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[工学]控制工程课件_第二章
习 题 五、传递函数中的几个概念 实际控制系统中,会受到两类信号的作用,即输入信号和干扰信号。 输入信号是加在系统控制装置的输入端,也就是系统的输入信号。 干扰信号一般是作用于受控对象上。 图2-7-4即干扰作用下的典型结构。 图2-7-4 1、开环传递函数 注意:开环传递函数是闭环控制系统一个重要概念,它并不是开环系统的传递函数,而是指闭环系统的开环。 2、输入作用下系统的闭环传递函数 图2-7-5 则输入引起的系统输出为: 图2-7-6 3、输入作用的误差传递函数 干扰引起的输出为 图2-7-7 4、干扰信号作用下,误差传递函数 图2-7-8 5、系统总的输出 图2-7-9 作为对本章的总结,对一个完整的机电控制系统工作原理分析 ,分别建立其微分方程模型、传递函数模型和动态结构图。 第八节 建模实例分析 例2-24 直流电动机控制机床工作台进给系统中。当工作台实验位置与希望值不一致时,通过与工作台滚珠丝杆相连的电位器II,引出电压反馈,完成反馈控制,使工作台实际位置与希望位置一致。 手柄 机床工作台 测速 电机 图 2-7-1 机床工作台进台给控制系统 解:描述系统中各部分的微分方为: 1、电位器1和2 的方程: 式中 a—电位器满量程所占据圆弧角度,Eo 为电位器两固定端所加电压。 2、放大器输入端与输出端的方程: 式中Kp1,Kp2—为比较放大器放大倍数。 3、直流电动机方程: 磁通比例于励磁电流, 即 电枢回路的电压方程为: 式中ub—电动机的反电动势,即 式中,Km—常数;ia—电枢电流。 电动机的转矩方程: 式中 Kb—反电动势常数, ω1—电动机和齿轮Z1的角速度; —为电动机转距常数。 4、测速发电机方程: 式中,Kt—测速发电机系数。 5、齿轮传动的方程为: 上作台 轴1 轴2 分别为三个轴和齿轮、 电机转子等构成的转动惯量; 分别为三个齿轮传动部件的粘性磨擦系数; 分别三个的角位移; M—工作台部分移动部件的质量; Cm—工作台的移动时的粘性阻尼系数; . 将工作台等直线运动部件质量M折算到轴III上的转动惯量为: —各齿轮的齿数; 上作台 轴1 轴2 轴III和工作台总转动惯量为: 工作台位移与轴III的角位移关系为: 同理,轴III和工作台总粘性阻尼系数为: —齿轮1对齿轮2的驱动转矩; —齿轮2对齿轮1的阻力矩; —齿轮3对齿轮4的驱动转矩; —齿轮4对齿轮3的阻力矩。 设: 由轴转矩平衡方程式为: 上作台 轴1 轴2 式中,TL—负载阻力距; 式中,i1—齿轮1和齿轮2的传动比; i2 —齿轮3和齿轮4的传动比。 由于齿轮1做功和齿轮2做功相等,则: 由齿轮传递关系: 同理有: 故有: 即传递函数: 对上氏两端取拉氏变换: 例2-11 如图2-6-2所示齿轮传动副,其中 : ni(t)—输入轴转速; no(t)—输出轴转速; X1,X2—齿轮齿数。 N2(t) 图2-6-2 齿轮传动副 X2 X1 Ni(t) 解:齿轮传动副的运动方程为 对方程取拉氏变换后得: 为齿轮传动副 式中: 传递函数: 二、一阶惯性环节 在时间域里,如果输入,输出函数可表达为如下一阶微分方程 两边进行拉氏变换,得 例2-12 如图2-6-3所示无源滤波电路,其中:ui(t)—输入电压;uo(t)—输出电压。 解:设电流为中间变量,则: 图2-6-3无源滤波网 uo(t) ui(t) R C (T=RC 为时间常数) 三、微分环节 1、理想微分环节: 如果输出变量正比于输入变量的微分,即 传递函数为: 图2-6-4直流发电机 ui(t) uo(t) θi(t) if =常数 例2-13:如图2-6-4所示,直流发电机,其中θi(t)—输入转角, uo(t)—输出电压。 解:根据电磁电定律有 取拉氏变换得: 需指出:微分环节对控制系统, 有如下三方面的影响: (1) 提前预报输出; (2) 增加系统的阻尼,提高系统稳定性; (3) 强化噪声的作用: 四、积分环节 如果输出变量正比于输入变量的积分,则称为积分环节。 进行拉氏变换后得: 则传递函数为: 例2-14:如图2-6-5有源积分网; 其中: ui(t) 为输入电压;uo(t) 输出电压; 解:由节点电流定律 取拉氏变换,得 传递函数为: 五、二阶振荡环节 如果输入、输出函数可表达为: 拉氏变换得 —无阻尼自然振荡角频率; —阻尼比。 其中: 例2-15 图2-6-6(a)所示机器隔振系统,图(b)为其抽象出机械模型,fi(t) 为输入力;yo为输出位移。
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