自动控制原理习题解析(第二版)配套胡寿松 第六版 课后习题答案解答

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自动控制原理习题解析(第二版)配套胡寿松 第六版 课后习题答案解答
卜二五”普通高等教育本科国家级规划教材 《自动控制原理》立体化教材 自动控制原理习题解析 (第二版) 胡寿松主编 饼学出版社 北京 内容简介 本书为胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第六版)》的学习指导性 教学配套用书,兼容胡寿松教授主编的《自动控制原理(第五版)》。本书系 统地给出了《自动控制原理(第六版)》中全部260道习题的详解,这些习题 包含了概念题、基本题、证明题、工程应用题、MAT.AB题、设计题和难题 等七类题型。 本书在习题解析过程中给出了解题思想的友情提示,指明解题过程的 注意事项,其解题步骤科学、完善.且一题多解.以便相互校核;特别是在对 绝大多数习题的解析过程中给出了相应的 MATLAB验证程序,便于研究 参数的不同选择对系统性能的影响,以选取最佳参数,从而丰富了解题内 容,可进一步升华读者对控制理论的掌握和应用。书中附赠的《MATL.AB 辅助分析与设计软件1.2》光盘,不但便于读者使用·而且给任课教师提供 了生成数量不限的习题的题库功能,便于教师因人施教 本书可作为自动控制、工业自动化、电气自动化、仪表及测试、机械及动 力自动化等专业自动控制原理(含经典控制理论和现代控制理论)课程的教 学配套教材,亦叮供广大考研人员和从事自动控制类的工程技术人员参考。 图书在版编目(CIP)数据 自动控制原理习题解析/胡寿松主编.2版.北京:科学出版社,2013.1 十二五¨邇高等教育本科国家级规划教材·《自动控制原理》立体化教材 ISBN978-7-03-03655-2 l①自…·Ⅱ①胡…Ⅲ.①自动控制理论高等学校-题解Ⅳ.①IPl3-4 中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第017622号 责任编辑:匡敏马长芳刘俊来/责任校对:陈玉凤 责任印制:闰磊/封面设计:迷底书装 斜学#版社出版 北京东黄城根北街号 邮政綱的:101,17 http://www.sinop,even 北京市文林印脊有限公司印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2007年6月第一版开本:787×10921/16 2013年1月第二版印张:25 2013年1月第八次印刷字数:645000 定价:49.00元(含光盘) (如有印装质量问题,我社负责调换) 前言 本书是与胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第六版)》(科学出版社)配套的学习指 导性教学用书,兼容胡寿松教授主编的教材《自动控制原理(第五版)》科学出版社)。 为了满足广大读者学习和掌握自动控制技术的需求,同时也是为了杜绝众多强行与胡 寿松主编《自动控制原理》配套的错误百出的所谓“三导”习题解答对读者的错误导向,我们 编撰了这一本习题解析,以正视听。 本书系统地给出了《自动控制原理(第六版)》一书中全部习题的详解,这些习题包含了 概念题、基本题、证明题、工程应用题、 MATLAB题、设计题和难题等七类题型。在习题解 析过程中,给出了解题指导思想的友情提示,且在科学、完善的解答后,给出求解的MAT LAB文本,这不但便于核实运算结果的正确性,而且便于修改参数,完善控制系统设计性 能。本书图文并茂,可使读者进一步升华对控制理论的掌握和应用。书中附赠《 MATLAB 辅助分析与设计软件1.2》光盘,以利于教和学。 本书强化了理论联系实际的举措,紧密结合工程应用,其中设计及应用习题涉及多个应 用领域。在民用工业控制方面,有双摆系统建模、机器人关节指向控制、造纸系统张力控制 机械爪系统性能分析、打磨机器人参数选择、热轧机控制、自动化高速公路系统、汽车点火系 统调节、机器人双手协调控制、运动场摄像杋移动控制、磁悬浮系统分析、汽车悬架系统控制 等;在航空航天方面,有宇航员机动控制、飞机横滚控制、垂直起飞飞机稳定性分析、火星漫 游车导向控制、空间站方位控制、变质量民航机控制、航天飞机机械臂控制、空间机器人控 制、卫星回收系统参数选择、空间站柔性臂控制、太阳黑子观测系统控制、空间机器人的内模 控制等;在船舶工业方面,有船舶航向控制、游船消摆控制等;在生物医疗保健方面,有城市 生态系统建模、医用激光操纵系统控制、医用麻醉系统参数选择、电动轮椅速度控制等。众 多的工程应用,可使读者开阔眼界,扩大专业知识领域。 我们相信,通过学习和应用本书,读者一定会在定性分析能力、定量计算能力、综合运用 能力、 MATLAB编程能力以及数形结合能力等方面,得到进一步提高。 本书由南京航空航天大学胡寿松教授主编。在本书编著过程中,得到了陶洪峰、张军 峰、张敏、孙新柱、何亚群、刘亚、王源、徐德友、杜贞斌、张正道、侯霞、蔡俊伟、许洁、袁侃、张 绍杰、夏莹、黄红梅、胥霜霞、黄小波、刘舂生、丁勇、陈复扬、王凤如、王从庆等的支持和协助 在此深致谢忱。 对于本书存在的疏漏和不妥之处,恳请广大读者不吝指正。 胡寿松 2012年12月 本书各章题目中的图号同于主教材《自动控制原理(第六版)》,而解题过程中出现的图,其图号以题排序 目录 前言 第一章自动控制的一般概念 第二章控制系统的数学模型… 8 第三章线性系统的时域分析法…………38 第四章线性系统的根轨迹法… 83 第五章线性系统的频域分析法… …………134 第六章线性系统的校正方法 177 第七章线性离散系统的分析与校正 219 第八章非线性控制系统分析· ……255 第九章线性系统的状态空间分析与综合 300 第十章动态系统的最优控制方法……………359 参考文献… 393 第一章自动控制的一般概念 1-1图1-21是液位自动控制系统原理示意图。在任意情况下,希望液面高度c维持 不变,试说明系统工作原理并画出系统方块图。 控制阀门 浮子 电位器 减速器 用水开关 电动机 23 图1-21液位自动控制系统原理图 解本题硏究液位自动控制系统工作原理,并绘制相应的系统方块图。 当电位器电刷位于中点位置时,电动机不动,控制阀门有一定的开度,使水箱中流入水 量与流出水量相等,从而液面保持在希望高度c上。一旦流入水量或流出水量发生变化,水 箱液面高度c便相应变化。例如,当液面升高时,浮子位置亦相应升高,杠杆作用使电位器 电刷从中点位置下移,从而给电动机提供一定的控制电压,驱动电动机通过减速器减小阀门 开度,使进入水箱的流量减少。此时,水箱液面下降,浮子位置相应下降,直到电位器电刷回 到中点位置,系统重新处于平衡状态,液面恢复给定高度。反之,若水箱液位下降,则系统会 自动增大阀门开度,加大流入水量,使液位升到给定高度c 液位自动控制系统原理方块图如图1-1-1所示 给定液位 实际液位 ○浮子杠杆 电位器伺服电动机 与减速器 阀门 水箱 图1-1-1液位自动控制系统方块图 1-2图1-22是仓库大门自动控制系统原理图。试说明系统自动控制大门开闭的工作 原理并画出系统方块图。 解本题研究位置控制系统工作原理以及相应系统方块图的绘制。 当合上开门开关时,电位器桥式测量电路产生一个偏差电压信号。此偏差电压经放大 器放大后,驱动伺服电动机带动绞盘转动,使大门向上提起。与此同时,与大门连在一起的 电位器电刷上移,使桥式测量电路重新达到平衡,电动机停止转动,开门开关自动断开。反 做大器“Q) 开门 开关 关门开关 图1-22仓库大门自动控制系统原理图 之,当合上关门开关时,伺服电动机反向转动,带动绞盘转动使大门关闭,从而实现了远距离 自动控制大门开启的要求。 仓库大门自动控制系统原理方块图如图1-2-1所示。 开门位置 实际位置 ○电桥电路 放大器 伺服 电动机 绞盘 大门 关门位置 图1-2-1仓库大门自动控制系统方块图 1-3图1-23(a)和(b)均为自动调压系统。设空载时,图(a)和图(b)的发电机端电压 均为110V。试问带上负载后,图(a)和图(b)中哪个系统能保持110V电压不变?哪个系统 的电压会稍低于110V?为什么? 负 载 负 载 K SM 图1-23自动调压系统 解本题通过自动调压系统工作原理的分析,使学生学会区分有差系统和无差系统。 系统带上负载以后,图1-23(a)和(b)两个系统的端电压均会下降。但是图1-23(a)中 的系统由于自身调压作用能够恢复到110V,而图1-23(b)中的系统不能够恢复到110V,其 端电压将稍低于110V。 对于图1-23(a)中的自动调压系统,当发电机两端电压低于给定电压时,其偏差电压经 放大器放大使伺服电机SM转动,经减速器带动电刷,使发电机的激磁电流增大,提高发电 机G的端电压,从而使偏差电压减小,直到偏差电压为零,致使伺服电机停止转动。因此, 图1-23(a)中的自动调压系统能保持端电压110V不变 对于图1-23(b)中的自动调压系统,当发电机两端电压低于给定电压时,其偏差电压直 接经放大器使发电机的激磁电流增大,提 温度控制器 高发电机的端电压,即发电机G的端电压回 升,此时偏差电压减小,但偏差电压始终不 蒸汽 温度 能为零,因为当偏差电压为零时,激磁电流 也为零,发电机不能工作。因此,图1-23(b) 热水 中的自动调压系统端电压会低于110V。冷水 热交换器 1-4图1-24为水温控制系统原理示 意图。冷水在热交换器中由通入的蒸汽加 热,从而得到一定温度的热水。冷水流量 按流量顺馈 流量计 变化用流量计测量。试绘制系统方块图, 并说明为了保持热水温度为期望值,系统 图1-24水温控制系统原理图 是如何工作的?系统的被控对象和控制装置各是什么? 解本题通过温度控制系统工作原理的分析,使学生掌握系统方块图的绘制方法,并正 确区分被控对象和控制器 水温控制系统的方块图如图1-4-1所示。 流量计 冷水流量 给定温度 热水温度 温度控制器 阀门 热交换器 温度传感器 图1-4-1水温控制系统方块图 水温控制系统是复合控制系统,它的控制方式是把按偏差的闭环控制与按扰动补偿的 顺馈控制结合起来。 釆用温度负反馈,由温度控制器对热水温度进行自动控制。若热水温度过高,控制器使 阀门关小,减小蒸汽量,热水温度回到给定值。冷水流量是主要扰动量,用流量计测量扰动 信号,将其送到控制器输入端,进行扰动顺馈补偿。当冷水流量减少时,补偿量减小,通过温 度控制器使阀门关小,蒸汽量减少,以保持热水温度恒定。 系统的被控对象是热交换器,被控量是热水温度,控制装置是温度控制器。 1-5图1-25是电炉温度控制系统原理示意图。试分析系统保持电炉温度恒定的工作 过程,指出系统的被控对象、被控量以及各部件的作用,最后画出系统方块图。 解本题以炉温控制系统为例,要求通过工作原理分析,绘制系统方块图,并明确系统 组成。 给定电压 电炉 热电偶团 电压功率 放大放大 电阻丝 220V 22222 图1-25电炉温度控制系统原理图 电炉使用电阻丝加热,并要求保持炉温恒定。图中釆用热电偶来测量炉温并将其转换 为电压信号,将测量得到的电压信号反馈到输入端,与给定电压信号反极性连接,实现负反 馈。二者的差值称为偏差电压,它经电压放大和功率放大后驱动直流伺服电动机。电动机 经减速器带动调压变压器的可动触头,改变电阻丝的供电电压,从而调节炉温。 当炉温偏低时,测量电压u小于给定电压u。,二者比较的偏差电压为△4=u0-u。由于 Δa为正,电动机“正”转,使调压器的可动触头上移,电阻丝的供电电压增加,电流加大,炉温 上升,直至炉温升至给定值为止。此时,u=l,△u=0,电动机停止转动,炉温保持恒定。 当炉温偏高时,△a为负,经放大后使电动机“反”转,调压器的可动触头下移,使供电电 压减小,直至炉温等于给定值为止。 系统的被控对象是电炉,被控量是电炉炉温,伺服电动机、减速器、调压器是执行机构, 热电偶是检测元件。 电炉温度控制系统的方块图如图1-5-1所示。 给定 △n电压 功率 伺服 电位器 放大器「放大器电机减速器 调压器 电炉 热电偶 图1-5-1电炉温度控制系统方块图 1-6图1-26是自整角机随动系统原理示意图。系统的功能是使接受自整角机TR的 转子角位移θ与发送自整角机TX的转子角位移θ,始终保持一致。试说明系统是如何工 作的,并指出被控对象、被控量以及控制装置各部件的作用并画出系统方块图。 解本题以角度随动系统为例,要求分析系统工作原理,绘出系统方块图,并明确系统 组成。 发送自整角机的转子与给定轴(主动轴)相连;接收自整角机的转子与负载轴(从动轴) 相连。TX与TR组成角差测量电路。若发送自整角机的转子离开平衡位置转过一个角度 0,则在接收自整角机转子的单相绕组上将感应出一个偏差电压u2,它是一个振幅为um、频 率与发送自整角机激磁频率相同的交流调幅电压,即

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wangyjch 不错,解决了大问题。如果有相应的matlab代码就更好。
2018-11-30
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