机械控制工程基础习题及答案考试要点.doc

1、11-3 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，cu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cucu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fuf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r e a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Tf。此时，

2、 ，故 ，可逆电动机不转动，调压器的滑动触点停ru0freu01au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c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T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。TC CTuuucaef 1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。ru21-5 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

3、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

4、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。3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

5、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)(tF移 和

6、电压 为输入量；位移 和电压 为输出量； （弹)(tx)(tur )(ty)(tuck4性系数） ， （阻尼系数） ， （电阻） ， （电容）和 （质量）均fRCm为常数。解（a）以平衡状态为基点，对质块 进行受力分析（不再考虑m重力影响） ，如图解 2-1(a)所示。根据牛顿定理可写出2)(dtytftkyF整理得)(1)()()(2 tFmtyktfdt（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）)()(11dtyxfxk对 B 点有（2）ktdf21)(联立式（1） 、 （2）可得： dtxkykfty2121)(c) 应用复数阻抗概念可写出（3）

7、)(1)(sUIcsRUcr（4）2)(sI5联立式（3） 、 （4） ，可解得： CsRsUrc2112)()(微分方程为: rrcc udtuRCdt 121(d) 由图解 2-1（d）可写出（5）sIsIsUcRr )()()(（6）1CIc（7）CsIsscRc 1)()(联立式（5） 、 （6） 、 （7） ，消去中间变量 和 ，可得：)(IR132)(2ssUrc微分方程为 rrrccc uCdttuCdtuRt 2222 12-5 求下列各拉氏变换式的原函数。(1) 1)(seXs(2) )3()2()(s(3) )(1)2sX解 (1) 1)(tex(2) 原式 )3(124)

8、(83)2(41)23 ssssx（t） 322 tttt ee(3) 原式 1)(21)(2121 2sss6 )(tx)cos(in21tet2-6 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冲响应。ttetc21)(解 单位阶跃输入时，有 ，依题意sR1)(ssC1)2(32)( )(1)(sRGtteLtk 21 42-10 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 。)(sQrc解 经结构图等效变换可得闭环系统的传递函数 68.0)42.18.()7.09(6)(23 sKsKsQrc2-12 试用结构图等效化简求题 2-12 图所示各

9、系统的传递函数。)(sRC7解 （a）所以： 43213243211)( GGsRC（b）8所以： HGsRC21)(（c）所以： 321321)( GGsRC（d）所以： 2413213212 41)( HGHGsRC（e）所以： 23121234)(sRC92-17 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1321，GP)(43212434 432131 LHL HGHL ， ，则有 2434321321321)( GsRC 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2K（s） ，试确定参数 的值。

10、4.0st 21,K解 由结构图写出闭环系统传递函数 11)( 2212Ksss令闭环增益 ， 得：2K5.010令调节时间 ，得： 。4.0321KTts 153-5 一种测定直流电机传递函数的方法是给电枢加一定的电压，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 )()(asKVsG可求得 和 的值。Ka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)(sVadt)(解 依题意有：（伏）10)(tv（弧度/秒） （1）4062（弧度/秒） （2）)(5.)(设系统传递函数 asKVsG0