现代调速控制系统课后习题答案.docx
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现代调速控制系统课后习题答案
现代调速控制系统课后习题答案
【篇一:
自动控制原理课后习题答案】
的基本概念
1.1内容提要
1.2习题与解答
2自动控制系统的数学模型
2.1内容提要
2.2习题与解答
3自动控制系统的时域分析
3.1内容提要
3.2习颗与他答
4根轨迹法
4.1内容提要
4.2习题与解答
5频率法
5.1内容提要
5.2习题与解答
6控制系统的校正及综合
6.1内容提要
6.2习题与解答
7非线性系统分析
7.1内容提要
7.2习题与解答
8线性离散系统的理论基础
8.1内容提要
8.2习题与解答
9状态空间法
9.1内容提要
9.2习题与解答
附录拉普拉斯变换
参考文献
1自动控制系统的基本概念
1.1内容提要
基本术语:
反馈量,扰动量,输人量,输出量,被控对象;
基本结构:
开环,闭环,复合;
基本类型:
线性和非线性,连续和离散,程序控制与随动;
基本要求:
暂态,稳态,稳定性。
本章要解决的问题,是在自动控制系统的基本概念基础上,能够针对一个实际的控制系统,找出其被控对象、输人量、输出量,并分析其结构、类型和工作原理。
1.2习题与解答
题1-1图p1-1所示,为一直
流发电机电压白动控制系统示
意图。
图中,1为发电机;2为减速器;
3为执行电机;4为比例放大器;
5为可调电位器。
(1)该系统有哪些环节组成,
各起什么作用”
(2)绘出系统的框图,说明当负载电流变化时,系统如何保持发电机的电压恒定(3)该系统是有差系统还是无差系统。
(4)系统中有哪些可能的扰动,图p1-7电压自动控制系统示意图答
(1)该系统由给定环节、比较环节、中间环节、执行结构、检测环节、发电机等环节组成。
给定环节:
电压源u0。
用来设定直流发电机电压的给定值。
比较环节:
本系统所实现的被控量与给定量进行比较,是通过给定电压与反馈电压反极性相接加到比例放大器上实现的
中间环节:
比例放大器。
它的作用是将偏差信号放大,使其足以带动执行机构工作。
该环节又称为放大环节
执行机构:
该环节由执行电机、减速器和可调电位器构成。
该环节的作用是通过改变发电机励磁回路的电阻值,改变发电机的磁场,调节发电机的输出电压
被控对象:
发电机。
其作用是供给负载恒定不变的电压.
检测环节跨接在发电机电枢两端、且与电压源u0反极性相接到比例放大器输人端的导线。
它的作用是将系统的输出量直接反馈到系统的输人端。
(2)系统结构框图如图1-5所示。
当负载电流变化如增大时,发电机电压下降,电压偏差增大,偏差电压经过运算放大器放大后,控制可逆伺服电动机,带动可调电阻器的滑动端使励磁电流增大,使发电机的电压增大直至恢复到给定电压的数值上,实现电压的恒定控制。
负载电流减小的情况与此同理。
(3)假设在系统稳定运行状态下,发电机输出的电压与给定的电压u0相等,也就是我们所称谓的无差系统。
此时,比例放大器输出电压为零,执
行电机不转动,可调电位器的滑动端不动,发电机磁场不变化,从而保持发电机输出电压u等于给定电压u0。
假设成立,故该系统为无差系统。
(4)系统中可能出现的外部扰动负载电流的变化(增加或减少)。
可能出现的内部扰动:
系统长时间工作使电源电压u0降低,执行机构、减速器等的机械性能的改变等。
题1-2图1-6所示为闭环调速系统示意图,如果将反馈电压uf的极性接反,成为正反馈系统,对系统工作有什么影响?
此时各环节工作于什么状态,电动机的转速能否按照给定值运行,
答正反馈系统的比较环节是使反馈电压uf与给定电压ug相加。
加给控制器的信号?
u?
uf?
ug必然总在给定电压基础上增大,系统将不具备调节能力,各环节的输出量将处于饱和状态,电动机转速不能按给定的值运行
题1-3图pl-2为仓库大门自动控制系统示意图。
试说明自动控制大门开启和关闭的工作原理。
如果大门不能全开或全关,应怎样进行调整
?
答系统中,“开门”和“关门”两个开关是互锁的,即在任意时刻,只有开门(或关门)一个状态,这一状态对应的电压和与大门连接的滑动端对应的电压接成反极性(即形成偏差信号)送入放大器。
放大器的输出电压送给直流电动机m,直流电动机与卷筒同轴相连,大门的开启和关闭是通过电动机的正、反转来控制的。
与大门连接的滑动端对应的电压与
“开门”滑动端对应的电压相等时,大门停止开启;与大门连接的滑动端对应的电压与“关门”滑动端对应的电压相等时大门停止关闭。
设“开门”滑动端对应的电压为ugk,“关门”滑动端对应的电压为ugg,与大门连接的滑动端对应的电压为uf。
开门时,将“开门”开关闭合、‘关门”开关断开,此时,uf?
ugk,?
u?
ugg?
uf?
0。
此偏差信号经过放大器放大后带动可逆直流电动机并带动可调电位计滑动端上移,直至?
u?
0时.直流电动机m停止、大门开启。
关门时,将“开门”开关断开、“关门”开关闭合,此时有uf?
ugk,?
u?
ugk?
uf?
0,此偏差信号经放大后使直流电机m向相反方向转动,并带动
可调电位计滑动端下移,直至?
u?
0时,直流电机m停止、大门关闭。
若大门不能全开(或全关)可将价ugk调大(或将ugg调小),这可通过将“开门”滑动端上移直至大门全开(或将“关门”滑动端下移直至大门全关)实现。
从下作原理上分析,系统稳定运行(大门“全开”或“全关”)时,系统的输出量完全等于系统的输入量(大门“全开”时,ugk?
uf;大门“全关”时,ugg?
uf)。
故该系统属于恒值、无差系统。
2自动控制系统的数学模型
2.1内容提要
(l)数学模刑
自动控制系统的分析与设计是建立在数学模型基础上的。
数学模型是描述系统内部各物理量之间动态关系的数学表达式。
数学模型的形式可以有多种,在经典控制理论中常甩的是微分方程和差分方程,在现代控制理论中常用的是状态空间表达式
数学模型的求取可以采用解析法和统计法。
本章主要以解析法为主。
用解析法建立系统的数学模型时,应根据元件及系统的特点和连接关系,按照它们所遵循的物理规律,抓住主要矛盾,忽略次要因素,列写各物理量之间关系的数学表达式、使得所建的数学模邢既正确又简草
(2)传递函数
传递函数是为方便进行系统分析所引出的数学模型的另外一种形式。
由它的定义可知,传递函数只适合于线性连续系统。
(3)传递函数的求取
传递函数的求取方法有三种:
1)利用传递函数的定义;
2)利用结构图等效变换;
3)利用信号流图
利用传递函数的定义求解传递函数,主要适合于求典型环节传递函数的情况。
结构图是系统传递函数的图形化表示。
它最大的优点是可以形象直观地表小出动态过程中系统各环节的数学模型及其相互关系。
通过结构图的等效变换可以求出系统的传递函数由结构图等效变换求解传递函数,主要是调整相加点和分支点的位置,将其化为三种典型的连接形式,即串联、井联和反馈连接,从而求得系统或环节的传递函数。
应注意的是,变换过程中相加点和分支点之间一般不宜相互变换位置
信号流图也是一种用图形表示线性系统方程组的方法。
信号流图与结构图在本质上是一样的,只是形式上不同。
其中需要重点掌握的术语有前向通路、回环、不接触回环等。
它的最大优点是通过梅逊增益公式可以很方便快捷地求出系统的传递函数。
使用这种方法的关键在于对系统回环的判断是否正确
(4)非线性数学模型的线性化
本章介绍的是利用小偏差线性化方法对非线性系统进行线性化处理。
这种方法就是将一个非线性函数在其工作点处展开成泰勒级数,然后略去二次以上的高阶项,得到线性化方程,用来代替原来的非线性函数。
此种方法适合于非本质非线性系统。
2.2习题与解答
题2-1试求出图p2-1中各电路的传递函数
w(s)=u,(s)/u.(s)
(1)由图2-la所示电路可得w(s)?
uc(s)1?
?
ur(s)r?
ls?
1lcs2?
crs?
1
cs1
(2)根据y/△变换,将图p2-1b
电路变换为如图2-1所示电路,其中,
【篇二:
《机械工程控制基础》课后题答案】
制系统的基本原理
第一节第二节第三节第四节第一节第二节第三节第四节第一节第二节第三节第四节
控制系统的工作原理和基本要求控制系统的基本类型典型控制信号控制理论的内容和方法机械系统的数学模型液压系统的数学模型电气系统的数学模型线性控制系统的卷积关系式傅氏变换拉普拉斯变换
拉普拉斯变换的基本定理拉普拉斯逆变换
第二章控制系统的数学模型
第三章拉氏变换
第四章传递函数
第一节传递函数的概念与性质第二节第三节第四节第一节第二节第三节第四节
第六章
第一节第二节第三节第四节
第七章
第一节第二节第三节第四节
第八章
第一节
线性控制系统的典型环节系统框图及其运算多变量系统的传递函数概述
应频率特性极坐标图频率特性的对数坐标图
由频率特性的实验曲线求系统传递函数稳定性概念劳斯判据乃奎斯特判据
对数坐标图的稳定性判据控制系统的偏差概念
第五章时间响应分析
频率响应分析
控制系统的稳定性
控制系统的偏差
第二节第三节
输入引起的定态偏差输入引起的动态偏差
第九章控制系统的设计和校正
第一节综述第二节第三节第四节第五节第六节第七节
第一章
定义:
在没有人的直接参与下,利用控制器使控制对象的某一物理量准确地按照预期的规律运行。
第一节
控制系统的工作原理和基本要求
一、控制系统举例与结构方框图
希望对数幅频特性曲线的绘制校正方法与校正环节控制系统的增益调整控制系统的串联校正控制系统的局部反馈校正控制系统的顺馈校正
自动控制系统的基本原理
图1
人通过眼睛观察温度计来获得炉内实际温度,通过大脑分析、比较,利用手和锹上煤炭助燃。
比较
图2
例2.
图示为液面高度控制系统原理图。
试画出控制系统方块图
和相应的人工操纵的液面控制系统方块图。
解:
浮子作为液面高度的反馈物,自动控制器通过比较实际的液面高度与希望的液面高度,调解气动阀门的开合度,对误
差进行修正,
可保持液面高度稳定。
图3
控制器
图4
头脑
图5
结构方块图说明:
1.信号线:
带有箭头的直线(可标时间或象函数)u(t),u(s);2.引用线:
表示信号引出或测量的位置;
3.比较点:
对两个以上的同性质信号的加减运算环节;4.方框:
代表系统中的元件或环节。
方块图中要注明元件或环节的名称,函数框图要写明函数表达式。
二.控制系统的组成
1.给定环节:
给出输入信号,确定被控制量的目标值。
2.比较环节:
将控制信号与反馈信号进行比较,得出偏差值。
3.放大环节:
将偏差信号放大并进行必要的能量转换。
4.执行环节:
各种各类。
5.被控对象:
机器、设备、过程。
6.测量环节:
测量被控信号并产生反馈信号。
7.校正环节:
改善性能的特定环节。
三.控制系统特点与要求
1.目的:
使被控对象的某一或某些物理量按预期的规律变化。
2.过程:
即“测量——对比——补偿”。
或“检测偏差——纠正偏差”。
3.基本要求:
稳定性系统必须是稳定的,不能震荡;快速性接近目标的快慢程度,过渡过程要小;准确性
第二节
控制系统的基本类型
1.开环变量控制系统(仅有前向通道)
i0
图6
2.闭环变量控制系统
i
开环系统:
优点:
结构简单、稳定性能好;
缺点:
不能纠偏,精度低。
闭环系统:
与上相反。
第三节典型控制信号
输入信号是多种多样的,为了对各种控制系统的性能进行统一的评价,通常选定几种外作用形式作为典型外作用信号,并提出统一的性能指标,作为评价标准。
1.阶跃信号x(t)=
0t<0
x(t)=at≥0
图7
当a=1时,称为单位阶跃信号,写为1(t)。
阶跃信号是一种对系统工作最不利的外作用形式。
例如,电源突然跳动,负载突然增加等。
因此,在研究过渡过程性能时通常都选择阶跃函数为典型外作用,相应的过渡过程称为阶跃响应。
2.脉冲函数
数学表达式x(t)=a/t0≤t≤tx(t)=0其它
图8
且
?
d
dt
1(t)
?
?
?
?
(t)dt?
1
x(t)=att≥0x(t)=0t<0
图10
在研究飞机系统时,常用恒速信号作为外作用来评价过渡过程。
4.恒加速信号
x(t)=at2/2t≥0x(t)=0t<0
【篇三:
现代调速系统】
知,电动机在工农业生产、国防装备、科学研究以及日常生活中都得到广泛应用,随着现代科学技术的进步,特别是各种自动控制系统的要求,电动机在实际应用中,已由过去简单的起停控制,以提供动力为目的发展为对其速度、位置、转矩等参数进行精确控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求,可以说,采用高水平的电动机调速系统是现代自动控制系统及其它驱动系统得以实现的关键之一。
20世纪60年代以前,直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在国民经济各部门的传动领域中占据着主导地位。
随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。
由于换向器的存在,使直流电动机的维护工作量加大,而单机容量、最高转速以及使用环境等又都受到限制,人们便转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电动机。
然而,要实现对交流电动机高性能的调速远比直流电动机调速困难得多。
于是,从20世纪3o年代开始,人们就致力于交流调速技术的研究,60年代以后,特别是7o年代以来,随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世,现代控制理论的发展和计算机技术的应用,变频技术日新月异,新的控制策略不断涌现,使得现代交流调速技术得到迅猛发展,并已在冶金、机械、电气、纺织、食品等各个方面得到普遍应用,交流调速已经进入了逐步取代直流调速的时代。
直流调速发展概况
最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电,通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行,设备制造方便,价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速,所以目前极少采用。
30年代末,出现了发电机一电动机(也称为旋转变流组),配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件,可获得优良的调速性能但发电机一电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备,因而体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、维修困难等。
20世纪50年代,开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组,但到50年代又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。
后来又出现了脉宽调制变换器。
脉宽调制变换器又称直流斩波器,是利用功率开关器件通断实现控制,调节通断时间比例,将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压,亦称dc-dc变换器。
交流调速系统发展概况
20世纪60年代中期,德国的aschonung等人率先提出了脉宽调制变频的思想,他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中,为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。
从此,交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。
1电力电子器件的蓬勃发展
电力电子器件是现代交流调速装置的支柱,其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。
迄今为止,电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件(第一代)→自关断器件(第二代)→功率集成电路pic(第三代)→智能模块ipm(第四代)四个阶段。
一代电力电子器件带来一代变频调速装置,性价比一代高过一代。
在人类
社会进入信息化时代后,电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21世纪最重要的两大技术。
2脉宽调制(pwm)技术
脉宽调制(pwm)技术的发展和应用优化了变频装置的性能,变频调速系统采用pwm技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求,而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动,提高了电机的工作效率,扩大了调速系统的
调速范围。
3矢量变换控制技术及直接转矩控制技术
1975年,德国学者fblaschke提出了矢量变换控制原理,成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制,在定向于转子磁通的基础上,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,在理论上实现了重大突破,从而使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。
矢量控制的关键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标变换,而两坐标轴系之间的变换的关键是要找到两坐标轴之间的夹角。
目前,较为成熟的矢量变换控制法有:
转子磁场定向矢量变换控制,定子磁场定向矢量变换控制,滑差频率矢量控制。
受矢量控制的启迪,近年来又派生出诸如多变量解藕控制、变结构滑模控制等方法。
4微型计算机控制技术
微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性,降低了变频调速装置的成本和体积。
以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。
用于交流调速系统的微处理器的发展经历了单片机(mcs)→数字信号处理器(dsp)→精简指令集计算机(reducedinstructionsetcomputerrisc)三个阶段。
交流调速技术的发展过程表明,现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展;现代控制理论的发展和应用,电力电子技术的发展和应用,微机控制技术的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。
随着微处理机引入控制系统,促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化,数字化已成为控制技术的方向,面非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现,展现出更为广阔的前景,必将进一步推动交流调速技术的发展。
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