机械控制工程基础期末试卷-答案2

机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第1页共12页一.填空题(每小题2.5分，共25分)1．对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、快速性和准确性。2．按系统有无反馈，通常可将控制系统分为开环系统和闭环系统。3．在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有微分方程、传递函数等。4．误差响应反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统控制精度的程度。5．一阶系统11Ts的单位阶跃响应的表达是。6．有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和频域性能指标。7．频率响应是线性定常系统对谐波输入的稳态响应。8．稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与的类型有关。9．脉冲信号可以用来反映系统的。10.阶跃信号的拉氏变换是。二．图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分）电压放大功率放大可逆电机+-自偶调压器~220VUf+给定毫伏信号+-电炉热电偶加热器UeUg炉温控制系统减速器-图1炉温控制结构图试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。三、如图2为电路。求输入电压iu与输出电压0u之间的微分方程，并求该电路的传递函数（10分）图2CRu0uiLCu0uiCu0uiR(a)(b)(c)机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第2页共12页四、求拉氏变换与反变换(10分)1．求[0.5]tte（5分）2．求13[](1)(2)sss（5分）五、化简图3所示的框图，并求出闭环传递函数（10分）机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第3页共12页G1(S)G2(S)G3(S)H1(S)H2(S)Xi(S)XO(S)图3机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第4页共12页六、图4示机械系统由质量m、阻尼系数C、弹簧刚度K和外力)(tf组成的机械动力系统。图4(a)中)(txo是输出位移。当外力)(tf施加3牛顿阶跃力后(恒速信号)，记录仪上记录质量m物体的时间响应曲线如图4（b）所示。试求：1）该系统的微分方程数学模型和传递函数；(5分)2）该系统的自由频率n、阻尼比；(2分)3）该系统的弹簧刚度质量m、阻尼系数C、弹簧刚度k；（3分）4）时间响应性能指标：上升时间st、调整时间rt、稳态误差sse（5分）。f(t)mckx0(t)1.0042t0.095x0图4(a)机械系统图4（b）响应曲线图4机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第5页共12页七、已知某系统是单位负反馈系统，其开环传递函数1510sGk，则该系统在单位脉冲、单位阶跃和单位恒速信号（斜坡信号）作用下的稳态误差sse分别是多少？（10分）八、设有如图5所示的反馈控制系统，试求根据劳斯判据确定传递函数k值的取值范围（10分）。()iXs×-0()Xsk(s1)(s5)0()Xs11Ts1s图5二.填空题(每小题2分，共20分)10．对控制系统的基本要求一般可以归纳为稳定性、快速性和准确性。11．按系统有无反馈，通常可将控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第6页共12页12．在控制工程基础课程中描述系统的数学模型有微分方程、传递函数等。13．稳态误差反映出稳态响应偏离系统希望值的程度，它用来衡量系统控制精度的程度。14．一阶系统11Ts的单位阶跃响应的表达是/1tTe。15．有系统的性能指标按照其类型分为时域性能指标和频域性能指标。16．频率响应是线性定常系统对谐波输入的稳态响应。17．稳态误差不仅取决于系统自身的结构参数，而且与输入信号的类型有关。18．脉冲信号可以用来反映系统的抗冲击能力。10.阶跃信号的拉氏变换是1/s。二．图1为利用加热器控制炉温的反馈系统（10分）电压放大功率放大可逆电机+-自偶调压器~220VUf+给定毫伏信号+-电炉热电偶加热器UeUg炉温控制系统减速器-图1炉温控制结构图试求系统的输出量、输入量、被控对象和系统各部分的组成，且画出原理方框图，说明其工作原理。解答：输出量：炉温。输入量：给定电压信号。被控对象：电炉。系统包括：电位器、放大器、电机、减速器以及自藕调压器、热电偶。原理方框图：机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第7页共12页三．如图2为电路。求输入电压iu与输出电压0u之间的微分方程，并求出该电路的传递函数。（10分）图2解答：跟据电压定律得四、求拉氏变换与反变换3．求[0.5]tte解答：2112(1)ss4．求13[](1)(2)sss解答：=t236tete六、化简框图，并求出闭环传递函数CRu0uiLCu0uiCu0uiR(a)(b)(c)0022002211()1iiudtuuRCdudududtRCdtdtRCsGsRCs机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第8页共12页G1(S)G2(S)G3(S)H1(S)H2(S)Xi(S)XO(S)图4解：1213212323211HGGGGGHGGGGGXi(s)Xo(s)2323211HGGGGGH1/G3Xi(s)Xo(s)__G1G2G3H2H1/G3Xi(s)Xo(s)__+机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第9页共12页七、图示机械系统由质量m、阻尼系数C、弹簧刚度K和外力)(tf组成的机械动力系统。图(a)中)(txo是输出位移。当外力)(tf施加3牛顿阶跃力后，记录仪上记录质量m物体的时间响应曲线如（b）图所示。试求：1）该系统的微分方程数学模型和传递函数；(4分)2）该系统的弹簧刚度质量m、阻尼系数C、弹簧刚度k；（3分）3）时间响应性能指标：上升时间st、调整时间rt、振荡频数N、稳态误差sse（5分）。f(t)mckx0(t)1.0042t0.095x0图(a)机械系统图（b）响应曲线解答：解：1）对于该系统有：tftkxtxctxm000故kcsmssG212）求k由Laplace变换的终值定理可知：sXstxxst0000limlimskcsmsss31lim20k3而0x=1.0，因此k=3.求m，由%100000xxtxMpp得：%5.9%1000.1095.0pM又由式%10021eMp求得=0.6机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第10页共12页将,2pt0.6代入21ndpt中，得n=1.96。再由2nmk求得m=0.78。求c由mcn2，求得c=1.83.3）求stnst32.55(取=0.05时)nst43.40(取=0.02时)求rt21arctan0.91drt2.323求N取=0.05时，215.1N=0.64取=0.02时，212N=0.85求sse当输入为阶跃信号时，系统的稳态误差为：pssKe11对于0型系统1KKp，代入式中求得：sse=0.5机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第11页共12页八、已知某系统是单位负反馈系统，其开环传递函数1510sGk，则该系统在单位脉冲、单位阶跃和单位恒速信号作用下的sse分别是多少？（8分）解答：该系统为单位负反馈且为0型系统，k=11,所以该系统在单位阶跃和单位恒速信号作用下的sse分别是111、。在单位脉冲信号作用下的稳态误差为01151011lim)()]()(1)[(1lim00sssXsHsGsHsesisss九、设有如图所示的反馈控制系统，试求根据劳斯判据确定传递函数k值的取值范围()iXs×-0()Xsk(s1)(s5)0()Xs11Ts1s解答：k()(s1)(s5)kGss系统的特征方程：(s1)(s5)k0s可展开为：32s5sk0s列出劳斯数列：321015s6k30-ks6sksk0,30-k00k30机械工程控制基础期末试卷《机械控制工程基础》试卷第12页共12页