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目录章自控绪论学习要点问答题及解答(11~13)习题及解答(11~115)第2章控制系统的数学模型学习要点问答题及解答(21~28)习题及解答(21~225)第3章控制系统的时域分析方法学习要点问答题及解答(31~312)习题及解答(31~325)第4章控制系统的频域分析方法学习要点问答题及解答(41~45)习题及解答(41~425)第5章控制系统的综合校正学习要点问答题及解答(51~510)习题及解答(51~525)第6章采样控制系统学习要点问答题及解答(61~611)习题及解答(61~625)第7章非线控制系统学习要点问答题及解答(71~75)习题及解答(71~725)第8章现控绪论学习要点问答题及解答(81~83)习题及解答(81~85)第9章系统的状态空间描述和状态方程的解学习要点问答题及解答(91~913)习题及解答(91~925)0章线系统的能控和能观学习要点问答题及解答(101~109)习题及解答(101~1025)1章系统的稳定分析学习要点问答题及解答(111~114)习题及解答(111~1125)2章控制系统状态空间设计方法学习要点问答题及解答(121~1210)习题及解答(121~1225)3章动态系统的控制学习要点问答题及解答(131~137)习题及解答(131~1325)4章2006—2015年天津大学硕士生入学试题
第5章控制系统的综合校正学习要点经典控制理论讲述的单变量系统基于传递函数描述的校正设计,可以通过控制器和被控制对象间的零、极点对消或设置闭环偶极子来简化设计,其优点是一阶或二阶(低阶)校正装置的物理意义明确(超前或滞后),可以有效地控制系统由一个稳态到另一个稳态的输出响应过程,但对扰动作用下系统的调节能只进行校验,是一种输入输出设计,难以考虑未进入稳态时系统的响应特,只能满足有限的系统改善的设计需求。其中,串联滞后校正装置的零、极点被放置在原点附近,作用在低频段,用来提高系统的静态控制精度,串联超前校正装置的零、极点离开原点一定距离,作用在中频段,用来提高系统的稳定和响应速度,滞后校正和超前校正一起使用即为滞后超前校正。当仅靠串联校正达不到设计要求时,还可以辅以反馈校正或采用复合校正,其中反馈校正主要用来对系统局部环节的特进行改造,复合校正则用来协调系统跟踪能和调节能间的矛盾。请注意理解根轨迹和伯德图校正方法的一致,即闭环系统的动态特由一对共轭极点支配和系统开环频率特中频段特按典型Ⅰ型系统设计是等价的,闭环系统的动态特由零、极点支配和系统开环频率特中频段特按典型Ⅱ型系统设计是等价的,极点或零、极点配置和开环频率特中频段的规则化设计,是单回路反馈控制系统动态设计方法的精髓。问答题及解答问题51请简单说明一下比例调节、积分调节和微分调节各自的特点。答:反馈控制系统通过对误差信号的运算得到控制作用,以使控制系统的静态控制精度、快速、稳定和抗干扰能力达到一定的设计要求。其中,静态控制精度主要靠提高调节器对低频段信号的放大倍数来实现,快速主要靠提高开环频率特中频段的幅值穿越频率来实现,稳定要求中频段有一定的频带宽度和足够大的相角裕度,而抗干扰能力则要求高频段特有足够的衰减。这些要求往往无法通过单一的比例、积分或微分作用来实现,而是要综合地使用这些策略。其中,比例调节对所有频段的放大作用都是相同的,且没有相位滞后,即使得开环幅频特上移,相频特不变,因此对提高系统的控制精度和快速是有利的。由于随着幅值穿越频率的提高,系统的相角裕度会减小,所以过高的比例调节器增益会降低系统的稳定和抗干扰能力。积分调节对低频段信号有很高的增益,对直流信号的增益为无穷大,对高频信号的增益很小,故可以有效地提高开环频率特低频段的高度,消除静态误差,降低中、高频段的高度,降低系统对测量噪声的。但积分作用有-90°的相角滞后,对系统的快速和稳定不利。微分作用对系统的影响和积分作用正好相反。比例、积分和微分增益的合理搭配,在不同的频段发挥作用,达到理想的控制效果,这正是控制系统综合设计的目的所在。除作用于误差信号的比例、积分、微分运算外,这些运算在反馈控制系统的不同位置出现时,对控制系统的影响是不同的。例如,上述作用于误差信号的微分作用,在增大系统阻尼的同时,还引入了闭环零点。而作用在反馈通道的微分作用,只是单纯增大系统的阻尼。另外,对误差的积分控制,或比例积分控制,相当于对系统进行滞后校正;比例微分控制,或带滤波的比例微分控制,相当于对系统进行超前校正;比例积分微分(P)控制,相当于对系统进行滞后超前校正。在应用这些校正装置改善系统能时,根轨迹方法和伯德图本质是相同的,请注意加强理解。问题52积分作用只能消除常值稳态误差,内模设计也只是对振型已知的指令信号才有效。如果系统要跟踪随时间任意变化的信号,如何设计才能保系统的跟踪精度?在这一点上又如何理解根轨迹法和频域设计方法的统一?答:按内模原理设计控制系统的调节器,只能消除稳态误差。例如,积分调节只能消除常值指令下系统的稳态误差;将调节器的极点设置在虚轴上,只能消除相应频率按正弦规律变化指令下系统的稳态误差。如果指令信号始终在随时间变化且没有固定的模态,控制系统就会始终处于动态调节的过程中,不仅稳态误差的概念并不适用,而且也难以地计算误差的大小。在这种情况下,调节器应该如何设计,才能使控制系统有足够的跟踪精度呢?对于上述问题,控制工程中的一般做法是,要求系统对某个指定的频宽范围内的任意正弦指令信号,跟踪误差都要小于一定的数值。在闭环系统稳定的前提下,根据频率特的概念,容易将这一控制要求转换为对闭环频率特的要求,即在相应的频段内幅频特曲线要足够的平直,满足M(ω)-M(0)≤Δ,相角要足够的小,满足∠Φ(jω)=α(ω)≤ε。显然,这要求闭环传递函数Φ(s)在低频段没有零点、极点,或者在低频段零点、极点只能以闭环偶极子的形式成对地出现。反应在开环频率特曲线上,则要求低频段幅频特曲线有足够大的增益,相频特曲线不能有太大的相角滞后(必须控制在-180°以内),中频段幅频特曲线以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线,幅值穿越频率ωc和相角裕度γ满足一定的设计要求。在根轨迹设计方法中,闭环频宽和谐振峰值的大小是由闭环极点的无阻尼自然振荡频率和阻尼比来确定的。在静态特方面,通过在原点附近的负实轴上引入滞后校正,在动态特方面,通过在距离原点远一些的负实轴上引入超前校正,实现开环极、零点的合理布置和闭环极点设计,保在极点附近靠近虚轴一侧的左半复平面上,或者没有闭环零、极点存在,或者它们只能以闭环偶极子的形式成对地出现,闭环零、极点离开虚轴的距离都是闭环极点的几倍以上。容易看出,根轨迹法的极点设计和频域法对开环频率特各频段的设计是一致的,可以达到异曲同工的设计目的。在控制理论的学习过程中,充分理解控制系统设计的时域根轨迹法和频域伯德图法之间的内在联系和一致,对所学内容的深刻理解和灵活掌握,是必要的。
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