机械控制工程基础习题及答案--考试要点.doc
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除1-3 题1-3图为工业炉温自动控制系统的工作原理图。分析系统的工作原理,指出被控对象、被控量和给定量,画出系统方框图。题1-3图 炉温自动控制系统原理图解 加热炉采用电加热方式运行,加热器所产生的热量与调压器电压的平方成正比,增高,炉温就上升,的高低由调压器滑动触点的位置所控制,该触点由可逆转的直流电动机驱动。炉子的实际温度用热电偶测量,输出电压。作为系统的反馈电压与给定电压进行比较,得出偏差电压,经电压放大器、功率放大器放大成后,作为控制电动机的电枢电压。 在正常情况下,炉温等于某个期望值C,热电偶的输出电压正好等于给定电压。此时,故,可逆电
2、动机不转动,调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上,使保持一定的数值。这时,炉子散失的热量正好等于从加热器吸取的热量,形成稳定的热平衡状态,温度保持恒定。当炉膛温度C由于某种原因突然下降(例如炉门打开造成的热量流失),则出现以下的控制过程:控制的结果是使炉膛温度回升,直至C的实际值等于期望值为止。CC 系统中,加热炉是被控对象,炉温是被控量,给定量是由给定电位器设定的电压(表征炉温的希望值)。系统方框图见图解1-3。1-5 采用离心调速器的蒸汽机转速控制系统如题1-5图所示。其工作原理是:当蒸汽机带动负载转动的同时,通过圆锥齿轮带动一对飞锤作水平旋转。飞锤通过铰链可带动套筒上下滑动,套筒内装有
3、平衡弹簧,套筒上下滑动时可拨动杠杆,杠杆另一端通过连杆调节供汽阀门的开度。在蒸汽机正常运行时,飞锤旋转所产生的离心力与弹簧的反弹力相平衡,套筒保持某个高度,使阀门处于一个平衡位置。如果由于负载增大使蒸汽机转速下降,则飞锤因离心力减小而使套筒向下滑动,并通过杠杆增大供汽阀门的开度,从而使蒸汽机的转速回升。同理,如果由于负载减小使蒸汽机的转速增加,则飞锤因离心力增加而使套筒上滑,并通过杠杆减小供汽阀门的开度,迫使蒸汽机转速回落。这样,离心调速器就能自动地抵制负载变化对转速的影响,使蒸汽机的转速保持在某个期望值附近。指出系统中的被控对象、被控量和给定量,画出系统的方框图。题1-5图 蒸汽机转速自动控
4、制系统解 在本系统中,蒸汽机是被控对象,蒸汽机的转速是被控量,给定量是设定的蒸汽机希望转速。离心调速器感受转速大小并转换成套筒的位移量,经杠杆传调节供汽阀门,控制蒸汽机的转速,从而构成闭环控制系统。系统方框图如图解1-5所示。1-8 题1-8图为水温控制系统示意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加热,从而得到一定温度的热水。冷水流量变化用流量计测量。试绘制系统方块图,并说明为了保持热水温度为期望值,系统是如何工作的?系统的被控对象和控制装置各是什么?解 工作原理:温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温,并在温度控制器中与给定温度相比较,若低于给定温度,其偏差值使蒸汽阀门开大,进入热交换器的蒸汽
5、量加大,热水温度升高,直至偏差为零。如果由于某种原因,冷水流量加大,则流量值由流量计测得,通过温度控制器,开大阀门,使蒸汽量增加,提前进行控制,实现按冷水流量进行顺馈补偿,保证热交换器出口的水温不发生大的波动。 其中,热交换器是被控对象,实际热水温度为被控量,给定量(希望温度)在控制器中设定;冷水流量是干扰量。题1-8图 水温控制系统原理图 系统方块图如图解1-8所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。2-1 试建立题2-1图所示各系统的微分方程 其中外力,位移和电压为输入量;位移和电压为输出量;(弹性系数),(阻尼系数),(电阻),(电容)和(质量)均为常数。解(a)以平衡状态为基点,对质块
6、进行受力分析(不再考虑重力影响),如图解2-1(a)所示。根据牛顿定理可写出 整理得(b)如图解2-1(b)所示,取A,B两点分别进行受力分析。对A点有 (1)对B点有 (2)联立式(1)、(2)可得:(c) 应用复数阻抗概念可写出 (3) (4)联立式(3)、(4),可解得: 微分方程为: (d) 由图解2-1(d)可写出 (5) (6) (7)联立式(5)、(6)、(7),消去中间变量和,可得:微分方程为 2-5 求下列各拉氏变换式的原函数。 (1) (2) (3) 解 (1) (2) 原式 x(t) (3) 原式 2-6 已知在零初始条件下,系统的单位阶跃响应为 ,试求系统的传递函数和脉
7、冲响应。解 单位阶跃输入时,有,依题意2-10 飞机俯仰角控制系统结构图如题2-10图所示,试求闭环传递函数。解 经结构图等效变换可得闭环系统的传递函数2-12 试用结构图等效化简求题2-12图所示各系统的传递函数。解 (a)所以: (b)所以: (c)所以: (d)所以: (e)所以: 2-17 试用梅逊增益公式求题2-17图中各系统的闭环传递函数。解 (a)图中有1条前向通路,4个回路则有 3-3 一阶系统结构图如题3-3图所示。要求系统闭环增益,调节时间(s),试确定参数的值。解 由结构图写出闭环系统传递函数令闭环增益, 得:令调节时间,得:。3-5 一种测定直流电机传递函数的方法是给电
8、枢加一定的电压,保持励磁电流不变,测出电机的稳态转速;另外要记录电动机从静止到速度为稳态值的50%或63.2%所需的时间,利用转速时间曲线(如题3-5图)和所测数据,并假设传递函数为可求得和的值。若实测结果是:加10伏电压可得每分钟1200转的稳态转速,而达到该值50%的时间为1.2秒,试求电机传递函数。提示:注意=,其中,单位是弧度/秒解 依题意有: (伏) (弧度/秒) (1) (弧度/秒) (2)设系统传递函数 应有 (3)由式(2),(3) 得 解出 (4)将式(4)代入式(3)得 3-6 单位反馈系统的开环传递函数,求单位阶跃响应和调节时间 。解:依题,系统闭环传递函数3-7 设角速
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