现代控制工程简答题

现代控制工程简答题1、控制系统的基本构成及特点。2、现代控制理论的主要内容。3、控制系统的状态空间描述及意义。4、线性定常非齐次连续系统状态（方程解）的动态特性。参考答案：1、控制系统主要由具有动态特性的被控对象系统、实现控制作用的控制机构、完成数据收集的检测机构，以及实现性能指标评价和信息处理的计算机构等部分构成。控制系统的主要特点为：以动态系统为控制对象，通过施加必要的操作，实现对象系统状态按照指定的规律进行变化，达到某一特定功能；强调动态过程和动态行为的目的性、稳定性、能观测性、可控性、最优性以及时实性等；控制系统的数学模型主要用微分方程描述，设计方法为动态优化方法。，2、主要包括五个方面：①线性系统理论（状态空间描述、能控性、能观测性和稳定性分析，状态反馈、状态观测器及补偿理论和设计方法），②建摸和系统辩识（模型结构及参数辩识方法论、参数估计理论），③最优滤波理论（卡尔曼滤波理论），④最优控制理论（经典变分法、最大值原理法、动态规划法），⑤自适应控制理论（模型参考自适应控制方法论、自校正控制方法论、鲁棒稳定自适应理论等）。3、控制系统的状态空间描述：由状态方程和输出方程组成的状态空间表达式。状态方程是一个一阶微分方程组，描述系统输入与系统状态的变化关系，即系统的内部描述；输出方程是一个代数方程，主要描述系统状态与系统输出的关系，即系统的外部描述。意义：状态空间描述反映了控制系统的全部信息，是对系统特性的全部描述，是实现现代控制系统分析、设计的重要手段。4、线性定常非齐次连续系统状态（方程解）的一般形式为：动态特性：系统状态的动态运动（随时间变化过程）受两部分作用，第一部分为系统初始状态的转移作用，即系统的自由运动项；第二部分为控制输入信号激励下的受控作用，即系统的强迫运动项。适当选择控制输入，可使系统状态在状态空间中获得满足要求的最佳轨线。1、控制工程理论（控制科学）的基本任务及广义定义。答：（1）基本任务是主要研究动态系统的系统分析、优化和综合等问题。所谓动态系统（又称为动力学系统），抽象地说是指能储存信息（或能量）的系统。（2）广义定义：定义1：研究由各种相关元素组成的系统的调节、组织管理和控制的一般性规律的科学方法论。定义2：研究包括人在内的生物系统和包括工程在内的非生物系统，以及与两者均有关联的社会经济系统的内部通信、控制、调节、组织、平衡、稳定、计算及其与周围环境相互作用或反馈的、各种自然科学和社会经济学统一的科学方法论。2、控制系统的基本构成及特点。答：（1）控制系统主要由动态被控对象系统、实现控制作用的控制机构、完成数据收集的检测机构，以及实现性能指标评价和信息处理的计算机构等部分构成。（2）控制系统的主要特点为：以动态系统为控制对象，通过施加必要的操作，实现对象系统状态按照指定的规律进行变化，达到某一特定功能；强调动态过程和动态行为的目的性、稳定性、能观测性、可控性、最优性以及时实性等；控制系统的数学模型主要用微分方程描述，设计方法为动态优化方法。3、现代控制理论的主要内容。答：（1）线性系统理论：着重于研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性和方法，以建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的定量关系。线性系统理论的主要内容有系统的结构性问题以及线性状态反馈及极点配置、镇定、解耦和状态观测等问题。（2）最优控制理论：是研究被控系统在给定的约束条件和性能指标下，寻求使性能指标达到最佳值的控制规律问题。最优控制理论的基本内容和常用方法是动态规划、最大值原理和变分法。（3）随机系统理论和最优估计：随机系统理论将各种未知的、不能建模的内外部扰动和误差，用不恩能够直接测量的随机变量及过程以概率统计的方式来描述，并利用随机代数方程以及随机差分方程作为系统动态模型来刻画系统的特性和本质；最优估计讨论的是如何根据系统的输入、输出信息，估计或构造出随机动态系统中不能直接测量的状态变量的值。（4）系统辨识：是利用系统在试验或实际运行中测得的输入输出数据，运用数学方法归纳构造描述系统动态特性的数学模型，并估计其参数的理论和方法。系统辨识包括两个方面：结构辨识和参数估计。系统辨识是最重要的试验建模方法，也是控制理论实现和应用的基础。（5）自适应控制：研究当被控系统的数学模型未知或者被控系统的结构和参数随时间和环境变化而变化时，通过实时在线修正控制系统的结构或参数使其能主动适应变化的理论和方法。自适应控制系统通过不断的测量系统的输入、状态、输出或性能参数，逐渐了解和掌握对象，然后根据所得的信息按一定的设计方法做出决策，去更新控制器的结构和参数，以适应环境的变化，达到所要求的控制性能指标。主要类型包括自校正控制系统、模型参考自适应控制系统、自寻最优控制系统、学习控制系统等。（6）非线性系统理论：主要有以下几种方法①李雅普诺夫方法是迄今为止最完善、最一般化的非线性方法，但是在分析稳定性或镇定综合时都欠缺构造性；②变结构控制，由于其滑动模型（Sliding-Mode）具有对外界扰动和系统结构摄动的不变性，到20世纪80年代受到研究者的重视，是一种实用的非线性控制的综合方法；③微分几何法，是非线性控制系统研究的主流，为非线性系统的结构分析、分解以及与结构有关的控制设计带来极大方便。缺点表现在它的复杂性、无层次性、准线性控制以及空间测度被破坏等方面。（7）鲁棒性分析与鲁棒控制：系统的鲁棒性是指所关注的系统性能指标对系统的不确定性（如系统的未建模动态、系统的内部和外部扰动）的不敏感性。鲁棒性分析讨论的是各种控制系统对所关注的性能指标的鲁棒性，给出系统能保持该性能指标的最大容许建模误差和内、外部扰动的上确界。对各种不确定性，鲁棒控制主要研究的是设计有鲁棒性的控制理论和方法。如何有效利用过程信息来降低系统的不确定性，是鲁棒控制研究的重要内容。（8）分布参数控制：分布参数系统是无穷维系统，一般由偏微分方程、积分方程、泛函数微分方程或抽象空间中的微分方程描述。主要特点是，真正实现了分散控制；具有高度的灵活性和可扩展性；较强的数据通信能力；有好而丰富的人机界面以及极高的可靠性。（9）离散事件控制：如果系统的状态随离散事件发生而瞬间改变，不能用通常的微分方程描述的动力学模型来表示，一般称这类系统为离散事件动态系统（简称DEDS）。目前发展了多种处理离散事件系统的方法和模型，如有限状态马尔科夫链，Petri网、排队网络、自动机理论、扰动分析法、极大代数法等，其理论已经应用于柔性制造系统、计算机通信系统、交通系统等。（10）智能控制：智能控制研究的主要目标不仅仅是被控对象，同时也包含控制器本身。控制器不再是单一的数学模型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型，是多种知识混合的控制系统。主要目标是使控制系统具有学习和适应能力。主要研究分支有：模糊逻辑控制、模糊预测控制、神经网络控制和基于知识的分层控制设计。4、控制系统的状态空间描述模型及意义。答：（1）控制系统的状态空间模型由描述系统的动态特性行为的状态方程和描述系统输出变量与状态变量间变换关系的输出方程组成。（2）意义：状态空间描述反映了控制系统的全部信息，是对系统特性的全部描述，是实现现代控制系统分析、设计的重要数学模型。5，现代控制与经典控制的区别答：经典控制理论：（1）以传递函数为基础；（2）建立在某种近似的和试探的基础上；（3）控制对象一般是单输入单输出、线性定常系统；（4）分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等；（5）控制策略仅限于反馈控制、PID控制等。现代控制理论：（1）数学模型是状态方程；（2）控制系统的分析与设计是精确的（3）控制对象可以是单输入单输出、多输入多输出、线性定常、非线性时变、连续控制系统、离散和数字控制系统；（4）控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等；（5）可以得到最优控制。6，建模采用哪三种方法答：（1）一阶微分方程组（一阶差分方程组）；（2）向量-矩阵形式的状态方程；（3）状态空间描述框图。7，稳定性的分类答：（1）李亚普诺夫意义下的稳定性；（2）渐近稳定性；（3）大范围渐近稳定性；（4）不稳定。8.请简述反馈的定义，并按是否有反馈将控制系统分类。答：所谓反馈，即把一个系统的输出信号直接或通过中间变换以后全部或者部分返回输入到系统中的控制方式。（6分）按照系统是否具有反馈，可将系统分为两类：（1）开环系统；（2分）（2）闭环系统。（2分）9.请写出控制系统的基本要求，并简要概括各要求的含义。答：控制系统的基本要求包括稳定性、准确性和快速性。（4分）稳定性：系统受到干扰时，能在干扰撤销后恢复到平衡位置的能力。(2分)准确性：系统能准确达到要求输出的能力。（2分）快速性：系统以尽可能短的时间达到要求输出的能力。（2分）10.请简述描述相对稳定性的两个指标的定义。答：相当稳定性由两个指标具体评价：相位裕量和幅值裕量。相位裕量：在系统开环传递函数的极坐标图中，剪切频率所对应的相位角与-180°间的差值。（5分）幅值裕量：在系统开环传递函数的极坐标图中，函数轨迹与负实轴交点处幅值的倒数，称为幅值裕量。（5分）11.自动控制有几种控制方式，各有什么特点；12.给出典型反馈控制系统的方块图，并说明其中环节的作用；13.阐述对控制系统的基本要求，并加以详细说明参考答案：11.自动控制有三种控制方式：开环控制、闭环控制和复合控制。开环控制的优点是结构简单、价格便宜，不存在稳定性问题，缺点是没有反馈环节，其精度取决于预先设定的输入与输出之间的关系，精度不易保证，且抗干扰能力差；闭环控制的优点是有反馈环节，精度高，抗干扰能力强，缺点是结构复杂、价格较贵。复合控制是开环控制和闭环控制的综合。12.典型反馈控制系统的方块图如教材图1-7所示。典型的反馈控制系统主要包括给定元件、比较元件、执行元件、反馈元件（测量元件）和控制对象。给定元件用于产生作为输入的给定信号，起到信号源的作用；比较元件用来比较输入信号和反馈信号，求出它们之间的偏差；执行元件直接对控制对象进行操作，使其被控量发生变化；反馈元件也称测量元件，用来检测被控制的物理量；控制对象是控制系统要控制的对象。除此之外，常见的反馈控制系统还有放大元件和校正元件，其中放大元件将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象，校正元件也叫补偿元件，是结构和参数便于调整的元部件，用来改善系统的性能。13.对控制系统的基本要求是稳定、准确和快速。稳定性是保证控制系统正常工作的首要条件，一个稳定的控制系统，其被控量偏离期望值的误差应该随着时间的增长而逐渐减小或趋于零，稳定性是由系统结构本身所决定的，与外界因素无关。准确性是指过渡过程完成后，被控量与期望值之间的误差，称为稳态误差，是衡量控制系统精度的重要指标。快速性是指当控制系统的输出量与期望值之间出现偏差时，系统能够消除偏差的快速程度。不同的控制系统，对稳定、快速和准确的要求是不同的，如随动控制系统对快速性要求较高，而窑炉温度控制系统对准确性要求较高。在同一个控制系统中，稳定、快速和准确有时也是相互矛盾的，如快速性好，有可能会超调较大甚至引起振荡破坏稳定性。