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习题解答
第一章自动控制原理概述
思考题
1-1自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,采用物理装置对生产设备或(和)工艺过程进行自动的调节与合理控制,使之按照一定的规律变化。
1-2开环控制是一种最简单的控制方式,其特点是输入量对输出量之间只有单方向的控制作用,即输出量没有参与系统的控制。
1-3闭环控制系统,通过将检测出来的输出量送回系统的输入端,并与输入信号比较形成回路,形成输出量参与系统的控制以具有反馈的机制。
1-4简述控制系统基本组成中反馈环节、比较环节的作用?
答:反馈环节是用于检测输出量,如,电热炉实际输出温度,并将其转换为与给定量具有相同物理量纲和数量级相同的量。比较环节是将所检测的输出量与参考输入进行比较,确定两者之间的偏差量。比较环节中箭头上的符号表示在此相加或相减。
1-5按输入量变化的规律分类,自动控制系统可以分为哪些类?
答:恒值控制系统、随动控制系统、过程控制系统
1-6对控制系统的基本性能要求都有哪些?
答:稳定性、准确性、快速性
1-7分析我国南方夏季居室温度空调系统中何为参考输入?何为输出?
答:期望的居室温度,也就是设定的居室温度为参考输入。输出为实际居室的温度。
1-8对控制系统进行数字仿真实验的意义是什么?
答:控制系统数字仿真实验不仅可以在理论学习阶段能够方便、有效地辅助学习者对自动控制原理相关概念和问题的认识和理解,后续实际工作中对于加速控制系统试验研制进程也是非常有意义的。
第二章线性系统的数学模型
思考题
2-1传递函数是在拉普拉斯变换基础上引申出来的复数域数学模型。
2-2令传递函数分母多项式等于零,求得的复数域根就是系统的极点。
2-3环节的并联其特点是多个环节的具有相同输入量,而以各环节的输出量的代数和作为总输出量。
2-4系统的开环传递函数就等于前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积
2-5什么是传递函数?定义传递函数的前提条件是什么?
答:线性定常系统的传递函数是指在初始条件为零时,系统输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。线性定常系统传递函数定义的前提条件是初始条件为零。初始条件为零可以从两方面进行理解:一是指输入信号是在以后才作用于系统,因此,系统输入量及其各阶导数在时均为零;二是指输入信号作用于系统之前,系统是“相对静止”的,即系统输出量及各阶导数在时的值也为零。初始条件为零的规定不仅能简化运算,而且有利于在同等条件下比较系统的性能,所以,这样的规定是必要的。
2-6在自动控制系统中,常见的数学模型有哪些?
答:微分方程、传递函数、频率特性和脉冲传递函数是自动控制系统中常见的数学模型。
2-7自动控制系统有哪些典型环节?它们的传递函数是什么样的?
答:比例环节,;积分环节,;惯性环节,;理想微分环节,;振荡环节,;延迟环节,。
2-8控制系统结构图的组成要素有哪些?系统结构图有哪几种基本连接方式?
答:控制系统结构图的组成要素有四项:
方框,用于表示系统或环节输入量和输出量的关系,通常将对应的传递函数放入方框内,表示输出量等于输入量与方框内传递函数的乘积。
信号线,表示信号的流向,是一个用箭头表示方向的直线。
比较点,又称综合点、求和点,表示多个信号之间进行代数加运算后得到一个新的变量。
引出点,表示信号引出的位置,从同一点引出的信号相同。
控制系统结构图有三种基本连接方式,分别为:环节的串联、环节的并联和反馈连接。
2-9写出梅逊公式的表达式,并对公式中的符号进行简要说明。
答:梅逊公式的表达式为
式中:表示从源节点到汇节点,前向通道的个数;表示从源节点到汇节点,第条前向通道的传输;称为信号流程图的特征式,其表达式为。这里,为系统中各个回路的传输之和;为系统中任何两个不接触回环的传输乘积之和;为系统中任何三个不接触回环的传输乘积之和;同理,有为系统中任何个不接触回环的传输乘积之和。称为第条前向通道的特征式的余子式。即在确定第条前向通道后,从特征式中划掉与第条前向通道有公共节点接触的回路后,余下的部分。
习题
2-10初始条件均为零的前提下,已知线性定常系统的微分方程如下,其中、分别表示系统的输入和输出,试求对应系统的传递函数。
(1)
(2)
答:(1)两端同时进行拉普拉斯变换,
求得对应的传递函数为
(2)两端同时进行拉普拉斯变换,
求得对应的传递函数为
2-11试求如题图所示网络的传递函数,并指出包含的典型环节,其中为输入,为输出。
(a)(b)
题2-11图
答:(a)依据运算放大器的虚短和续断特性,有,进而两端同时取拉普拉斯变换有,包含有比例环节和积分环节。
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