机械工程控制基础期末试题(卷)+答案解析2
更新时间:2024-03-04 13:13:01 阅读量: 综合文库 文档下载
一. 填空题(每小题2.5分,共25分)
1. 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、 和 。 2. 按系统有无反馈,通常可将控制系统分为 和 。 3. 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有 、 等。
4. 反映出稳态响应偏离系统希望值的程度,它用来衡量系统 的程度。 5. 一阶系统
1的单位阶跃响应的表达是 。 Ts?16. 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和 。 7. 频率响应是线性定常系统对 输入的稳态响应。
8. 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数,而且与 的类型有关。 9. 脉冲信号可以用来反映系统的 。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 。
二. 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统(10分) 炉温控制系统-电炉热电偶加热器-Uf+-UeUg给定毫伏信号+电压放大功率放大可逆电机减速器自偶调压器~220V 试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成,且画出原理方框图,说明其工作原理。
三、如图2为电路。求输入电压ui与输出电压u0之间的微分方程, 并求该电路的传递函数(10分)
R
+
图1 炉温控制结构图
uiR(a)u0uiCu0(b)图2
u i
LC(c)u0
四、求拉氏变换与反变换 (10分)
1. 求[0.5?te](5分)
2. 求
?1t[3s](5分)
(s?1)(s?2)五、化简图3所示的框图,并求出闭环传递函数(10分)
H2(S)Xi(S)G1(S)G2(S)G3(S)XO(S)H1(S) 图3
六、图4示机械系统由质量m、阻尼系数C、弹簧刚度K和外力f(t)组成的机械动力系统。图4(a)中xo(t)是输出位移。当外力f(t)施加3牛顿阶跃力后(恒速信号),记录仪上记录质量m物体的时间响应曲线如图4(b)所示。试求: 1)该系统的微分方程数学模型和传递函数;(5分) 2)该系统的自由频率?n、阻尼比?;(2分)
3)该系统的弹簧刚度质量m、阻尼系数C、弹簧刚度k;(3分) 4)时间响应性能指标:上升时间ts、调整时间tr、稳态误差ess(5分)。
f(t)kcmx0(t)x00.0951.0t024
图4(a) 机械系统 图4(b)响应曲线
图4
七、已知某系统是单位负反馈系统,其开环传递函数Gk?10,则该系统在单位脉冲、5s?1单位阶跃和单位恒速信号(斜坡信号)作用下的稳态误差ess分别是多少?(10分)
八、设有如图5所示的反馈控制系统,试求根据劳斯判据确定传递函数k值的取值范围(10分)。
Xi(s)×-1sk(s?1)(s?5)X0(s)Ts?1
X(s)图5
二. 填空题(每小题2分,共20分)
10. 对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、快速性 和准确性。
11. 按系统有无反馈,通常可将控制系统分为 开环控制系统 和 闭环控制系统 。 12. 在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有微分方程 、传递函数等。
13. 稳态误差反映出稳态响应偏离系统希望值的程度,它用来衡量系统控制精度的程度。 14. 一阶系统
1的单位阶跃响应的表达是1?e?t/T。 Ts?115. 有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和频域性能指标。 16. 频率响应是线性定常系统对正弦输入的稳态响应。
17. 稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数,而且与输入信号的类型有关。 18. 脉冲信号可以用来反映系统的抗冲击能力。 10. 阶跃信号的拉氏变换是 1/s 。
二. 图1为利用加热器控制炉温的反馈系统(10分) 炉温控制系统-电炉热电偶加热器-Uf+-UeUg给定毫伏信号+电压放大功率放大可逆电机减速器自偶调压器~220V图1 炉温控制结构图
试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成,且画出原理方框图,说明其工作原理。
解答:输出量:炉温。输入量:给定电压信号。被控对象:电炉。
系统包括:电位器、放大器、电机、减速器以及自藕调压器、热电偶。 原理方框图:
+
三.如图2为电路。求输入电压ui与输出电压u0之间的微分方程,并求出该电路的传递函数。(10分)
R
uiR(a)u0uiCu0(b)图2
解答:跟据电压定律得
uLC i1
0udt?u?RC(c)0?uiu0d2u01du0d2ui??22dtRCdtdtRCsG(s)?RCs?1
四、求拉氏变换与反变换 3. 求[0.5?te]
解答:
t11? 2s(s?1)24. 求
?1[3s]
(s?1)(s?2)t解答:=?3e?t?6te?2
六、 化简框图,并求出闭环传递函数
H2(S)Xi(S)G1(S)G2(S)G3(S)XO(S)H1(S) 图4
解:
H2 Xi(s) _ _ G1 + Xo(s) G2 G3 H1/G3 Xi(s) _ _ G1G2G3 1?G2G3H2Xo(s) H1/G3
Xi(s) G1G2G3 1?G2G3H2?G1G2G3?G1G2H1Xo(s)
七、图示机械系统由质量m、阻尼系数C、弹簧刚度K和外力f(t)组成的机械动力系统。图(a)中xo(t)是输出位移。当外力f(t)施加3牛顿阶跃力后,记录仪上记录质量m物体的时间响应曲线如(b)图所示。试求:
1)该系统的微分方程数学模型和传递函数;(4分)
2)该系统的弹簧刚度质量m、阻尼系数C、弹簧刚度k;(3分)
3)时间响应性能指标:上升时间ts、调整时间tr、振荡频数N、稳态误差ess(5分)。
f(t)kcmx0(t)x00.0951.0t024
图(a) 机械系统 图(b)响应曲线
解答:
解:1)对于该系统有:
?0?t??cx?0?t??kx0?t??f?t? x m?故
G?s??1ms2?cs?k
2)求k 由Laplace变换的终值定理可知:
x0????limx0?t??lims?X0?s?
t??s?0s?0 ?lims ? 而x0???=1.0,因此k=3. 求m, 由Mp? Mp?13 ?ms2?cs?ks3 kx0?tp??x0???x0????100%得:
0.095?100%?9.5% 1.0
??? 又由式Mp?e1??2?100%求得?=0.6
将tp?2,??0.6代入tp?再由k2??n求得m=0.78。
??中,得?n=1.96。 ?2?d?n1??m 求c 由2??n?cm,求得c=1.83.
3)求ts
ts?3?2.55 (取?=0.05时)
??n4 ts? 求tr
??n?3.40 (取?=0.02时)
??arctan1??2??0.91
tr?????2.323 ?d 求N
取?=0.05时,N?1.51??2??21??2=0.64
取?=0.02时,N? 求ess
?? =0.85
当输入为阶跃信号时,系统的稳态误差为: ess?1
1?Kp 对于0型系统 Kp?K?1,代入式中求得: ess=0.5
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