机械工程控制基础习题集..doc

机械工程控制基础习题集 车畅 编 西华大学机械学院 西华大学 机械工程与自动化学院 2009年6月 前言 编写这本习题集的目的是为了配合机械工程控制基础课程教学，便于学生自主学习和自由发展。并且按照课程的要求和习题难易程度，将每章习题分为：基础练习题（下标为a），本章概念直接应用；难题（下标为b），要求将本章概念加以扩展；设计题（下标为c），要求学生应用学过的控制系统理论求解控制工程实际问题；MATLAB题，应用MATLAB语言及相应的工具箱进行控制系统分析和设计等几个层次；逐步提高学生解决问题的能力。 第一章 绪论 1-1a 电冰箱制冷原理图如图1-1所示，简述系统工作原理，指出被控对象，被控量和给定量，并画出系统方框图。 解：被控对象是看得见的实体， 不能与物理量相混淆。被控制量则是 被控对象中表征被控制对象工作状态 的物理量。确定控制对象要看控制的 目的与任务。 控制的任务是保持冰箱内的温度 Tc等于设定的温度Tr。冰箱的箱体是 被控对象，箱内温度是被控量。由控制 器旋钮设定出电位器输出电压（与希望 温度Tr值对应）是给定量。 温度控制器中的双金属温度传感器（测量元件）感受冰箱内的温度，并把它转换为电压信号，与控制器旋钮设定出电位器（给定元件）输出电压（对应于与希望温度Tr）相比较，利用偏差电压（表征实际温度和希望温度的偏差）控制继电器。当大到一定的值时，继电器接通压缩机起动将蒸发器中的高温低压气态制冷液送到冷却器散热。降温后流出的低温低压冷却液被压缩成低温高压液态进入蒸发器急速降压扩散成气体，吸收箱体内的热量，使箱体内温度降低，而高温低压制冷剂又被吸入冷却器。如此循环，使冰箱达到制冷效果。继电器，压缩机，蒸发器和冷却器组成系统的执行机构，完成降温功能。冰箱制冷系统方框图如图1-2所示。 1-2a 图1-3为液位控制系统的示意图，试说明其工作原理并绘制系统的方框图。 说明 液位控制系统是一典型的过程 控制系统。控制的任务是：在各种扰动的 作用下尽可能保持液面高度在期望的位置 上。故它属于恒值调节系统。现以水位控 制系统为例分析如下。 解 分析图1-3可以看到：被控量为水位 高度h（而不是水流量Q2或进水流量Q1）； 受控对象为水箱；使水位发生变化的主要 原因是用水流量Q2，故它为系统的负载扰 动；而进水流量Q1是用以补偿用水流量的 改变，使水箱的水位保持在期望的位置上的 控制作用；控制进水流量的使由电动机驱动的阀门V1，故电动机-减速器-阀门V1一起构成系统的执行机构；而电动机的供电电压ud取决于电位器动触点与接零点之间的电位差，若记接零点与电位参考点之间的电压为ug，则它便是系统的给定信号，记动触点与电位参考点之间的电压为uf，而ud=ug-uf，故uf为负反馈信号。于是可绘制系统方框图，如图1-4所示。 系统的调节过程如下：调整系统和进水阀V1的开度使系统处于平衡状态，这时进水流量Q1和额定的用水流量Q2保持动态平衡，液面的高度恰好在期望的位置上，而与浮子杠杆相联接的电位器动触头正好在电位器中点（即接零点）上，从而ud＝0电动机停止不动；当用水流量发生变化时，比如用水流量增大使得液面下降，于是浮子也跟着下降，通过杠杆作用带动电位器的动触点往上移，从而给电动机电枢提供一定的电压，设其极性为正的(即ud0),于是电动机正转，通过减速器驱动阀门V1增大其开度。 1-3b 图1-5是烤面包机的原理图。面包的烘烤质量烤箱内的温度决及烘烤时间决定。（1）试说明传动带速度自动控制的工作原理，并绘制相应的原理方框图。（2）绘制烤面包机的方框图。 解 （1）传送带 由电动机和减速器驱动，传送带的 线速度与电动机及减速器的角速度 是固定比例关系，因此控制电动机 减速器的角速度就控制了传送器的 线速度。传送器的希望速度与温度 有关。温度高，要求速度快，温度 低要求速度慢。 烤箱内温度检测器测出烤箱内 的温度，传给指示调节器。指示调节 器根据预先规定的函数关系求出希望的速度，并变成相应的电信号作为调速系统的控制输入加到控制器上。控制器带动电动机，减速器驱动传送带运动。转速表测出减速器的实际速度，反馈到控制器，若与要求转速不等，则产生偏差信号。通过控制器控制电动机加速或减速，使速度趋于希望的速度。该调速系统的方框图如图1-6所示。 （2） 面包的烘烤质量与烤箱温度与面包在烘箱内的时间有关，而烘烤时间又与传送带的速度有关。在该烤面 包机中，只控制烘烤时间 而未控制烘烤温度。但希 望的烘烤时间又与温度有 关。该系统可以看作一个 按扰动补偿的开环控制系 统，温度就是扰动量，方框图如图1-7所示。 1-4c 一晶体管稳压电