《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 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(shù)學方法 第三章 系統(tǒng)的數(shù)學模型 第四章 控制系統(tǒng)的時域分析 第五章 系統(tǒng)的頻率特性 第六章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第一章 緒論 本章重點： 1. 控制系統(tǒng)的組成及基本要求； 本章難點 分析系統(tǒng)的控制原理。 題型-分析及問答題 1、根據(jù)下圖所示的電動機速度控制系統(tǒng)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(tǒng)方框圖。 2、 下圖是倉庫大門自動控制系統(tǒng)原理示意圖。試說明系統(tǒng)自動控制大門開、閉的工作原理，并畫出系統(tǒng)方框圖。 3、下圖為工業(yè)爐溫自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)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(tǒng)原理圖。圖中電位器、并聯(lián)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(lián)結(jié)，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(jīng)減速后帶動，電動機采用電樞控制的方式工作。 試分析系統(tǒng)的工作原理，指出系統(tǒng)的被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。 5、采用離心調(diào)速器的蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如下圖所示。其工作原理是：當蒸汽機帶動負載轉(zhuǎn)動的同時，通過圓錐齒輪帶動一對飛錘作水平旋轉(zhuǎn)。飛錘通過鉸鏈可帶動套筒上下滑動，套筒內(nèi)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(diào)節(jié)供汽閥門的開度。在蒸汽機正常運行時，飛錘旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速回升。同理，如果由于負載減小使蒸汽機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速回落。這樣，離心調(diào)速器就能自動地抵制負載變化對轉(zhuǎn)速的影響，使蒸汽機的轉(zhuǎn)速保持在某個期望值附近。 指出系統(tǒng)中的被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)的方框圖。 6、 攝像機角位置自動跟蹤系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量及給定量，畫出系統(tǒng)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(xiàn)模板的外形。下圖就是這樣一種跟隨系統(tǒng)的原理圖。在此系統(tǒng)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(tǒng)方框圖。 8、解釋對控制系統(tǒng)的基本要求及含義？ 第二章 拉普拉斯變換的數(shù)學方法 本章重點： 1. 典型時間函數(shù)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(zhì)及應用。 題型-計算分析題 1、試求下圖所示各信號的象函數(shù)。 2、求下列各拉氏變換式的反變換。 (1) (2) (3) 3、求下列函數(shù)的拉氏變換，假設當t >0時， (1) (2) (3) 4、已經(jīng) (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(tǒng)的數(shù)學模型 本章重點： 1、數(shù)學模型的建立。 2、傳遞函數(shù)的概念及變換。 本章難點 利用梅遜公式進行傳遞函數(shù)變換。 題型-計算題 1 試建立下圖所示各系統(tǒng)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(shù)），（阻尼系數(shù)），（電阻），（電容）和（質(zhì)量）均為常數(shù)。 （a） （b） （c） 2 飛機俯仰角控制系統(tǒng)結(jié)構圖如下圖所示，試求閉環(huán)傳遞函數(shù)。 3 已知系統(tǒng)方程組如下： 試繪制系統(tǒng)結(jié)構圖，并求閉環(huán)傳遞函數(shù)。 4 試用結(jié)構圖等效化簡求下圖所示各系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 5 已知系統(tǒng)傳遞函數(shù) ，且初始條件為，，試求系統(tǒng)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(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 7 已知系統(tǒng)的結(jié)構圖下圖所示，圖中為輸入信號，為干擾信號，試求傳遞函數(shù)，。 第四章 控制系統(tǒng)的時域分析 本章重點： 1、一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的時域分析。 2、瞬態(tài)響應的性能指標 3、系統(tǒng)的誤差分析。 本章難點 利用性能指標進行系統(tǒng)模型辨識。 題型-計算題 1 一階系統(tǒng)結(jié)構圖如下圖所示。要求系統(tǒng)閉環(huán)增益，調(diào)節(jié)時間s，試確定參數(shù)的值。 2 一種測定直流電機傳遞函數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速時間曲線（如下圖）和所測數(shù)據(jù),并假設傳遞函數(shù)為 可求得和的值。 若實測結(jié)果是：加10V電壓可得1200的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，而達到該值50%的時間為1.2s，試求電機傳遞函數(shù)。 提示：注意，其中，單位是 3 設角速度指示隨動系統(tǒng)結(jié)構圖如下圖所示。若要求系統(tǒng)單位階躍響應無超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間盡可能短，問開環(huán)增益應取何值，調(diào)節(jié)時間是多少？ 4 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構圖如圖所示。試確定參數(shù)值，使系統(tǒng)階躍響應的峰值時間s，超調(diào)量。 5 某典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應如下圖所示。試確定系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 6 溫度計的傳遞函數(shù)為，用其測量容器內(nèi)的水溫，1min才能顯示出該溫度的98%的數(shù)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(tǒng)結(jié)構圖如下圖所示。試求局部反饋加入前、后系統(tǒng)的靜態(tài)位置誤差系數(shù)、靜態(tài)速度誤差系數(shù)和靜態(tài)加速度誤差系數(shù)。 8 已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 試分別求出當輸入信號和時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差[]。 第五章 系統(tǒng)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(tǒng)模型辨識。 本章難點 利用伯德圖進行系統(tǒng)模型辨識。 題型-計算題 1 試求題下圖(a)、(b)網(wǎng)絡的頻率特性。 (a) (b) 2 某系統(tǒng)結(jié)構圖如下圖所示，試根據(jù)頻率特性的物理意義，求下列輸入信號作用時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。 （1） （2） 3 繪制下列傳遞函數(shù)的幅相曲線： 4 試繪制下列傳遞函數(shù)的幅相曲線。 (1) (2) 5 繪制下列傳遞函數(shù)的漸近對數(shù)幅頻特性曲線。 (1) ； (2) ； (3) 6 三個最小相角系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似對數(shù)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(shù)； 7 已知控制系統(tǒng)結(jié)構圖如圖5-84所示。當輸入時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出 。試確定系統(tǒng)的參數(shù)。 8 繪制下列傳遞函數(shù)的漸近對數(shù)幅頻特性曲線。 (1) (2) 第六章 系統(tǒng)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(jù)。 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(tǒng)的特征方程，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確定在右半s平面根的個數(shù)。 （1） （2） （3） （4） 2 下圖是某垂直起降飛機的高度控制系統(tǒng)結(jié)構圖，試確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的值范圍。 3 單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 試在滿足 的條件下，確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的和的取值范圍，并以和為坐標畫出使系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)區(qū)域圖。 4 試根據(jù)奈氏判據(jù)，判斷題下圖(1)～(10)所示曲線對應閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。已知曲線(1)～(10)對應的開環(huán)傳遞函數(shù)如下（按自左至右順序）。 題號 開環(huán)傳遞函數(shù) 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(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性如下圖所示。要求 （1） 寫出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)； （2） 利用相角裕度判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 6 對于典型二階系統(tǒng)，已知參數(shù)，，試確定截止頻率和相角裕度。