《機械控制工程基礎》作業(yè)集(高起專).doc
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《機械控制工程基礎》作業(yè)集(高起專).doc
《機械控制工程基礎》
作業(yè)集
層 次:高起專
授課教師:王軍平
時間:2014年3月31日
《機械控制工程基礎》
目 錄
第一章 緒論
第二章 拉普拉斯變換的數學方法
第三章 系統的數學模型
第四章 控制系統的時域分析
第五章 系統的頻率特性
第六章 系統的穩(wěn)定性
第一章 緒論
本章重點:
1. 控制系統的組成及基本要求;
本章難點
分析系統的控制原理。
題型-分析及問答題
1、根據下圖所示的電動機速度控制系統工作原理圖,完成:
(1) 將a,b與c,d用線連接成負反饋狀態(tài);
(2) 畫出系統方框圖。
2、 下圖是倉庫大門自動控制系統原理示意圖。試說明系統自動控制大門開、閉的工作原理,并畫出系統方框圖。
3、下圖為工業(yè)爐溫自動控制系統的工作原理圖。分析系統的工作原理,指出被控對象、被控量和給定量,畫出系統方框圖。
4、下圖是控制導彈發(fā)射架方位的電位器式隨動系統原理圖。圖中電位器、并聯后跨接到同一電源的兩端,其滑臂分別與輸入軸和輸出軸相聯結,組成方位角的給定元件和測量反饋元件。輸入軸由手輪操縱;輸出軸則由直流電動機經減速后帶動,電動機采用電樞控制的方式工作。
試分析系統的工作原理,指出系統的被控對象、被控量和給定量,畫出系統的方框圖。
5、采用離心調速器的蒸汽機轉速控制系統如下圖所示。其工作原理是:當蒸汽機帶動負載轉動的同時,通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉。飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下滑動,套筒內裝有平衡彈簧,套筒上下滑動時可撥動杠桿,杠桿另一端通過連桿調節(jié)供汽閥門的開度。在蒸汽機正常運行時,飛錘旋轉所產生的離心力與彈簧的反彈力相平衡,套筒保持某個高度,使閥門處于一個平衡位置。如果由于負載增大使蒸汽機轉速下降,則飛錘因離心力減小而使套筒向下滑動,并通過杠桿增大供汽閥門的開度,從而使蒸汽機的轉速回升。同理,如果由于負載減小使蒸汽機的轉速增加,則飛錘因離心力增加而使套筒上滑,并通過杠桿減小供汽閥門的開度,迫使蒸汽機轉速回落。這樣,離心調速器就能自動地抵制負載變化對轉速的影響,使蒸汽機的轉速保持在某個期望值附近。
指出系統中的被控對象、被控量和給定量,畫出系統的方框圖。
6、 攝像機角位置自動跟蹤系統如下圖所示。當光點顯示器對準某個方向時,攝像機會自動跟蹤并對準這個方向。試分析系統的工作原理,指出被控對象、被控量及給定量,畫出系統方框圖。
7、 許多機器,像車床、銑床和磨床,都配有跟隨器,用來復現模板的外形。下圖就是這樣一種跟隨系統的原理圖。在此系統中,刀具能在原料上復制模板的外形。試說明其工作原理,畫出系統方框圖。
8、解釋對控制系統的基本要求及含義?
第二章 拉普拉斯變換的數學方法
本章重點:
1. 典型時間函數的拉氏變換。
2. 用拉氏變換解常微分方程。
本章難點
拉氏變換的性質及應用。
題型-計算分析題
1、試求下圖所示各信號的象函數。
2、求下列各拉氏變換式的反變換。
(1)
(2)
(3)
3、求下列函數的拉氏變換,假設當t >0時,
(1)
(2)
(3)
4、已經
(1)、利用終值定理,求時的值。
(2)、通過取的拉氏反變換,求時的值。
5、用拉氏變換的方法求微分方程
(1)
(2)
(3)
第三章 系統的數學模型
本章重點:
1、數學模型的建立。
2、傳遞函數的概念及變換。
本章難點
利用梅遜公式進行傳遞函數變換。
題型-計算題
1 試建立下圖所示各系統的微分方程。其中外力,位移和電壓為輸入量;位移和電壓為輸出量;(彈性系數),(阻尼系數),(電阻),(電容)和(質量)均為常數。
(a) (b) (c)
2 飛機俯仰角控制系統結構圖如下圖所示,試求閉環(huán)傳遞函數。
3 已知系統方程組如下:
試繪制系統結構圖,并求閉環(huán)傳遞函數。
4 試用結構圖等效化簡求下圖所示各系統的傳遞函數。
5 已知系統傳遞函數 ,且初始條件為,,試求系統在輸入作用下的輸出。
6 試用梅遜增益公式求下圖中各系統的閉環(huán)傳遞函數。
7 已知系統的結構圖下圖所示,圖中為輸入信號,為干擾信號,試求傳遞函數,。
第四章 控制系統的時域分析
本章重點:
1、一階系統、二階系統的時域分析。
2、瞬態(tài)響應的性能指標
3、系統的誤差分析。
本章難點
利用性能指標進行系統模型辨識。
題型-計算題
1 一階系統結構圖如下圖所示。要求系統閉環(huán)增益,調節(jié)時間s,試確定參數的值。
2 一種測定直流電機傳遞函數的方法是給電樞加一定的電壓,保持勵磁電流不變,測出電機的穩(wěn)態(tài)轉速;另外要記錄電動機從靜止到速度為穩(wěn)態(tài)值的50%或63.2%所需的時間,利用轉速時間曲線(如下圖)和所測數據,并假設傳遞函數為
可求得和的值。
若實測結果是:加10V電壓可得1200的穩(wěn)態(tài)轉速,而達到該值50%的時間為1.2s,試求電機傳遞函數。
提示:注意,其中,單位是
3 設角速度指示隨動系統結構圖如下圖所示。若要求系統單位階躍響應無超調,且調節(jié)時間盡可能短,問開環(huán)增益應取何值,調節(jié)時間是多少?
4 機器人控制系統結構圖如圖所示。試確定參數值,使系統階躍響應的峰值時間s,超調量。
5 某典型二階系統的單位階躍響應如下圖所示。試確定系統的閉環(huán)傳遞函數。
6 溫度計的傳遞函數為,用其測量容器內的水溫,1min才能顯示出該溫度的98%的數值。若加熱容器使水溫按10C/min的速度勻速上升,問溫度計的穩(wěn)態(tài)指示誤差有多大?
7 系統結構圖如下圖所示。試求局部反饋加入前、后系統的靜態(tài)位置誤差系數、靜態(tài)速度誤差系數和靜態(tài)加速度誤差系數。
8 已知單位反饋系統的開環(huán)傳遞函數為
試分別求出當輸入信號和時系統的穩(wěn)態(tài)誤差[]。
第五章 系統的頻率特性
本章重點:
1、頻率特性的含義及伯德圖繪制。
2、系統模型辨識。
本章難點
利用伯德圖進行系統模型辨識。
題型-計算題
1 試求題下圖(a)、(b)網絡的頻率特性。
(a) (b)
2 某系統結構圖如下圖所示,試根據頻率特性的物理意義,求下列輸入信號作用時,系統的穩(wěn)態(tài)輸出。
(1)
(2)
3 繪制下列傳遞函數的幅相曲線:
4 試繪制下列傳遞函數的幅相曲線。
(1)
(2)
5 繪制下列傳遞函數的漸近對數幅頻特性曲線。
(1) ;
(2) ;
(3)
6 三個最小相角系統傳遞函數的近似對數幅頻特性曲線分別如下圖(a)、(b)和(c)所示。要求寫出對應的傳遞函數;
7 已知控制系統結構圖如圖5-84所示。當輸入時,系統的穩(wěn)態(tài)輸出 。試確定系統的參數。
8 繪制下列傳遞函數的漸近對數幅頻特性曲線。
(1)
(2)
第六章 系統的頻率特性
本章重點:
1、穩(wěn)定性含義及勞斯-胡爾維茨穩(wěn)定性判據。
2、相對穩(wěn)定性。
本章難點
相對穩(wěn)定性指標求取。
題型-計算題
1 已知系統的特征方程,試判別系統的穩(wěn)定性,并確定在右半s平面根的個數。
(1)
(2)
(3)
(4)
2 下圖是某垂直起降飛機的高度控制系統結構圖,試確定使系統穩(wěn)定的值范圍。
3 單位反饋系統的開環(huán)傳遞函數為
試在滿足 的條件下,確定使系統穩(wěn)定的和的取值范圍,并以和為坐標畫出使系統穩(wěn)定的參數區(qū)域圖。
4 試根據奈氏判據,判斷題下圖(1)~(10)所示曲線對應閉環(huán)系統的穩(wěn)定性。已知曲線(1)~(10)對應的開環(huán)傳遞函數如下(按自左至右順序)。
題號
開環(huán)傳遞函數
閉環(huán)
穩(wěn)定性
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5 某最小相角系統的開環(huán)對數幅頻特性如下圖所示。要求
(1) 寫出系統開環(huán)傳遞函數;
(2) 利用相角裕度判斷系統的穩(wěn)定性;
6 對于典型二階系統,已知參數,,試確定截止頻率和相角裕度。