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稳态调节练习题
稳态调节是控制系统中的一个重要概念,用于描述系统在受扰动后
的稳定状态。在自动控制系统中,稳态调节是为了使系统输出变量能
够迅速而准确地响应输入变量的改变。为了加深对稳态调节的理解,
以下是一些稳态调节练习题,供读者练习解答。
一、简答题
1.什么是稳态调节?
答:稳态调节是指系统在受扰动后,通过自身的反馈或控制手段,
使得系统的输出能够在一定时间范围内达到或接近期望值,且维持在
该期望值附近的状态。
2.稳态调节的目的是什么?
答:稳态调节的目的是使系统在受到扰动后能够快速恢复到期望状
态,以维持系统的稳定性和性能。
3.稳态调节和瞬态调节有什么区别?
答:稳态调节和瞬态调节都是控制系统中的重要概念。稳态调节描
述的是系统在长时间运行后的稳定状态,而瞬态调节则描述的是系统
在受到扰动后的短时间内的响应过程。
二、计算题
1.某温度控制系统的开环传递函数为G(s)=K/(s+a),其中K=2,a=1。
要求设计一个PI控制器,并确定合适的参数,使得系统的稳态调节性
能满足以下要求:超调量不超过15%,调节时间不超过3秒。
解:
首先,我们需要根据超调量和调节时间的要求确定临界阻尼比ξ和
自然频率ωn。
根据要求,超调量ξ=Exp(-πξ/√(1-ξ^2))=0.15
得到ξ=0.5174
调节时间T≤4/(ξωn)
代入T=3,可以求得ξωn≥1.333,取ξ=0.5,则ωn≥2.6667。
而开环传递函数G(s)=K/(s+a),代入K=2,a=1,得到G(s)=2/(s+1)。
根据临界阻尼比ξ和自然频率ωn的定义,可以得到以下方程:
ξωn=1
ωn^2=K/a
将ξ=0.5和ωn≥2.6667代入,可以求得K≥2.6667。
取K=3,得到最终的传递函数C(s)=Kp(1+1/(Tp*s))=3(1+
1/(1.3333s))。
2.某水箱液位控制系统的开环传递函数为G(s)=4/(s+1)^2。要求设
计一个PID控制器,并确定合适的参数,使得系统的稳态调节性能满
足以下要求:超调量不超过10%,调节时间不超过5秒。
解:
首先,我们需要根据超调量和调节时间的要求确定临界阻尼比ξ和
自然频率ωn。
根据要求,超调量ξ=Exp(-πξ/√(1-ξ^2))=0.1
得到ξ=0.4
调节时间T≤4/(ξωn)
代入T=5,可以求得ξωn≥0.8,取ξ=0.4,则ωn≥2。
而开环传递函数G(s)=4/(s+1)^2。
根据临界阻尼比ξ和自然频率ωn的定义,可以得到以下方程:
ξωn=1
ωn^2=K/a
将ξ=0.4和ωn≥2代入,可以求得K≥8。
取K=10,得到最终的传递函数C(s)=Kp(1+1/(Tp*s)+Td*s)=
10(1+1/(2s)+0.4s)。
三、说明题
1.稳态调节是如何影响控制系统的性能的?
答:稳态调节直接影响控制系统的性能。如果稳态调节性能不佳,
系统的输出变量将无法在一定时间范围内达到期望值,或者持续在期
望值附近波动,这将导致系统的稳定性和控制精度受到影响。因此,
良好的稳态调节能够有效地提高控制系统的稳定性和性能。
2.在实际控制系统中,如何优化稳态调节性能?
答:为了优化稳态调节性能,可以采取以下措施:
-合理选择控制器的参数,例如PID控制器的比例增益Kp、积分时
间Ti和微分时间Td。通过调整控制器的参数,可以使系统的稳态调节
性能满足需求。
-对受控对象进行参数整定,例如通过试控法、根轨迹法等方法,
确定合适的控制参数。通过调整受控对象的参数,可以提高系统的响
应速度和稳定性。
-在控制系统中添加补偿环节,如前馈环节或者预测控制。通过添
加补偿环节来改善系统的稳态调节性能,使系统更加稳定和精确。
总结:
稳态调节是控制系统中的一个重要概念,合理的稳态调节能够使控
制系统的输出变量在一定
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