòu)、完成數(shù)據(jù)收集的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)和信息處理的計(jì)算機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的主要特點(diǎn)為：以動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為控制對(duì)象，通過(guò)施加必要的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)狀態(tài)按照指定的規(guī)律進(jìn)行變化，達(dá)到某一特定功能；強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)過(guò)程和動(dòng)態(tài)行為的目的性、穩(wěn)

2、定性、能觀測(cè)性、可控性、最優(yōu)性以及時(shí)實(shí)性等；控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要用微分方程描述，設(shè)計(jì)方法為動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。，2、主要包括五個(gè)方面：線性系統(tǒng)理論（狀態(tài)空間描述、能控性、能觀測(cè)性和穩(wěn)定性分析，狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測(cè)器及補(bǔ)償理論和設(shè)計(jì)方法），建摸和系統(tǒng)辯識(shí)（模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)辯識(shí)方法論、參數(shù)估計(jì)理論），最優(yōu)濾波理論（卡爾曼濾波理論），最優(yōu)控制理論（經(jīng)典變分法、最大值原理法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法），自適應(yīng)控制理論（模型參考自適應(yīng)控制方法論、自校正控制方法論、魯棒穩(wěn)定自適應(yīng)理論等）。3、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述：由狀態(tài)方程和輸出方程組成的狀態(tài)空間表達(dá)式。狀態(tài)方程是一個(gè)一階微分方程組，描述系統(tǒng)輸入與系統(tǒng)狀態(tài)的變化關(guān)系，即系統(tǒng)

3、的內(nèi)部描述；輸出方程是一個(gè)代數(shù)方程，主要描述系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)輸出的關(guān)系，即系統(tǒng)的外部描述。意義：狀態(tài)空間描述反映了控制系統(tǒng)的全部信息，是對(duì)系統(tǒng)特性的全部描述，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重要手段。4、線性定常非齊次連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)（方程解）的一般形式為：動(dòng)態(tài)特性：系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)（隨時(shí)間變化過(guò)程）受兩部分作用，第一部分為系統(tǒng)初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)移作用，即系統(tǒng)的自由運(yùn)動(dòng)項(xiàng)；第二部分為控制輸入信號(hào)激勵(lì)下的受控作用，即系統(tǒng)的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)項(xiàng)。適當(dāng)選擇控制輸入，可使系統(tǒng)狀態(tài)在狀態(tài)空間中獲得滿足要求的最佳軌線。1、控制工程理論（控制科學(xué)）的基本任務(wù)及廣義定義。答：（1）基本任務(wù)是主要研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析、優(yōu)化和綜合等

4、問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（又稱為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)），抽象地說(shuō)是指能儲(chǔ)存信息（或能量）的系統(tǒng)。（2）廣義定義：定義1：研究由各種相關(guān)元素組成的系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、組織管理和控制的一般性規(guī)律的科學(xué)方法論。定義2：研究包括人在內(nèi)的生物系統(tǒng)和包括工程在內(nèi)的非生物系統(tǒng)，以及與兩者均有關(guān)聯(lián)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部通信、控制、調(diào)節(jié)、組織、平衡、穩(wěn)定、計(jì)算及其與周圍環(huán)境相互作用或反饋的、各種自然科學(xué)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)統(tǒng)一的科學(xué)方法論。2、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點(diǎn)。答：（1）控制系統(tǒng)主要由動(dòng)態(tài)被控對(duì)象系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)控制作用的控制機(jī)構(gòu)、完成數(shù)據(jù)收集的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)和信息處理的計(jì)算機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。（2）控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：以動(dòng)態(tài)系

5、統(tǒng)為控制對(duì)象，通過(guò)施加必要的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)狀態(tài)按照指定的規(guī)律進(jìn)行變化，達(dá)到某一特定功能；強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)過(guò)程和動(dòng)態(tài)行為的目的性、穩(wěn)定性、能觀測(cè)性、可控性、最優(yōu)性以及時(shí)實(shí)性等；控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型主要用微分方程描述，設(shè)計(jì)方法為動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。3、現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容。答：（1）線性系統(tǒng)理論：著重于研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性和方法，以建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的定量關(guān)系。線性系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題以及線性狀態(tài)反饋及極點(diǎn)配置、鎮(zhèn)定、解耦和狀態(tài)觀測(cè)等問(wèn)題。（2）最優(yōu)控制理論：是研究被控系統(tǒng)在給定的約束條件和性能指標(biāo)下，尋求使性能指標(biāo)達(dá)到最佳值的控制規(guī)律問(wèn)題

6、。最優(yōu)控制理論的基本內(nèi)容和常用方法是動(dòng)態(tài)規(guī)劃、最大值原理和變分法。（3）隨機(jī)系統(tǒng)理論和最優(yōu)估計(jì)：隨機(jī)系統(tǒng)理論將各種未知的、不能建模的內(nèi)外部擾動(dòng)和誤差，用不恩能夠直接測(cè)量的隨機(jī)變量及過(guò)程以概率統(tǒng)計(jì)的方式來(lái)描述，并利用隨機(jī)代數(shù)方程以及隨機(jī)差分方程作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型來(lái)刻畫系統(tǒng)的特性和本質(zhì)；最優(yōu)估計(jì)討論的是如何根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信息，估計(jì)或構(gòu)造出隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中不能直接測(cè)量的狀態(tài)變量的值。（4）系統(tǒng)辨識(shí)：是利用系統(tǒng)在試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行中測(cè)得的輸入輸出數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法歸納構(gòu)造描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，并估計(jì)其參數(shù)的理論和方法。系統(tǒng)辨識(shí)包括兩個(gè)方面：結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)。系統(tǒng)辨識(shí)是最重要的試驗(yàn)建模方法，也是控

7、制理論實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。（5）自適應(yīng)控制：研究當(dāng)被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型未知或者被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)隨時(shí)間和環(huán)境變化而變化時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)在線修正控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)使其能主動(dòng)適應(yīng)變化的理論和方法。自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過(guò)不斷的測(cè)量系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù)，逐漸了解和掌握對(duì)象，然后根據(jù)所得的信息按一定的設(shè)計(jì)方法做出決策，去更新控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以適應(yīng)環(huán)境的變化，達(dá)到所要求的控制性能指標(biāo)。主要類型包括自校正控制系統(tǒng)、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)、自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等。（6）非線性系統(tǒng)理論：主要有以下幾種方法李雅普諾夫方法是迄今為止最完善、最一般化的非線性方法，但是在分析穩(wěn)定性或鎮(zhèn)定綜合時(shí)都欠缺構(gòu)

8、造性；變結(jié)構(gòu)控制，由于其滑動(dòng)模型（Sliding-Mode）具有對(duì)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)攝動(dòng)的不變性，到20世紀(jì)80年代受到研究者的重視，是一種實(shí)用的非線性控制的綜合方法；微分幾何法，是非線性控制系統(tǒng)研究的主流，為非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、分解以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的控制設(shè)計(jì)帶來(lái)極大方便。缺點(diǎn)表現(xiàn)在它的復(fù)雜性、無(wú)層次性、準(zhǔn)線性控制以及空間測(cè)度被破壞等方面。（7）魯棒性分析與魯棒控制：系統(tǒng)的魯棒性是指所關(guān)注的系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的不確定性（如系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)的內(nèi)部和外部擾動(dòng)）的不敏感性。魯棒性分析討論的是各種控制系統(tǒng)對(duì)所關(guān)注的性能指標(biāo)的魯棒性，給出系統(tǒng)能保持該性能指標(biāo)的最大容許建模誤差和內(nèi)、外部擾動(dòng)的上確界

9、。對(duì)各種不確定性，魯棒控制主要研究的是設(shè)計(jì)有魯棒性的控制理論和方法。如何有效利用過(guò)程信息來(lái)降低系統(tǒng)的不確定性，是魯棒控制研究的重要內(nèi)容。（8）分布參數(shù)控制：分布參數(shù)系統(tǒng)是無(wú)窮維系統(tǒng)，一般由偏微分方程、積分方程、泛函數(shù)微分方程或抽象空間中的微分方程描述。主要特點(diǎn)是，真正實(shí)現(xiàn)了分散控制；具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性；較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信能力；有好而豐富的人機(jī)界面以及極高的可靠性。（9）離散事件控制：如果系統(tǒng)的狀態(tài)隨離散事件發(fā)生而瞬間改變，不能用通常的微分方程描述的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)表示，一般稱這類系統(tǒng)為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DEDS）。目前發(fā)展了多種處理離散事件系統(tǒng)的方法和模型，如有限狀態(tài)馬爾科夫鏈，Petri

10、網(wǎng)、排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)機(jī)理論、擾動(dòng)分析法、極大代數(shù)法等，其理論已經(jīng)應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等。（10）智能控制：智能控制研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對(duì)象，同時(shí)也包含控制器本身?？刂破鞑辉偈菃我坏臄?shù)學(xué)模型，而是數(shù)學(xué)解析和知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，是多種知識(shí)混合的控制系統(tǒng)。主要目標(biāo)是使控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。主要研究分支有：模糊邏輯控制、模糊預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于知識(shí)的分層控制設(shè)計(jì)。4、控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述模型及意義。答：（1）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型由描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性行為的狀態(tài)方程和描述系統(tǒng)輸出變量與狀態(tài)變量間變換關(guān)系的輸出方程組成。（2）意義：狀態(tài)空間描述反映了控制系

11、統(tǒng)的全部信息，是對(duì)系統(tǒng)特性的全部描述，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的重要數(shù)學(xué)模型。5 ，現(xiàn)代控制與經(jīng)典控制的區(qū)別答：經(jīng)典控制理論：（1）以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)；（2）建立在某種近似的和試探的基礎(chǔ)上；（3）控制對(duì)象一般是單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)；（4）分析方法有頻率特性分析法、根軌跡分析法、描述函數(shù)法、相平面法、波波夫法等；（5）控制策略僅限于反饋控制、PID控制等?，F(xiàn)代控制理論：（1）數(shù)學(xué)模型是狀態(tài)方程；（2）控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是精確的（3）控制對(duì)象可以是單輸入單輸出、多輸入多輸出、線性定常、非線性時(shí)變、連續(xù)控制系統(tǒng)、離散和數(shù)字控制系統(tǒng)；（4）控制策略有極點(diǎn)配置、狀態(tài)反饋、輸出反饋等；（5）可以

12、得到最優(yōu)控制。6 ，建模采用哪三種方法答：（1）一階微分方程組（一階差分方程組）；（2）向量-矩陣形式的狀態(tài)方程；（3）狀態(tài)空間描述框圖。7 ，穩(wěn)定性的分類答：（1）李亞普諾夫意義下的穩(wěn)定性；（2）漸近穩(wěn)定性；（3）大范圍漸近穩(wěn)定性；（4）不穩(wěn)定。8.請(qǐng)簡(jiǎn)述反饋的定義，并按是否有反饋將控制系統(tǒng)分類。答：所謂反饋，即把一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)直接或通過(guò)中間變換以后全部或者部分返回輸入到系統(tǒng)中的控制方式。（6分）按照系統(tǒng)是否具有反饋，可將系統(tǒng)分為兩類：（1）開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；（2分）（2）閉環(huán)系統(tǒng)。（2分）9.請(qǐng)寫出控制系統(tǒng)的基本要求，并簡(jiǎn)要概括各要求的含義。答：控制系統(tǒng)的基本要求包括穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。（

13、4分）穩(wěn)定性：系統(tǒng)受到干擾時(shí)，能在干擾撤銷后恢復(fù)到平衡位置的能力。(2分)準(zhǔn)確性：系統(tǒng)能準(zhǔn)確達(dá)到要求輸出的能力。（2分）快速性：系統(tǒng)以盡可能短的時(shí)間達(dá)到要求輸出的能力。（2分）10.請(qǐng)簡(jiǎn)述描述相對(duì)穩(wěn)定性的兩個(gè)指標(biāo)的定義。答：相當(dāng)穩(wěn)定性由兩個(gè)指標(biāo)具體評(píng)價(jià)：相位裕量和幅值裕量。相位裕量：在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的極坐標(biāo)圖中，剪切頻率所對(duì)應(yīng)的相位角與-180間的差值。（5分）幅值裕量：在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的極坐標(biāo)圖中，函數(shù)軌跡與負(fù)實(shí)軸交點(diǎn)處幅值的倒數(shù)，稱為幅值裕量。（5分）11.自動(dòng)控制有幾種控制方式，各有什么特點(diǎn)；12.給出典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖，并說(shuō)明其中環(huán)節(jié)的作用；13.闡述對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，并

14、加以詳細(xì)說(shuō)明參考答案：11.自動(dòng)控制有三種控制方式：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，缺點(diǎn)是沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，其精度取決于預(yù)先設(shè)定的輸入與輸出之間的關(guān)系，精度不易保證，且抗干擾能力差；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是有反饋環(huán)節(jié)，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴。復(fù)合控制是開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的綜合。12.典型反饋控制系統(tǒng)的方塊圖如教材圖1-7所示。典型的反饋控制系統(tǒng)主要包括給定元件、比較元件、執(zhí)行元件、反饋元件（測(cè)量元件）和控制對(duì)象。給定元件用于產(chǎn)生作為輸入的給定信號(hào)，起到信號(hào)源的作用；比較元件用來(lái)比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，求出它們之間的偏差；執(zhí)行元件直接對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行操作，使其被控量發(fā)生變化；反饋元件也稱測(cè)量元件，用來(lái)檢測(cè)被控制的物理量；控制對(duì)象是控制系統(tǒng)要控制的對(duì)象。除此之外，常見(jiàn)的反饋控制系統(tǒng)還有放大元件和校正元件，其中放大元件將比較元件給出的偏差信號(hào)進(jìn)行放大，用來(lái)推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象，校正元件也叫補(bǔ)償元件，是結(jié)構(gòu)和參數(shù)便于調(diào)整的元部件，用來(lái)改善系統(tǒng)的性能。13.對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求是穩(wěn)定、準(zhǔn)確和快速。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的首要條件，一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其被控量偏離期望值的誤差應(yīng)該隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐