机械工程控制基础 答案

《机械工程控制基础 答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程控制基础 答案（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.1 工程控制理论的研究对象和任务是什么？ 答：机械工程控制论的研究对象及任务：工程控制论实质是研究工程技术中广义系统的 动力学问题。具体说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件作用下，从系统 的一定初始条件出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程；研究这一系统 及其输入、输出三者之间的关系。1.2 组成典型闭环控制系统的主要环节有哪些？它们各起到什么作用？ 答：典型闭环控制系统的主要环节： 给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环节、执行环节。作用：给定环节：给出与系统输出量希望值相对应的系统输入量。 测量环节：测量系统输出量的实际值，并把输出量的量纲转化与输入量相

2、同。 比较环节：比较系统的输入量和反馈信号，并给出两者之间的偏差。放大环节：对微弱的偏差信号进行放大和变换，使之具有足够的幅值和功率，以适应执 行元件动作的要求。执行环节：根据放大后的偏差信号产生控制、动作，操作系统的 输出量，使之按照输 入量的变化规律而变化。1.3 自动控制系统按照输出变化规律如何分类？按照反馈规律分为哪几类 答：按输出变化规律分类：自动调节环节、随动系统、程序控制系统。 按反馈情况分类：开环系统、闭环系统、半闭环系统。1.4 什么是反馈控制？日常生活种有许多闭环和开环系统，请举例说明。 答：反馈控制是将系统的输出信号通过一定的检测元件变送返回到系统的输入端，并和 系统的输

3、入信号进行比较的过程。举例：开环系统：洗衣机、电烤箱、交通红绿灯和简易数控机床。 闭环系统：数控机床的进给系统。1.5 分析比较开环系统与闭环系统的特征、优缺点和应用场合的不同之处。答：开环系统：信号单向传递；系统输出量对输入没有影响的系统。特征 ：作用信号单向传递。 优点：简单、调整方便、成本低、不会震荡。系统总能稳定工作。 缺点：开环控制系统精度不高，抗干扰能力差。场合：在一些对控制精度要求不高、扰动作用不大的场合。 闭环系统：信号形成闭环回路；系统末端输出量对输入有影响的系统。特征 ：作用信号按闭环传递优点：闭环控制系统精度高 缺点：系统元件大、成本高、功率大、调试工作量大，应产生震荡。

4、 场合：对控制精度要求较高的场合。1.6 对控制系统的基本要求是什么？答：对控制系统的基本要求是：系统的稳定性 响应的快速性 响应的准确性3-1 思考以下问题：（1）传递函数的定义和特点？答：传递函数的定义：线性定常系统的传递函数可定义为：当系统的初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。传递函数的特点：1）传递函数只能用于描述线性定常系统。 2）在零时刻之前系统对所给定的平衡工作点是处于相对静止状态的。 3）传递函数中各项系数完全取决于系统的结构参数，且与微分方程中各项系数对应相 等。4）传递函数不说明所描述系统的物理结构，不同的物理系统，只要它们的动态特性相 同，就可以用

5、同一传递函数来表示。5）传递函数只描述系统或环节的外部输入、输出特性，而不能反映其内部所有的信息 6）传递函数分母中的阶数必不小于分子中的阶数。7）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。 （2）典型环节有哪些？它们的时域和复域数学模型表达式是什么？ 答：典型环节：比例环节 x (t) = Kx (t)oiX (s)G (s) = o = KX (s)i一阶惯性环节 T 叫+ x (t) = Kx (t)dt oiKTs + 1微分环节x (t) = Kx (t)oiX (s)G (s) = o = TsX (s)i积分换节 x (t) = f x (t )d to T iG(s)=X (s)1o

6、=X ( s )Tsi振荡环节1G (s)=T 2 s 2 + 生 Ts + 1延时环节 x （t） = x （t - t ）G （s） = e-心oi（3）串联、并联及反馈传递函数方框图如何简化？答：串联环节传递函数等于各串联环节的传递函数之积。Ao($)(a)(b)并联环节传递函数等于各并联环节的传递函数之和。(a)(b) 反馈连接时，系统的闭环传递函数等于前向通道传递函数除以 1 加或减前向通道传递函 数与反馈回路传递函数的乘积。(b(a)(4)梅逊公式的应用条件是什么？ 答：整个方框图只有一个前向通道；各局部反馈回路间存在公共的传递函数框。(5)状态空间基本概念是什么？ 答：状态空间基

7、本概念包括：状态变量、状态向量、状态空间、状态方程、输出方程。3-2 列出系统的微分方程(a) cx (t) + kx (t) = kx (t)ooi(d) m x (t) + cx (t) + kx (t) = kx (t)oooi3-3求电气网络中输入量和输出量之间的微分方程式，图中u为输入电压，u为输出io电压。解：u = i R + ui11o微分方程： u =丄J idt + iR第三个式子少括号o C22i R =J i - i dt1 1 C11C C R R u + (C R + C R + C R ) U + u 化为 1 2 1 2 o 1 12 12 2 o o=C C

8、R R u + (C R + C R ) u + u 1212 i1122 i i3-7 运用方框图简化法则，求系统的传递函数。解：X (s)G G G Go=1234X (s)1 + GGH - GGH + GGGH - GGGGHi3442311232123433-8分别求闭环系统以R(s)、N(s)为输入，以C(s八B(s)、E(s八Y(s)为输出的 传递函数。解：(1)以R (s)为输入C (s)G(s)G_(s)= 1 2 .R (s) G (s) G (s) H (s) + 112Y (s)G (s)lR (s)1G (s) G (s) H (s) + 1 12B (s)G (s)

9、 G (s) H (s)1 2R(s)G (s) G (s) H (s) + 1 12E (s)1R (s) G (s) G (s) H (s) + 112(2)以N (s)为输入C (s)G (s)=2N (s) G (s) G (s) H (s) + 112Y (s)G (s) G (s) H (s)N(s)G 1(s)G2(s)H (s) + 1B (s)G (s) H (s)=2 N (s) G (s) G (s) H (s) + 112E (s)G (s) H (s)= 2N(s)G 1(s)G2(s)H (s) + 14-1什么是系统的时间响应？ 答：控制系统在输入信号的作用下，输

10、出量随时间变化的函数关系称为系统的时间响应。4-2 什么是动态性能指标？动态性能指标有哪些？ 答：系统动态性能是以系统阶跃响应为基础来衡量的。描述稳定的系统在单位阶跃函数作 用下，动态过程随时间 t 的变化情况的指标，称为动态性能指标。动态性能指标：上升时间t、峰值时间t、超调量M、调整时间t、和振荡次数N。r p p s4-3 什么是误差？什么是稳态误差？如何计算稳态误差。 答：误差按照定义方式的不同分为输出端定义的误差和输入端定义的误差两种。稳态误差 是指系统进入稳态之后的误差。为了计算稳态误差，可首先求出系统的误差信号的Laplace变换式E(s)，再用终值定 理求解。4-4 系统时间常

11、数的改变，对系统的动态性能和稳定性有何影响？答：时间常数 T 确实反映了一阶系统固有的特性，其值越小，系统的惯性就越小，系统的响应速度也就越快；时间常数 T 越大，系统的惯性就越大，系统的动态时间越长，进入 稳态越慢。4-8设单位反馈系统的开环传递函数为G(s)二4，求这个系统的单位阶跃响应。s (s + 5)解：闭环传递函数为：4s2 +5s+ 4411=( - )3 s+1s+4拉氏变换式为：1 1 )- s+4 s431 111 + 34s s + 14s+4o4(s) = G (s) Xi( s)=( i31s+1贝I：x (t) = L-1X (s) = 1 - 4e-t + -e-

12、4to o 3 34-9设单位反馈控制系统的开环传递函数为G ( s)=,试求系统单位阶跃响应的 s(s +1)上升时间t、峰值时间t、超调量M 和调整时间t。 r p p s解：闭环传递函数为：G B( s )=G (s)1 + G(s)1s2 + s +1贝超调量：峰值时间：上升时间：冗！ = 2.418 s ,这里得计算0是怎么计算卩V1 - g 2g调整时间：=0.05 )。或者是调整时间： tA = 0 .02 )。由传递函数可以计算系统的固有频率：w n = 1，阻尼比为g= 0.5,M = e- ig2 x 100 % = 16.3% , p=3.628 sw v1 - g 2n

13、第六章作业6- 1 什么叫频率响应、幅频特性、相频特性、实频特性和虚频特性？ 答：线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率响应。线性系统在谐波输入作用下，频率响应与输入信号的幅值之比是输入信号的频率的 函数，称为系统的幅频特性。频率响应与输入信号的相位之差9 ()也是的函数，称为系统的相频特性。G(j) = Re G(j) + Im G (j) = u(ro) + jv(ro)式中，频率特性的实部 u(w )称为 实部特性；频率特性的虚部v( )称为虚频特性。6-2试述绘制系统的Nyquist图和Bode图的一般方法和步骤。答：Nyquist 图：(1)由G(j)求出其实频特性Re(G(j)，

14、虚频特性Im(G(j)，幅频特性，G(j)1相 频特性Z G (j )的表达式。(2 )求G(j)的起始点(w = 0)、终点( 八实频特性Re Ig (j)、虚频特性 Im (j )和幅频特性G (j )|、相频特性Z G (j )的表达式，绘制Nyquist图的起止点。(3) 求出若干特征点，如与实轴的交点，即Img(j)= 0的点；与虚轴的交点，即Re ts(j)= 0的点，等等，并标注在Nyquist图上。(4) 当 = s时，nm 若, Nyquist图以顺时针方向收敛于原点，即幅值为零，相位角与 分母和分子的阶次之差有关，即ZG(j )| = -(n - m) x 90 ，也是Nyquist曲线跨过的像0-s 限个数。高频区域内的 Nyquist 图如图 6-14 所示。(5) 当G(s)含有零点时，其频率特性G(j)的相位将不随增大单调减小，Nyquist图会 产生“变形”或“弯曲”，具体画法与G(j)各环节的时间常数有关。(6) 根据 G(j)1、ZG (j)和 Re( G(j)、Im( G(j)的变化趋势，以及 G(j)所处 的象限，做出 Nyquist 曲线的大致图形。Bo